光壓是什么，它能否驅(qū)動(dòng)未來(lái)人類(lèi)的科技發(fā)展

（文章來(lái)源：宇宙探索百科）
當(dāng)光照射在物體上，也會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生作用力，就像風(fēng)吹動(dòng)帆一樣。光對(duì)被照射物體單位面積上所施加的壓力叫光壓，也被稱(chēng)為輻射壓強(qiáng)。根據(jù)量子理論，光具有“波粒二象性”，它既是一種電磁波，又是一種粒子，即光子。

光子沒(méi)有靜態(tài)質(zhì)量，但有動(dòng)量。當(dāng)光子撞擊到光滑的平面上時(shí)，可以像從墻上反彈回來(lái)的乒乓球一樣改變運(yùn)動(dòng)方向，并給撞擊物體以相應(yīng)的作用力，形成光壓。在解釋彗尾的形成時(shí)，開(kāi)普勒就已提出了光壓概念：當(dāng)彗星靠近太陽(yáng)時(shí)，彗星中的塵埃和氣體分子由于受到太陽(yáng)輻射的光壓作用而產(chǎn)生了彗尾，彗尾永遠(yuǎn)指向太陽(yáng)的反方向。麥克斯韋依據(jù)經(jīng)典電磁理論首先指出了光壓的存在，并根據(jù)電磁理論解釋了光壓現(xiàn)象，算出了光壓的數(shù)值。

1899年，俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測(cè)得了光壓，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言。光壓的存在說(shuō)明了電磁波具有動(dòng)量，因而是電磁場(chǎng)物質(zhì)性的有力證明。愛(ài)因斯坦光子假設(shè)又進(jìn)一步說(shuō)明了光壓存在的合理性。

列別捷夫?qū)嶒?yàn)中所用儀器的主要部分是一用細(xì)線懸掛起來(lái)的極輕懸體R，其上固定有小翼a及b，其中一個(gè)涂黑，另一個(gè)是光亮的。將懸體R置于真空容器G內(nèi)。借助透鏡及平面鏡系統(tǒng)將由弧光燈B發(fā)出的光線射向小翼中的一個(gè)。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的大小，可借助望遠(yuǎn)鏡及固定在軸線上的小鏡觀察到。移動(dòng)雙鏡能使光射在涂黑的小翼上。比較兩種情況下懸體轉(zhuǎn)動(dòng)的大小，列別捷夫測(cè)得，涂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。

借助薄片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(duì)理論做出定量的驗(yàn)證。人們除了在理論上對(duì)光壓進(jìn)行研究之外，也在不斷探索研究用光壓推動(dòng)的裝置。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(guò)運(yùn)用太陽(yáng)光的作用力來(lái)推動(dòng)“太陽(yáng)帆”，驅(qū)動(dòng)飛船在星際間航行，尤其是科幻小說(shuō)家阿瑟·克拉克，他在小說(shuō)《太陽(yáng)帆船》提出的“太陽(yáng)帆”概念，深入人心。

在日常生活中，我們雖然可以強(qiáng)烈地感覺(jué)到光的熱量，卻無(wú)法感受到光微弱的力。其實(shí)，在炎炎的夏日下，人們也感覺(jué)不到任何陽(yáng)光的壓力，因?yàn)?平方千米面積上的陽(yáng)光壓力總共才9牛頓。單個(gè)光子所產(chǎn)生的推力更是極其微小，在地球到太陽(yáng)的距離上，光在1平方米帆面上產(chǎn)生的推力只有0.9達(dá)因，還不到1只螞蟻的重量。但太空中運(yùn)行的航天器處于失重狀態(tài)，又無(wú)空氣阻力，所以，即使是輕微的推力(太陽(yáng)光的壓力)，也可以讓它加速前進(jìn)。

科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)的太陽(yáng)帆飛船靠的就是它的光帆——非常輕而薄的聚酯薄膜。它們堅(jiān)硬異常，表面上涂滿了反射物質(zhì)，使得光帆的反光性極佳。當(dāng)太陽(yáng)光照射到帆板上后，帆板將反射出光子，而光子也會(huì)對(duì)太陽(yáng)帆飛船的光帆產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)飛船前行。因此，光帆的直徑越大，獲得的推力也越大，太陽(yáng)帆飛船的速度也將越快。改變帆板與太陽(yáng)的傾角，可以對(duì)飛船速度進(jìn)行調(diào)整。因此，為了最大限度地從陽(yáng)光中獲得加速度，太陽(yáng)帆必須建得既大又輕，而且表面要十分光滑平整。由于來(lái)自太陽(yáng)的光線提供了無(wú)窮盡的能源，攜有大型太陽(yáng)帆的航天器最終可以以每小時(shí)24萬(wàn)千米的速度前進(jìn)。這個(gè)速度要比當(dāng)今以火箭推進(jìn)的最快航天器快4～6倍。

俄羅斯、日本先后做過(guò)幾次類(lèi)似嘗試；美國(guó)也在研究太陽(yáng)帆飛船，并為選擇太陽(yáng)帆的制造材料做了大量測(cè)試。美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)宇宙帆船在2010年成行，太陽(yáng)帆飛船NanoSail-D將歷經(jīng)15年以上的航程，飛行37億千米直到太陽(yáng)系邊緣，或是攜帶儀器探測(cè)遙遠(yuǎn)的冥王星。也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人類(lèi)將有可能借助太陽(yáng)帆激游太空。

光壓風(fēng)車(chē)裝置是一個(gè)由玻璃球體內(nèi)裝有黑、白亮色葉片組成的風(fēng)車(chē)，黑色面即光吸收面，白色面即光反射面。當(dāng)強(qiáng)光照射到這些玻璃裸殼內(nèi)的黑、白葉片上，由于光粒子對(duì)葉片產(chǎn)生的光壓差作用，將把光能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。打開(kāi)產(chǎn)品頂部光源，強(qiáng)光照射在光壓風(fēng)車(chē)群體上，風(fēng)車(chē)葉片隨即轉(zhuǎn)動(dòng)。由于風(fēng)能與太陽(yáng)能都是取之不盡用之不竭的清潔能源，推廣光壓風(fēng)車(chē)因而有著特殊的意義。

在地球上，太陽(yáng)光的作用力實(shí)在是微乎其微，沒(méi)有人能用陽(yáng)光來(lái)移動(dòng)一個(gè)物體。但是，在2008年11月27日的《自然》雜志上，一篇由美國(guó)耶魯大學(xué)中國(guó)學(xué)者發(fā)表的文章首次證實(shí)，在納米世界里，光可以驅(qū)動(dòng)“機(jī)器”——由半導(dǎo)體做成的納米機(jī)械

在宏觀尺度上，光地力實(shí)在太微弱，沒(méi)有人能感覺(jué)到；但是，在納米尺度上，光具有相當(dāng)可觀的力。在上述論文中，研究人員成功驅(qū)動(dòng)了像集成電路上的三極管一樣大小的納米級(jí)光子集成電路。其實(shí)，此前光壓力已經(jīng)被物理學(xué)家和生物學(xué)家應(yīng)用于一種叫“光鑷”的技術(shù)中，用來(lái)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芯片上，使它的強(qiáng)度增加了數(shù)百萬(wàn)倍，從而用來(lái)操控納米半導(dǎo)體器件。

在耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)，在硅芯片上鋪設(shè)出一條條光的線路，稱(chēng)之為“光導(dǎo)”。當(dāng)激光器發(fā)出的光被接入這樣的芯片，光就可以像電流在導(dǎo)線里一樣，沿著鋪好的“光導(dǎo)”線路“流”動(dòng)。他們把一小段只有10微米長(zhǎng)的光導(dǎo)懸空起來(lái)，如同一座納米橋梁，由于光壓，光會(huì)對(duì)引導(dǎo)它的導(dǎo)線產(chǎn)生作用力，讓它可以像吉他的弦般產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)光的強(qiáng)度被調(diào)制到和光導(dǎo)的振動(dòng)一致的頻率時(shí)，共振就會(huì)產(chǎn)生，繼而就會(huì)在透射的光中產(chǎn)生同樣頻率的一個(gè)共振峰，共振就會(huì)使光的振動(dòng)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(cè)量到。因?yàn)楣獾乃俣缺入娏饕斓枚?，所以這種光產(chǎn)生的力有望能以幾十吉赫茲(GHz)的速度驅(qū)動(dòng)納米機(jī)械。

此項(xiàng)研究成果首次證明了光的力量能被有效集合在極小區(qū)域內(nèi)，有望引領(lǐng)出新一代半導(dǎo)體芯片技術(shù)——用光來(lái)取代電。未來(lái)運(yùn)用這種新技術(shù)，科學(xué)家和工程師們可以實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)和量子原理的、高速高效的計(jì)算和通訊，即集成電路上的光通訊。與電信號(hào)相比，用光來(lái)傳載信息，速度會(huì)快得多，功耗又低很多。如果電腦的整個(gè)集成系統(tǒng)都能通過(guò)光來(lái)通訊，電腦的運(yùn)行速度就可以比現(xiàn)在高10多倍。在這個(gè)講求速度的時(shí)代，光在集成芯片上的應(yīng)用將會(huì)很大程度上提高我們工作和生活的效率。
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