光压Light pressure原理分析

光压 Light pressure  

不知道大家还记不记得在《三体》中有这样一个故事:程心和维德提出了一个阶梯计划,用氢弹爆炸产生的辐射来推动一个小型探测器,把云天明的大脑送到三体人舰队。整个探测器才10公斤,其中辐射帆就占了9.5公斤。在使用了近1000颗氢弹后,探测器的飞行速度达到了光速的百分之一。阶梯计划基本上达成了目标。

这个故事简直就是我儿时的噩梦啊,想象到一颗大脑在未知的、空茫茫的宇宙中飞,还很有可能被敌人抓获…不得不说云天明真不愧是全人类的希望啊!

不过毕竟是物理科普文,所以今天的重点不是大脑(我也不敢说大脑了)。而是用辐射来推动物体,也就是用光推动物体。

其实这个不可思议的技术并不是只在科幻小说中出现的,2018年的诺贝尔物理学奖就是个很好的证明。

2018的物理诺奖授予了这三位大佬,他(她)们的研究都与激光有关。但是因为这些技术太复杂太高端,今天就只大概讲一下最左边这位和他的成果——光镊

光压|Light pressure

没错就是这位,Arthur Ashkin. 阿瑟•阿什金出生在美国纽约并在纽约布鲁克林长大,就读哥伦比亚大学期间,作为一名技术人员曾为美国军方的雷达设备制造磁控管。

1952年从康奈尔大学获得核物理博士学位。

1952年到1991年任职于AT&T贝尔实验室。

从20世纪60年代后期就开始用激光操纵微粒的工作。

有一天,“Ashkin意识到,激光是用光束移动微观粒子的理想工具。他照亮微米尺寸的透明球体,果然,立即就能让这些小球移动。同时令阿什金惊讶的是,这些球体被吸到了光束中间——那里光强度最大。为什么呢?不管一束激光多么细锐,它的强度总是会由中心向边缘逐渐减弱。因此,激光给粒子的辐射压也会发生变化,将粒子推向光束中间,并把它们维持在中心位置

为了将粒子保持在光束方向上,阿什金又增加了一个高强度透镜来聚焦激光。于是,这些粒子被吸向光强度最大的一点。一个光陷阱诞生了。后来人们称它为光学镊子。”

光压|Light pressure

理解Ashkin的激光陷阱就必须理解辐射压,也俗称光压。光压(light pressure)是指光照射到物体上对物体表面产生的压力。

这里我要八卦一下,远在1748年欧拉即已指出光压的存在,可直到1901年由俄国物理学家列别捷夫首次测量出来。欧拉这位数学天才竟然还预测出了光压的存在,如果他没有不幸失明的话会不会在物理学界成为和牛顿一样的奠基人呢?诶,天妒英才啊…

如今,人们可以从光的电磁理论或光的量子理论推算出光压的大小。

我们知道光拥有波粒二象性,通过麦克斯韦的电磁理论可以算出:光正入射到黑体(完全吸收光的物体)上所产生的压强为:

p=S/c

公式中S为光的坡印廷矢量的值,c为光速。啥?坡印廷矢量是什么?是电磁场中的能流密度矢量。空间某处的电场强度为E,磁场强度为H,该处电磁场的能流密度为S=E×H。它的方向沿电磁波的传播方向。大小为S=EHsinθ,θ为EH的夹角。所以这个什么什么矢量到底是什么呢?它表示单位时间通过垂直单位面积的能量,单位为瓦/(米2)

这里我们可以简单的推导一下方便大家理解公式:

压强的单位是N/m2,而N可以用基本单位kg·m/s2来替代。所以压强的单位就是kg/(m·s2).回到光压的计算公式:p=S/c, S的单位是N·m/(sm2),c的单位是m/s。通过运算我们发现得数的单位也是kg/(m·s2)。

感觉一堆单位和概念挺复杂的,或许用光的粒子性更容易理解一些?

光压是光子把其的动量传给物体的结果。由于光的粒子性,根据动量定理,光子具有动量hν/c,会对物体产生一定的压力。入射到物体表面后被吸收或者反射。大量光子长时间的作用就会形成一个稳定的压力。

我们都在幼儿园学到了动量守恒,现在又知道光子也可以把动量传递给物体!如果光被吸收,那原有的动量就没了,所以那个无辜的吸收光的物体就有了动量P;而如果光被残忍的完全反射,那就有了负的动量(将原有动量规定为正),根据幼儿园学习的动量守恒,物体就有了正的动量2P。所以物体就可以被光轻松的“推出去了”。

知道了这些,我们是不是也能拿到诺贝尔奖呢?差不多了吧,还得再理解一下下图小学体育老师每天念叨的力的分解与合成终于派上用场了。通过复杂的分析,我们得知一个很小的物体在被透镜聚集的光束中受到了合外力。这个力刚刚好是指向激光束的焦点的,所以这个物体就被“拉”到了焦点的位置。

科学家通过调整推力和拉力的大小,可以将微小的原子或分子固定在某个位置,就像用镊子夹住纸片一样。

光压|Light pressure

除了能拿诺奖,懂得光压还可以enable you在小伙伴面前解释很多现象。

比如当为什么彗星的尾巴总是背向太阳呢?因为彗星在太阳旁通过时,它的尘粒与气体分子受到了光压的作用。

再比如为什么太阳质量那么大却不会坍缩呢?因为太阳内部的光压(辐射压)则使它膨胀。当万有引力大于光压时,太阳便会坍缩;当万有引力小于光压时,太阳便会膨胀。只有在万有引力与光压相等时,它才能够处在稳定状态,如今的太阳便是这样。

那可不可以用光来把人推走呢?可惜呀,不能。因为相对于光照射物体时传递的热能,光压实在太小了。当光压大到能推动人的时候,恐怕那位不幸的伙计已经不在人世了。

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