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      光也有壓力!

      2023-04-12 23:17:11史金陽(yáng)
      知識(shí)就是力量 2023年4期
      關(guān)鍵詞:太陽(yáng)帆光量子擺錘

      風(fēng)的本質(zhì)是空氣流動(dòng),從微觀上講,它是一團(tuán)團(tuán)有質(zhì)量的空氣氣團(tuán)的移動(dòng)。當(dāng)前方有障礙物時(shí),這一團(tuán)團(tuán)空氣便會(huì)迎頭撞在上面。

      在日常生活中,用一個(gè)玻璃球撞擊另一個(gè)與它質(zhì)量相近的靜止玻璃球時(shí),我們會(huì)發(fā)現(xiàn),撞擊后,運(yùn)動(dòng)的玻璃球速度會(huì)減慢甚至停下來(lái),而靜止的玻璃球會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

      彈玻璃球(供圖/史金陽(yáng))

      我們將這一現(xiàn)象總結(jié)一下:當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體甲撞擊靜止的物體乙后,物體甲的速度會(huì)降低,物體乙會(huì)從原來(lái)的靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。類似的現(xiàn)象還會(huì)發(fā)生在牛頓擺和冰壺運(yùn)動(dòng)中。

      這其實(shí)是動(dòng)量守恒定律的粗略表述。物體動(dòng)量被定義為物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度的乘積。動(dòng)量守恒定律可以定性地表述為:當(dāng)由一個(gè)或者多個(gè)物體組成的系統(tǒng)不受外界干擾時(shí),組成系統(tǒng)的各個(gè)物體的動(dòng)量之和總是保持不變的。

      如上圖所示,在牛頓擺運(yùn)行過(guò)程中,最右側(cè)的擺錘下落,撞擊右2 擺錘,由于擺錘的質(zhì)量相同,兩個(gè)擺錘會(huì)交換速度,原本運(yùn)動(dòng)的擺錘靜止,原本靜止的擺錘會(huì)運(yùn)動(dòng)并撞擊下一個(gè)擺錘。以此類推,逐個(gè)交換速度,直到最左側(cè)的擺錘開(kāi)始運(yùn)動(dòng),并重復(fù)上述過(guò)程。

      那么,這和最開(kāi)始說(shuō)到的風(fēng)帆有什么聯(lián)系呢?

      回到剛開(kāi)始的風(fēng)帆問(wèn)題上,當(dāng)空氣不斷地吹到風(fēng)帆表面時(shí),這些氣團(tuán)會(huì)與風(fēng)帆發(fā)生碰撞,將動(dòng)量傳遞給風(fēng)帆,從而推動(dòng)帆船不斷運(yùn)動(dòng)。既然無(wú)形的風(fēng)可以吹動(dòng)帆船,那無(wú)形的光呢?

      17世紀(jì),人們意識(shí)到光照可以產(chǎn)生壓力,并將此作為彗星“小尾巴”總朝向遠(yuǎn)離太陽(yáng)方向的原因之一。

      從經(jīng)典的電磁理論中,人們很早就獲得了電磁波對(duì)界面壓力的理論解,但是受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,一直沒(méi)有完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。直到20世紀(jì)初,俄國(guó)物理學(xué)家列別捷夫完成了光壓力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

      隨后,愛(ài)因斯坦提出光量子的概念,即光其實(shí)也是一個(gè)個(gè)粒子,用以解釋光電效應(yīng)(在光的照射下,物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象)的問(wèn)題,人們對(duì)于光壓有了更深的理解。

      光是由一個(gè)個(gè)的光量子組成的,這些光量子具有動(dòng)量。當(dāng)光照在某個(gè)物體表面時(shí),這些光量子不斷地與物體表面發(fā)生碰撞,正如之前一團(tuán)團(tuán)空氣與風(fēng)帆發(fā)生碰撞能夠推動(dòng)帆船一樣,光量子在與物體碰撞時(shí),也在傳遞動(dòng)量,并且對(duì)物體產(chǎn)生推力。

      既然光與風(fēng)有相同的動(dòng)量傳遞過(guò)程,那么,可不可以豎起一道太陽(yáng)帆,利用太陽(yáng)光的壓力推動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)呢?答案是肯定的!

      2010年11月, 美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 在其發(fā)射的FASTASAT衛(wèi)星上搭載了一個(gè)小型衛(wèi)星——NanoSail-D。小型衛(wèi)星上安裝了由高反射率材料制作成的太陽(yáng)帆。2011年1 月,NanoSail-D衛(wèi)星在距離地球650千米的軌道上,展開(kāi)了一張9 平方米的太陽(yáng)帆。隨后,陽(yáng)光推動(dòng)著太陽(yáng)帆,使該衛(wèi)星按預(yù)定計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了變軌。整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有采用傳統(tǒng)的推進(jìn)方式,這標(biāo)志著人類成功設(shè)計(jì)并建造出了光壓力驅(qū)動(dòng)的航天器。

      除此以外,在微觀領(lǐng)域,我們也可以利用激光的高度方向性和高流強(qiáng)來(lái)推動(dòng)細(xì)小物質(zhì),這極好地避免了物理機(jī)械對(duì)細(xì)小物質(zhì)產(chǎn)生不可控的損傷。這種技術(shù)被稱作光鑷技術(shù),多應(yīng)用在微納米尺度的生物、化學(xué)研究領(lǐng)域。

      光壓還能用來(lái)做什么呢?歡迎掃碼二維碼,給我們留言。參與互動(dòng),有機(jī)會(huì)獲得《知識(shí)就是力量》精美禮品。

      (責(zé)任編輯 / 張麗靜 美術(shù)編輯 / 周游)

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