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中以物理学家首次找到光的推拉力证据

中以物理学家首次找到光的推拉力证据

  新研究首次演示了当光撞击液面时,介质表面会向内弯曲,这表明光会产生推力,与亚伯拉罕的理论一致。

  100多年来,科学家一直在争论一个问题:当光通过一种介质,比如油或水,它会牵拉或推动这种介质吗?虽然大多数实验发现光可产生推拉力,但一直没有证据对此充分加以证明。

  现在,以色列魏茨曼科学研究所和中国中山大学的一个联合研究团队第一次找到了光施加推拉力的证据,光和流体介质之间的相互作用说明:如果光可以使流体运动,它施加了一个推力;如果不是,它施加了一个拉力。该研究成果刊登在近期《新物理学》杂志上。

  推压还是牵拉

  从历史的脉络来看,对于光压的性质和动量的辩论,要追溯到1908年。当时四维时空理论的创立者、数学家赫尔曼·闵可夫斯基(曾是著名物理学家爱因斯幸运28坦的老师)预测光可施加一个牵拉力。而1909年,物理学家马克斯·亚伯拉罕的预测则正相反,他认为光施加的是一个推力。

  究竟是亚伯拉罕对,还是闵可夫斯基有道理?对于光在物质中的动量问题,科学家争论了一个多世纪。

  该联合研究小组的研究人员说:“我们发现,光的动量不是一个基本量,它是光与物质之间相互作用的结果,而其性质主要取决于光移动物质的能力。如果物质不动,就是闵可夫斯基说的情况;如果物质移动,那么就是亚伯拉罕所言的状况。而这在以前是不能被理解的。”

  据物理学家组织网近日报道,研究人员证明的方式是,通过一束光照射液体表面,看液体表面是上升还是下降的实验来区分这两种不同类型的压力。

  如果液体表面隆起,那么是光在拉动液体,与闵可夫斯基的理论一致;如果液体表面凹陷,则是光在推动液体,幸运28与亚伯拉罕的理论一致。这两个理论的预测在空无一物的空间(折射率为1)是一致的,而在折射率大于1的任何介质里则不同。

  光在起初有动力

  在新研究中,科学家发现,采用较宽的光束和一个比较大的容器,光会产生推力,使介质表面向内弯曲。研究人员在具有不同折射率的水和油中展示了这种推力,这与亚伯拉罕的理论一致。

  而在以前的实验中,研究人员发现光具有牵拉力。当时他们使用的光束较窄,容器也更小。此次,研究人员对原有实验进行了改进,使用更窄的光束,同样显示出牵引力,与先前的研究结果一致。这表明力的性质不仅取决于光,还与流体有关。

  为什么光会有动量?研究人员解释说,光的动量与其能量略有不同,可以理解为一种压力引起的运动,类似于打斯诺克台球。在台球游戏中,球员击打一个球,随后这个球去碰击另一个球,产生连续撞击,是球员最初击球产生的动量造成了所有球的运动。光也会像台球一样击打所触及的物质,只不过这些击打力度是极其微小的。

  然而,在某些情况下,光的击打会产生引人注目的效果,彗尾就是一个典型的例子。很久以前,天文学家约翰尼斯·开普勒就推测,彗星的尾巴是由光推移彗星上的物质造成的。我们现在知道他所言仅部分正确,太阳风是彗尾形成的另一个因素。

  用光动量开发应用程序

  研究人员称,只有在光不完全被介质反射,至少有部分通过这个介质的情况下,争论光的动量的推与拉的性质才有意义。“如果光线被完全反射,如照射在镜子上或彗星尘埃颗粒上,则不会有光动量的概念问题,因为入射光和反射光的动量很简单地平衡了。但如有部分光透射到物质中,则问题来了,透射光会影响动量的净平衡。亚伯拉罕理论中的动量失衡导致光的推力,闵可夫斯基的理论中则是牵拉力。”

  这一发现无论在理论上还是实践上都有重要意义。从理论上说,研究结果可以帮助科学家更幸运28好地理解光的性质。科学家们很早就知道光具有能量和动量,他们通过普朗克常数和光波频率来量化光的能量,但却难以对光的动量进行描述。当介质的折射率增加时,光的动量会增加或减少吗?研究结果表明,答案取决于光线是否可以使流体运动:如果可以,光的动量减小,表现为亚伯拉罕理论中的推力;否则,光的动量增加,则会产生闵可夫斯基理论中的拉力。

  而在实践中,这种区别也被证明是非常有用的,科学家们已开始着手开发应用程序,以利用光的动量。例如惯性约束聚变,即利用光的动量点燃核聚变;物理学家也可以利用光和偏转反射镜之间的动量交换来冷却反射镜,使其达到量子力学的基态;在生物医学和纳米工程应用方面,光动量也有用武之地,如光学镊子,就是采用光学操纵技术,利用光的微弱压力来操控细胞。研究人员希望今后能够更好地理解光的动量性质,以推动这些领域的发展。