「光壓」是什麼?它能「驅動」未來人類的科技進程嗎?

當光照到一個物體上時，它也會對它施加力，就像風吹帆一樣。光對被照射物體單位面積施加的壓力稱為光壓力，也稱為輻射壓力。根據量子理論，光具有「波粒二象性」，它不僅是電磁波，而且是一個粒子，即光子。

光子沒有靜態質量，只有動量。當光子擊中一個光滑的平面時，它可以改變運動方向，就像桌球從牆上反彈回來一樣，並給擊中的物體一個相應的力，形成一個光的壓力。

捕捉光壓

在解釋彗尾的形成時，克卜勒就已提出了光壓概念：

當彗星靠近太陽時，由於太陽輻射的光壓力，彗星中的塵埃和氣體分子產生尾巴，尾巴總是指向太陽的相反方向。根據經典電磁理論，麥克斯韋首先指出了光壓的存在，根據電磁理論解釋了光壓現象，並計算了光壓值。

1899年，俄羅斯物理學家列別傑夫通過實驗測量了光壓力，證實了麥克斯韋的預言。光壓力的存在表明電磁波具有動量，是電磁場重要性的有力證明。愛因斯坦的光子假說進一步解釋了光壓力存在的合理性。

列別捷夫實驗中所用儀器的主要部分是一用細線懸掛起來的極輕懸體R，其上固定有小翼a及b，其中一個塗黑，另一個是光亮的。將懸體R置於真空容器G內。藉助透鏡及平面鏡系統將由弧光燈B發出的光線射向小翼中的一個。由於作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉動。轉動的大小，可藉助望遠鏡及固定在軸線上的小鏡觀察到。移動雙鏡能使光射在塗黑的小翼上。比較兩種情況下懸體轉動的大小，列別捷夫測得，塗黑表面所受的光壓力比反射表面所受的光壓力小一半，與理論完全符合。

藉助薄片P1使光流的一部分射到溫差電池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以對理論做出定量的驗證。

人們除了在理論上對光壓進行研究之外，也在不斷探索研究用光壓推動的裝置。

光壓驅動太陽帆船

從儒勒·凡爾納到阿瑟·C·克拉克，科幻作家們不止一次幻想過運用太陽光的作用力來推動「太陽帆」，驅動飛船在星際間航行，尤其是科幻小說家阿瑟·克拉克，他在小說《太陽帆船》提出的「太陽帆」概念，深入人心。

在我們的日常生活中，雖然我們能強烈地感受到光的熱量，但卻感受不到光的微弱能量。事實上，在炎熱的夏天，人們感覺不到任何陽光的壓力，因為陽光對1平方公裡區域的總壓力只有9牛頓。單光子產生的推力非常小。在地球和太陽的距離上，光在一平方米的帆上產生的推力只有0.9達因，小於螞蟻的重量。但是在太空中運行的太空飛行器是失重的，沒有空氣阻力，所以即使是輕微的推力（陽光的壓力）也能使它向前加速。

科學家們設計的太陽帆飛船靠的就是它的光帆——非常輕而薄的聚酯薄膜。它們堅硬異常，表面上塗滿了反射物質，使得光帆的反光性極佳。當太陽光照射到帆板上後，帆板將反射出光子，而光子也會對太陽帆飛船的光帆產生反作用力，推動飛船前行。因此，光帆的直徑越大，獲得的推力也越大，太陽帆飛船的速度也將越快。改變帆板與太陽的傾角，可以對飛船速度進行調整。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得既大又輕，而且表面要十分光滑平整。由於來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的太空飛行器最終可以以每小時24萬千米的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的最快太空飛行器快4～6倍。

俄羅斯、日本先後做過幾次類似嘗試；美國也在研究太陽帆飛船，並為選擇太陽帆的製造材料做了大量測試。美國宇航局預計宇宙帆船在近十年內成行，太陽帆飛船NanoSail-D將歷經15年以上的航程，飛行37億千米直到太陽系邊緣，或是攜帶儀器探測遙遠的冥王星。也許在不遠的將來，人類將有可能藉助太陽帆激遊太空。

光壓驅動風車

光壓風車裝置是一個由玻璃球體內裝有黑、白亮色葉片組成的風車，黑色面即光吸收面，白色面即光反射面。當強光照射到這些玻璃裸殼內的黑、白葉片上，由於光粒子對葉片產生的光壓差作用，將把光能轉換成機械能，推動葉片旋轉。打開產品頂部光源，強光照射在光壓風車群體上，風車葉片隨即轉動。由於風能與太陽能都是取之不盡用之不竭的清潔能源，推廣光壓風車因而有著特殊的意義。

光壓驅動納米機械

在地球上，太陽光的作用力實在是微乎其微，沒有人能用陽光來移動一個物體。但是，《自然》雜誌上，一篇由美國耶魯大學中國學者發表的文章首次證實，在納米世界裡，光可以驅動「機器」——由半導體做成的納米機械。

在宏觀尺度上，光地力實在太微弱，沒有人能感覺到；但是，在納米尺度上，光具有相當可觀的力。在上述論文中，研究人員成功驅動了像集成電路上的三極體一樣大小的納米級光子集成電路。其實，此前光壓力已經被物理學家和生物學家應用於一種叫「光鑷」的技術中，用來操控原子和微小的顆粒。最新研究卻是把光集成在一塊小小的晶片上，使它的強度增加了數百萬倍，從而用來操控納米半導體器件。

在耶魯大學的實驗室裡，科學家們使用最先進的半導體製造技術，在矽晶片上鋪設出一條條光的線路，稱之為「光導」。當雷射器發出的光被接入這樣的晶片，光就可以像電流在導線裡一樣，沿著鋪好的「光導」線路「流」動。

他們把一小段只有10微米長的光導懸空起來，如同一座納米橋梁，由於光壓，光會對引導它的導線產生作用力，讓它可以像吉他的弦般產生振動。當光的強度被調製到和光導的振動一致的頻率時，共振就會產生，繼而就會在透射的光中產生同樣頻率的一個共振峰，共振就會使光的振動幅度增大2000多倍。

這樣，光作用力的效果就被放大了，所以很容易被測量到。因為光的速度比電流要快得多，所以這種光產生的力有望能以幾十吉赫茲(GHz)的速度驅動納米機械。

這項研究成果首次證明了光的能量可以有效地聚集在極區，有望引領新一代半導體晶片技術——以光代電。未來，利用這項新技術，科學家和工程師可以實現基於光學和量子原理的高速高效的計算和通信，即集成電路上的光通信。與電信號相比，利用光來傳輸信息將快得多，功耗也低得多。如果計算機的整個集成系統能夠通過光通信，計算機的運行速度可以比現在快10倍以上。在這個高速發展的時代，光在集成晶片中的應用將大大提高我們的工作效率和生活效率。