光壓及其應(yīng)用

吾布拉型?阿不都瓦斯提

摘要：光壓是射在物體上的光所產(chǎn)生的壓力.由于光是由光子構(gòu)成的.它由沒有靜態(tài)質(zhì)量但有動(dòng)量的光子構(gòu)成的，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)的作用及壓力.本文討論光壓在現(xiàn)代技術(shù)上的一些應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光壓；光子；光子能量；能量傳遞

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672-1578（2016）02-0273-01

1873年英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立了電磁理論.他指出光的本質(zhì)是一種電磁波.他還預(yù)言：光射到物質(zhì)表面時(shí)，將對(duì)這個(gè)物體的表面施加壓力，光有一定的壓力。

到了1887赫茲由實(shí)驗(yàn)來證實(shí)了麥克斯韋的電磁理論.同時(shí)卻又發(fā)現(xiàn)了能直接的得出了對(duì)光的粒子性描述的光電效應(yīng).在1899年，俄國物理學(xué)家列別捷夫用實(shí)驗(yàn)測得了光壓，證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言.到了1905年愛因斯坦發(fā)表了光子假設(shè)有進(jìn)一步說明了光壓存在的合理性。

這就是它們?cè)趩挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞給物體單位面積上的動(dòng)量，即光壓。

按照愛因斯坦的光子假說和上面的光壓計(jì)算可以知道光壓實(shí)光對(duì)被照射物體單位面積上所施加的壓力，也成為輻射壓強(qiáng).早在1748年歐拉就指出光壓得存在，這后英國物理學(xué)家麥克斯維首先用電磁場理論退證出來，并計(jì)算清甜的太陽對(duì)一平方米的黑體（能夠完全吸收入射電磁波的理想物體）表面的壓力為4.7×10-6N.距強(qiáng)度為100萬燭光的光源1m處的鏡面上，所受到的可見光的光壓只有10-5N/m.

從上面的數(shù)據(jù)我們可以知道光壓是很小的，所以我們只能感覺發(fā)暖，亦有壓力.只是因?yàn)楦杏X器官的限制而感覺不到.所以人們剛開始覺得光壓很小而沒有實(shí)際應(yīng)用.那么光壓確實(shí)沒有應(yīng)用嗎？

2.光壓的應(yīng)用

著名的天文學(xué)家開普勒在400年前就曾設(shè)想不要帶任何能源，緊緊依靠太陽能就可以設(shè)宇宙帆船馳騁太空.到了1924年俄國航天事業(yè)的先驅(qū)康斯坦丁.齊偶爾克夫斯基和同事費(fèi)里德里希.山德爾明指出《用找到很波的巨大反射鏡上的陽光所產(chǎn)生的推力獲得的宇宙速度》.正是山德爾德提出了太陽帆（太陽反射器）是一種包在硬質(zhì)塑料上的超薄金屬帆的設(shè)想成為今天建造太陽帆的基礎(chǔ)。

太陽帆。太陽帆是一種不帶機(jī)械動(dòng)裝置的輕便的航天器.他是一種靠太陽光壓作控制力和推理的新型航天器，其原理類似于普通帆船，只不過是產(chǎn)生動(dòng)力不自然風(fēng)而且是太陽光.當(dāng)太陽照射帆面時(shí)，反面上反射出光子，按照動(dòng)量定理，光子會(huì)對(duì)太陽帆施加一定的作力而推動(dòng)零力的太陽帆前行.

從太陽來的光壓雖然很小，但以長期不斷的作用.理論上研究表明，在進(jìn)入太空的航天器上拉起一張巨大的飯，可為航天器提供10萬分之一到千分之一地球重力加速度g的加速度.如果反面直徑300米，可匙500千克重的航天器嚴(yán)辦橢圓軌道，經(jīng)過200多天的加速度后飛到火星.如果帆面直徑增大到2000米，則可使5噸重的飛船飛離太陽系。

由于來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以以每小時(shí)24萬公里的速度前進(jìn).這個(gè)速度要被當(dāng)前以火箭推進(jìn)的最快航天器快4-6倍.即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍.我們的太陽帆面積越大，我們獲得的推力也越大.飛船質(zhì)量越小，所獲得的加速度就越大。

太陽帆飛船的優(yōu)點(diǎn)是不要花費(fèi)任何燃料成本，也沒有發(fā)動(dòng)機(jī).可攜帶根多科學(xué)儀器和貨物；確定是推力太低導(dǎo)致加速度過慢，同時(shí)遠(yuǎn)離太陽的地方光壓會(huì)過低（此事不用人工主動(dòng)照射來獲得推理.可采用聚光照射或主動(dòng)發(fā)射能量光速兩種方法）.在距太陽1個(gè)天文單位的距離上（約相當(dāng)于地日質(zhì)心到太陽的距離）太陽光壓約為9×10-6N/m2。根據(jù)牛頓第二定律可算出太陽帆將會(huì)以 （0.03-1.00）×10-3m/s2的加速度暖慢運(yùn)動(dòng).具體數(shù)值與太陽帆的重量面積比有關(guān).由于太陽光壓能持續(xù)不斷的作用于飛船，故可逐漸將飛船推進(jìn)到極高的速度.例如若飛船在太空中從靜止開始以0.5×10-3m/s2的加速度飛行.100天后時(shí)速度將達(dá)1.6萬千米.如果持續(xù)飛行3年，速度會(huì)提升到每小時(shí)16萬千米，相當(dāng)于宇宙探測先驅(qū)"旅行者號(hào)"探測器時(shí)速度的3倍.在美國宇航局先進(jìn)概念研究所專門從事太陽帆研究的朱伯倫博士認(rèn)為，如果設(shè)合理，太陽帆的最高速度可達(dá)光速的2%，即6000千米/秒。果真如此，星航行將成為可能。

太陽帆目前已成為廣受青睞的宇航技術(shù).俄羅斯，日本先后作過幾次模擬嘗試；美國也在研究太陽帆飛船，并為選擇太陽帆的制造材料作了大量測試.美國宇航局預(yù)計(jì)2010年太陽帆飛船將歷經(jīng)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(yuǎn)的冥王星.我們相信，在不遠(yuǎn)的將來人類將有可能借助太陽帆邀游太空。

3.結(jié)論

現(xiàn)在利用光壓進(jìn)行原子冷卻和捕陷，以及對(duì)介質(zhì)微粒的操縱，已成為當(dāng)今最熱門的研究課題之一.光壓不僅在物理方面應(yīng)用而且在生命科學(xué)，化學(xué)以及工藝技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到人們的重視。