光子動量之謎在150年之後終於被揭示?

2020-12-04 博科園

博科園-科學科普

光具有動量的想法並不新鮮，但是在過去的150年裡，光與物質相互作用的確切本質一直是一個謎。在一項剛發表於《自然通訊》上的論文中，研究人員或許揭示了光最黑暗的秘密之一。

1、研究光輻射壓的歷史

克卜勒1916年在De cometis一書中繪製的彗星在行星間穿行的軌跡。圖片：Linda Hall Library

1619年，德國著名的天文學家和數學家克卜勒第一次提出，來自太陽光的壓力或許是彗星尾巴永遠指向背離太陽方向的原因。他在《De cometis》一書中繪製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）是於木星軌道外被發現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，形成長長的氣體塵埃尾，指向背離太陽的方向。圖片：E. Kolmhofer，H. Raab；Johannes Kepler Observatory，1997年4月4日

直到1873年，麥克斯韋才預言，光是一種電磁輻射，而這種輻射壓正是來自於光自身的電磁場中存在的動量。當電磁波發射到物體表面時，電磁波的動量與物體動量相互交換，從而產生作用於物體表面的壓力，也就是輻射壓。如果入射動量垂直於平面，那麼動量改變恰好是入射動量的兩倍，因而在物體中產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，這種動量是如何轉化為力或運動的。因為光攜帶的動量非常小，我們還沒有足夠靈敏的設備來解決這個問題。

2、實驗：光子動量如何轉化為力

現在，技術已經趕上來了，Chau和來自斯洛維尼亞、巴西的國際研究團隊，正在試圖揭示這個謎題。

為了測量光子和物質之間這種極弱的相互作用，研究人員必須將幹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傳感器和隔熱屏障的特殊鏡面，用固體介電質作為鏡子的材料，並在表面交替覆蓋ZrO和SiO兩種材料層層疊加而成的反射率高達99.93%的薄膜，目的在於減少吸收光輻射所產生的熱量。

實驗設置：鏡子的材料為固體介電質（灰色），其表面覆蓋的ZrO和SiO形成了反射率高達99.93%的薄膜（綠色）。當雷射脈衝垂直照射在鏡面上時，會在材料中產生彈性波（紅色和藍色弧線），以聲速在材料中傳播開來。

然後，當將雷射脈衝垂直照射到鏡面上時，材料中就會產生彈性波，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，並形成皮米（10^-12m）量級的尖峰。彈性波會導致材料發生位移，因此在靈敏的聲學傳感器的幫助下，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徵，直到回溯到駐留在雷射脈衝本身的動量，這為最終定義和模擬材料內部的光子動量打開了大門。

鏡面中彈性波的傳播過程：雷射脈衝照射在鏡面上，（g）首先產生初級波（Primary wave，P-wave），（h）然後是二級波（Secondary wave，S-wave），（j）之後產生瑞利波（Rayleigh wave，R-wave），初級波抵達鏡面的底部並被反射回去，在（k-l）中進一步形成更為複雜的波形。

光輻射壓導致的彈性波在材料中傳播，引起垂直於材料表面（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果相一致，這表明，輻射壓是導致表面垂直位移的絕對主導因素，而不是吸收的熱量或者其他作用力。

這一發現對於推進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用。

3、實際應用

「想像一下乘著由太陽帆驅動的星際遊艇去遙遠的恆星旅行。又或者就在地球上，研發出可以組裝顯微機器的光學鑷子。」

（左）日本的IKAROS是世界上第一個主要由太陽帆驅動的探測器，它是依靠太陽輻射加速的星際風箏。其英文名縮寫為IKAROS，也就是伊卡洛斯，是希臘神話中的人物，他用蠟和鳥羽製作的翅膀飛向太陽，越飛越高，最終因為過於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：Andrzej Mirecki & JAXA

我們還沒有走那麼遠，但是這項工作的發現是重要的一步，我很期待下一步它會將我們帶向何方。

博科園-科學科普｜文：原理/principia1687

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