光子動量研究的歷史光子動量如何轉(zhuǎn)化為力？及實際應(yīng)用的詳細(xì)概述

光具有動量的想法并不新鮮，但是在過去的150年里，光與物質(zhì)相互作用的確切本質(zhì)一直是一個謎。在一項剛發(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量。

當(dāng)電磁波發(fā)射到物體表面時，電磁波的動量與物體動量相互交換，從而產(chǎn)生作用于物體表面的壓力，也就是輻射壓。如果入射動量垂直于平面，那么動量改變恰好是入射動量的兩倍，因而在物體中產(chǎn)生的也會是入射動量的兩倍（如下圖）。

這項研究的共同作者Kenneth Chau表示：“而在此之前，我們都還不能確定，這種動量是如何轉(zhuǎn)化為力或運(yùn)動的。因為光攜帶的動量非常小，我們還沒有足夠靈敏的設(shè)備來解決這個問題?！?/p>

實驗：光子動量如何轉(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，正在試圖揭示這個謎題。

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。

○ 實驗設(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，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，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量，這為最終定義和模擬材料內(nèi)部的光子動量打開了大門。”

○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。實驗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際應(yīng)用。

實際應(yīng)用

“想象一下乘著由太陽帆驅(qū)動的星際游艇去遙遠(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?！?/p>

○（左）日本的IKAROS是世界上第一個主要由太陽帆驅(qū)動的探測器，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，最終因為過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?！?/p>