爲什麼會有光壓?

沐凌竹


施鬱(復旦大學物理學系教授)

光子雖然沒有質量,但是有動量,單位時間動量的改變就是外界對它的力,反過來,它導致的外界物體在單位時間裡動量的改變就是它對物體的力。單位面積的力就是光壓。也就是說,光的動量改變導致物體受到光壓。400年前,開普勒就曾猜測彗星尾巴背向太陽就是因為太陽光的光壓(不完全對)。學過經典電磁學的人可以通過電場強度和磁場強度可以算出光壓,通過電場強度和磁場強度的矢量積,得到單位面積單位時間的傳播的能量(也就是能量通量,也叫坡印廷矢量),除以光速,就是光壓。 有了光子概念後,可以考慮通每個光子的動量的改變,也就是每個光子傳遞給物體的動量,得到每個光子作用在物體上的力。 這個結果再乘以單位時間裡射到物體上的光子數目,就得到整個光束給物體的壓力。


物理文化與施鬱世界線


與題主的推理恰恰相反,正是因為有「動量守恆」,光才會產生光壓。

喜歡科幻的朋友一定聽說過一個概念,叫做「太陽帆」:

太陽帆作為一種推進系統,利用光產生的壓力,推動航天器運動。由於太陽光源源不斷,所以航天器幾乎不需要攜帶什麼燃料,只需要攜帶工作用的燃料就夠了。而且這種推進器,在航天器速度越快的時候,功率越高,這也是其他推進器難以比擬的。

那麼很自然的,我就要問,為什麼光能夠產生光壓呢?我們知道,光子是沒有質量的,有的科普文章說「光沒有靜質量,有動質量」,這種說法是不嚴謹的,物理學中沒有「動質量」的說法,只有「動量」的說法。

光子的動量為:p=h/λ,能量為E=hv,v是波數。

只要有動量的變化,就能夠產生力。這個論斷,從牛頓力學就可以得到:F = dp/dt。這是牛頓第二定律的原始形式:力等於動量的變化率。

既然光在光帆上被反射了,那它的動量的方向就發生了改變,即動量變化了2p。在單位時間內,有n個動量為p的光子撞向光帆,並被反射,其產生的推力就是F = 2np。這是理想的情況:所有的光子都會被完全反射,且反射到相反的方向。但在實際中,有一部分光子會被吸收,那這些光子的動量改變只有p,有的則會因為表面凹凸不平,被反射到其他方向,其動量變化也不會有2p。這也就是為什麼所有的太陽帆都努力做的像鏡子一樣——只有這樣,才會產生最大的推力。


章彥博


光的能量量子,就是光子,代表著光的最小能量單元。

光子的靜止質量為零,所以光在真空中傳播速度最快,為光速,是慣性參考系中速度的最大值。

光子具有一定的能量和動量,所以光子的運動質量並不是零。只要光子具有一定的頻率,就意味著具有一定的能量,那麼就可以等效認為它具有多大運動質量。

光子和其他靜止質量不為零的粒子發生碰撞時,會發生相互作用,這個過程是滿足能量守恆和動量守恆的。要麼粒子吸收了整個光子,能量增加了一個光子的所有能量;要麼粒子吸收了部分光子能量,光子的頻率發生紅移(頻率變低,波長變長),“改頭換面”成為了另一個光子;要麼光子獲得了粒子的能量,光子的頻率發生了藍移(頻率變高,波長變短)。

如果是最後一種情況,那麼光子入射到粒子上後,會發生反射,光子的能量增加,粒子的能量就會減小。對於有質量的粒子而言,它的整體能量相對一個光子是非常巨大的。但是,如果有一大群甚至無數個光子都發生了類似的相互作用的話,那麼粒子的能量終將減小。就像用一群乒乓球去擊打一個運動著的鉛球,通過大量乒乓球吧鉛球的能量降低,鉛球始終是要慢下來的。利用這個原理,科學家發明了激光冷卻原子技術。我們知道原子無時不刻在做熱運動,倘若從四面八方(一般是六面)給原子打上激光,那麼光子就會讓原子慢慢“冷靜”下來。最終冷卻下來的原子溫度是極低的,大概在0.0000000001 K 量級,非常接近絕對零度。

類似地,如果一束光子不斷打到一個“船帆”上,那麼船帆就會吸收光子的能量,儘管一個光子能量很小,但是無數個光子不斷打過來,帆船能量就會不斷增加,直到足以改變它的運動狀態,這就是光壓。在宇宙中,我們可以通過類似原理,讓一個很小的太空帆船被光子不斷加速,這樣就不需要依賴於發動機,只要時間足夠久,是能夠探測非常遙遠的宇宙空間的。這其實就是霍金最近提出的突破攝星計劃,也許有一天,這個小帆船會遇到一個外星文明呢!


飛賊克斯和康德馬特


我先推導:計算光壓的最簡公式。通過計算幾個不同頻率的光子壓強,大家可以體會光子究竟是什麼。


根據正負電子湮滅方程,±e↹±γ ,可以假定:電子是高密度小體積的光子,光子是低密度大體積的電子,光子質量=電子質量。

電子都是以光速自旋的球形漩渦體。電子的自旋勢能等於其作為點電荷的電勢能,即:Ep=mc²=ke²/r,

由此算出電子半徑:r=2.82e-15m。把電子的康普頓波長λ*=2.42e-12m,作為最高頻率光子的波長。

進而算出對應的光子半徑:r*=λ*/2π=3.9e-13m。有光子離心力或光壓力:F=mc²/r*。

光子最大圓面積:A=πr²=π(λ/2π)²=λ²/4π,推得光子的壓強:P=F/A=mc²/4πλ²......(1)

(1)式可寫成:P=k/λ²......(2),即光壓與波長平方成反比。其中k=mc²/4π=6.52e-15。

例如:紫光波長400nm,紫光的壓強:P=k/λ²=6.52e-15/(4e-7)²=0.04N/m²。

回答本題:光量子是承載了特定能量的真空場量子。真空介質是有能量有質量的。光量子就是場量子。

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物理新視野


光子沒有靜止質量並不準確,它一定有一個我們尚無法測量的靜止質量,按照光子是最小粒子的說法它就等同於當初說的以太,它不但有質量,而且佔據著可視宇宙絕大部分的質量,只是他振動頻率不到的時候以暗物質形態存在。電子吸收了光子同時也吸收了光子的質量,電子向下越級的時候又“甩”出了光子,如果放射出的光子相位相對一致,那就會產生可以檢測的光壓,光壓產生有兩種方式,題主說的動量轉換是其一,另一種是光子定向移動形成了流體,流體速度最快的地方壓強最低,造成外圍光子的向內擠壓。

今年諾獎之一的光鑷,攝取細胞的時候細胞相對靜止在光子流的中心位置。原理類似氣流頂起的物體,物體在動量轉換和流體壓力下,會停在氣流中心位置。


程俊傑70559097


最簡單回答,聲音沒有質量,可是聲音會產生壓力,為什麼啊。因為聲音是物質的震動的表現。光也是,你要知道原子裡面有光子啊!別不相信,核分裂有說釋放光子的,所以有壓力沒問題啊!除非沒有光子且沒有相互作用力,就像現代科學解釋中微子基本不和大部分物質發生作用一樣,所以要探測很困難。但光就不一樣了,基本原子核裡面都有光子,也就是說光子比原子核還小。那麼問題來了,光子是很多還是很少啊!個人理解,光子充滿原子核到電子中間的空間裡,充滿太空,充滿銀河,充滿世界。所以光可以無處不在。就像空氣一樣,要反對請在先證明真空中可以傳播聲音。


星遊2


光子是科學家胡說的,光是一種肉眼可見波,也就是一種能量,他本身作為波是沒有質量的,但是當它遇到原子的時候,會與核外電子發生相互作用,電子也不是粒子,也是波,電和光是反向波,也就是光是外向波,電是內向波,光是在空間裡傳播的能量,電子是朝內傳播的能量,所以電子遇到質子中子,當能量相當,就形成物質。由於光和電都是能量,所以也能相互作用,這個相互作用的過程就產生了我們觀測到的所謂光壓。


天意論


光是光媒質(暗物質)波動形成的,其能量類似於聲波也是一份一份傳遞的,或是說以量子形式傳遞的。光媒質構成的微粒因為太小(遠遠小於通常所說的“基本粒子”),而無法通過粒子反應的形式探測到,但大量的這種粒子會對通常的“基本粒子”有影響,甚至可以產生宏觀的電磁場現象。因為光的本質也是“物質”的運動結果,因此也具有能量和動量。


鴿子樹的夢想


光,是空間的一種不穩定磁場狀態。這種磁場狀態的傳遞會與其它磁場發生磁場衝突,因此我們觀察到了光壓現象。光子並不是一個粒子,它是空間能夠傳遞的最小能量單位。這個能量就是以運動的磁場最小半徑為基礎的。悟空問的問題很多都是現代科學家們無法解答的難題啊!在這些問題前面,他們要麼是東扯西拉地胡說一通,要麼就是指鹿為馬地瞎定義,就是不敢承認自己也不知道!


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