光具有動(dòng)量的想法并不新鮮,但是在過去的150年里,光與物質(zhì)相互作用的確切本質(zhì)一直是一個(gè)謎。在一項(xiàng)剛發(fā)表于《自然通訊》雜志上的論文中,研究人員或許揭示了光最黑暗的秘密之一。
研究光輻射壓的歷史
○開普勒1619年在De cometis一書中繪制的彗星在行星間穿行的軌跡。| 圖片來源:Linda Hall Library
1619年,德國著名的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開普勒第一次提出,來自太陽光的壓力或許是彗星尾巴永遠(yuǎn)指向背離太陽方向的原因。他在《De cometis》一書中繪制了彗星在行星間穿行的軌跡(如上圖)。圍繞著太陽的三個(gè)圓弧形軌道依次是水星軌道(Sphaera Mercurii)、金星軌道(Sphaera Veneris)、地球軌道(Sphaera Tellurae),圖中的一叢叢短線條代表彗星的尾巴,它們總是背離太陽的方向。
○ 海爾-波普彗星(Comet Hale-Bopp,C/1995 O1)是于木星軌道外被發(fā)現(xiàn)的最為明亮壯觀的彗星之一,它的回歸周期是2533年。太陽輻射壓使得彗星中的冰蒸發(fā),形成長長的氣體塵埃尾,指向背離太陽的方向。| 圖片來源:E. Kolmhofer,H. Raab;Johannes Kepler Observatory,1997年4月4日
直到1873年,麥克斯韋才預(yù)言,光是一種電磁輻射,而這種輻射壓正是來自于光自身的電磁場中存在的動(dòng)量。
當(dāng)電磁波發(fā)射到物體表面時(shí),電磁波的動(dòng)量與物體動(dòng)量相互交換,從而產(chǎn)生作用于物體表面的壓力,也就是輻射壓。如果入射動(dòng)量垂直于平面,那么動(dòng)量改變恰好是入射動(dòng)量的兩倍,因而在物體中產(chǎn)生的也會是入射動(dòng)量的兩倍(如下圖)。
這項(xiàng)研究的共同作者Kenneth Chau表示:“而在此之前,我們都還不能確定,這種動(dòng)量是如何轉(zhuǎn)化為力或運(yùn)動(dòng)的。因?yàn)楣鈹y帶的動(dòng)量非常小,我們還沒有足夠靈敏的設(shè)備來解決這個(gè)問題。”
實(shí)驗(yàn):光子動(dòng)量如何轉(zhuǎn)化為力
現(xiàn)在,技術(shù)已經(jīng)趕上來了,Chau和來自斯洛文尼亞、巴西的國際研究團(tuán)隊(duì),正在試圖揭示這個(gè)謎題。
為了測量光子和物質(zhì)之間這種極弱的相互作用,研究人員必須將干擾和背景噪聲控制在最低水平。他們建造了一個(gè)配備有聲學(xué)傳感器和隔熱屏障的特殊鏡面,用固體介電質(zhì)作為鏡子的材料,并在表面交替覆蓋ZrO?和SiO?兩種材料層層疊加而成的反射率高達(dá)99.93%的薄膜,目的在于減少吸收光輻射所產(chǎn)生的熱量。
○ 實(shí)驗(yàn)設(shè)置:鏡子的材料為固體介電質(zhì)(灰色),其表面覆蓋的ZrO?和SiO?形成了反射率高達(dá)99.93%的薄膜(綠色)。當(dāng)激光脈沖垂直照射在鏡面上時(shí),會在材料中產(chǎn)生彈性波(紅色和藍(lán)色弧線),以聲速在材料中傳播開來。| 圖片來源:[1]
然后,當(dāng)將激光脈沖垂直照射到鏡面上時(shí),材料中就會產(chǎn)生彈性波,這就如同池塘中的水的漣漪一樣,它們會以聲速在材料中傳播開來,并形成皮米(10^-12m)量級的尖峰。彈性波會導(dǎo)致材料發(fā)生位移,因此在靈敏的聲學(xué)傳感器的幫助下,研究人員就可以通過探測鏡面的位移來測量通過鏡面的彈性波,從而記錄光與物體相互作用的過程。
Chau說:“我們不能直接測量光子的動(dòng)量,所以我們的方法是通過‘聆聽’穿過鏡面的彈性波來探測光子動(dòng)量的影響。我們可以沿路探查這些波的特征,直到回溯到駐留在激光脈沖本身的動(dòng)量,這為最終定義和模擬材料內(nèi)部的光子動(dòng)量打開了大門。”
○鏡面中彈性波的傳播過程:激光脈沖照射在鏡面上,(g)首先產(chǎn)生初級波(Primary wave,P-wave),(h)然后是二級波(Secondary wave,S-wave),(j)之后產(chǎn)生瑞利波(Rayleigh wave,R-wave),初級波抵達(dá)鏡面的底部并被反射回去,在(k-l)中進(jìn)一步形成更為復(fù)雜的波形。| 圖片來源:[1]
光輻射壓導(dǎo)致的彈性波在材料中傳播,引起垂直于材料表面(z方向)的位移。實(shí)驗(yàn)中傳感器探測到的垂直位移與排除熱彈性波等影響、以輻射壓為彈性波唯一能量來源的模擬結(jié)果相一致,這表明,輻射壓是導(dǎo)致表面垂直位移的絕對主導(dǎo)因素,而不是吸收的熱量或者其他作用力。
這一發(fā)現(xiàn)對于推進(jìn)我們對光的基本理解很重要,而Chau也指出了輻射壓的實(shí)際應(yīng)用。
實(shí)際應(yīng)用
“想象一下乘著由太陽帆驅(qū)動(dòng)的星際游艇去遙遠(yuǎn)的恒星旅行。又或者就在地球上,研發(fā)出可以組裝顯微機(jī)器的光學(xué)鑷子。”
○(左)日本的IKAROS是世界上第一個(gè)主要由太陽帆驅(qū)動(dòng)的探測器,它是依靠太陽輻射加速的星際風(fēng)箏。其英文名縮寫為IKAROS,也就是伊卡洛斯,是希臘神話中的人物,他用蠟和鳥羽制作的翅膀飛向太陽,越飛越高,最終因?yàn)檫^于接近太陽而使蠟翼融化,墜落大海。(右)從伊卡洛斯上看到的新月形的金星。| 圖片來源:Andrzej Mirecki & JAXA
“我們還沒有走那么遠(yuǎn),但是這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)是重要的一步,我很期待下一步它會將我們帶向何方。”
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原文標(biāo)題:光子動(dòng)量之謎在150年之后終于被揭示?
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