光壓Light pressure原理分析

光壓 Light pressure  

不知道大家還記不記得在《三體(ti) 》中有這樣一個(ge) 故事：程心和維德提出了一個(ge) 階梯計劃，用氫彈爆炸產(chan) 生的輻射來推動一個(ge) 小型探測器，把雲(yun) 天明的大腦送到三體(ti) 人艦隊。整個(ge) 探測器才10公斤，其中輻射帆就占了9.5公斤。在使用了近1000顆氫彈後，探測器的飛行速度達到了光速的百分之一。階梯計劃基本上達成了目標。

這個(ge) 故事簡直就是我兒(er) 時的噩夢啊，想象到一顆大腦在未知的、空茫茫的宇宙中飛，還很有可能被敵人抓獲…不得不說雲(yun) 天明真不愧是全人類的希望啊！

不過畢竟是物理科普文，所以今天的重點不是大腦（我也不敢說大腦了）。而是用輻射來推動物體(ti) ，也就是用光推動物體(ti) 。

一

其實這個(ge) 不可思議的技術並不是隻在科幻小說中出現的，2018年的諾貝爾物理學獎就是個(ge) 很好的證明。

2018的物理諾獎授予了這三位大佬，他（她）們(men) 的研究都與(yu) 激光有關(guan) 。但是因為(wei) 這些技術太複雜太高端，今天就隻大概講一下最左邊這位和他的成果——光鑷。

二

沒錯就是這位，Arthur Ashkin. 阿瑟•阿什金出生在美國紐約並在紐約布魯克林長大，就讀哥倫(lun) 比亞(ya) 大學期間，作為(wei) 一名技術人員曾為(wei) 美國軍(jun) 方的雷達設備製造磁控管。

1952年從(cong) 康奈爾大學獲得核物理博士學位。

1952年到1991年任職於(yu) AT&T貝爾實驗室。

從(cong) 20世紀60年代後期就開始用激光操縱微粒的工作。

有一天，“Ashkin意識到，激光是用光束移動微觀粒子的理想工具。他照亮微米尺寸的透明球體(ti) ，果然，立即就能讓這些小球移動。同時令阿什金驚訝的是，這些球體(ti) 被吸到了光束中間——那裏光強度最大。為(wei) 什麽(me) 呢？不管一束激光多麽(me) 細銳，它的強度總是會(hui) 由中心向邊緣逐漸減弱。因此，激光給粒子的輻射壓也會(hui) 發生變化，將粒子推向光束中間，並把它們(men) 維持在中心位置。

為(wei) 了將粒子保持在光束方向上，阿什金又增加了一個(ge) 高強度透鏡來聚焦激光。於(yu) 是，這些粒子被吸向光強度最大的一點。一個(ge) 光陷阱誕生了。後來人們(men) 稱它為(wei) 光學鑷子。”

三

理解Ashkin的激光陷阱就必須理解輻射壓，也俗稱光壓。光壓(light pressure)是指光照射到物體(ti) 上對物體(ti) 表麵產(chan) 生的壓力。

這裏我要八卦一下，遠在1748年歐拉即已指出光壓的存在，可直到1901年由俄國物理學家列別捷夫首次測量出來。歐拉這位數學天才竟然還預測出了光壓的存在，如果他沒有不幸失明的話會(hui) 不會(hui) 在物理學界成為(wei) 和牛頓一樣的奠基人呢？誒，天妒英才啊…

如今，人們(men) 可以從(cong) 光的電磁理論或光的量子理論推算出光壓的大小。

我們(men) 知道光擁有波粒二象性，通過麥克斯韋的電磁理論可以算出:光正入射到黑體(ti) (完全吸收光的物體(ti) )上所產(chan) 生的壓強為(wei) :

p=S/c

公式中S為(wei) 光的坡印廷矢量的值，c為(wei) 光速。啥？坡印廷矢量是什麽(me) ？是電磁場中的能流密度矢量。空間某處的電場強度為(wei) E，磁場強度為(wei) H，該處電磁場的能流密度為(wei) S=E×H。它的方向沿電磁波的傳(chuan) 播方向。大小為(wei) S=EHsinθ，θ為(wei) E和H的夾角。所以這個(ge) 什麽(me) 什麽(me) 矢量到底是什麽(me) 呢？它表示單位時間通過垂直單位麵積的能量，單位為(wei) 瓦/(米2)。

這裏我們(men) 可以簡單的推導一下方便大家理解公式：

壓強的單位是N/m2，而N可以用基本單位kg·m/s2來替代。所以壓強的單位就是kg/(m·s2).回到光壓的計算公式：p=S/c, S的單位是N·m/(sm2)，c的單位是m/s。通過運算我們(men) 發現得數的單位也是kg/(m·s2)。

感覺一堆單位和概念挺複雜的，或許用光的粒子性更容易理解一些？

光壓是光子把其的動量傳(chuan) 給物體(ti) 的結果。由於(yu) 光的粒子性，根據動量定理，光子具有動量hν/c，會(hui) 對物體(ti) 產(chan) 生一定的壓力。入射到物體(ti) 表麵後被吸收或者反射。大量光子長時間的作用就會(hui) 形成一個(ge) 穩定的壓力。

我們(men) 都在幼兒(er) 園學到了動量守恒，現在又知道光子也可以把動量傳(chuan) 遞給物體(ti) ！如果光被吸收，那原有的動量就沒了，所以那個(ge) 無辜的吸收光的物體(ti) 就有了動量P；而如果光被殘忍的完全反射，那就有了負的動量（將原有動量規定為(wei) 正），根據幼兒(er) 園學習(xi) 的動量守恒，物體(ti) 就有了正的動量2P。所以物體(ti) 就可以被光輕鬆的“推出去了”。

四

知道了這些，我們(men) 是不是也能拿到諾貝爾獎呢？差不多了吧，還得再理解一下下圖小學體(ti) 育老師每天念叨的力的分解與(yu) 合成終於(yu) 派上用場了。通過複雜的分析，我們(men) 得知一個(ge) 很小的物體(ti) 在被透鏡聚集的光束中受到了合外力。這個(ge) 力剛剛好是指向激光束的焦點的，所以這個(ge) 物體(ti) 就被“拉”到了焦點的位置。

科學家通過調整推力和拉力的大小，可以將微小的原子或分子固定在某個(ge) 位置，就像用鑷子夾住紙片一樣。

五

除了能拿諾獎，懂得光壓還可以enable you在小夥(huo) 伴麵前解釋很多現象。

比如當為(wei) 什麽(me) 彗星的尾巴總是背向太陽呢？因為(wei) 彗星在太陽旁通過時，它的塵粒與(yu) 氣體(ti) 分子受到了光壓的作用。

再比如為(wei) 什麽(me) 太陽質量那麽(me) 大卻不會(hui) 坍縮呢？因為(wei) 太陽內(nei) 部的光壓(輻射壓)則使它膨脹。當萬(wan) 有引力大於(yu) 光壓時，太陽便會(hui) 坍縮;當萬(wan) 有引力小於(yu) 光壓時，太陽便會(hui) 膨脹。隻有在萬(wan) 有引力與(yu) 光壓相等時，它才能夠處在穩定狀態，如今的太陽便是這樣。

那可不可以用光來把人推走呢？可惜呀，不能。因為(wei) 相對於(yu) 光照射物體(ti) 時傳(chuan) 遞的熱能，光壓實在太小了。當光壓大到能推動人的時候，恐怕那位不幸的夥(huo) 計已經不在人世了。