光也有壓力！

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）