光速這麼快,撞向人類或者其他物體時有產生撞擊力嗎?為什麼?

崔雨鍇


光速這麼快,撞向人類或者其他物體時當然不會產生撞擊力!因為光只是一種微觀粒子或者波!

想象一下,一個汽車如果時速達到100千米/小時,那麼只要撞向一個人類或者物體,那麼一定會造成汽車、人類和物體的非常嚴重的破壞。但是,光畢竟不是汽車那樣的宏觀物體。光只是一重微觀粒子或者波。而微觀粒子,無論速度多麼大,在撞擊到人體或者其他物體的時候,由於微觀粒子的尺度極小,而人體的組織和器官之間的縫隙或者物體結構之間的縫隙,要比它大得多的多。所以,微觀粒子可以自由的從人體器官和組織中或物體結構之間穿過去。

而當光是一種波的時候,它的波長也相對來說是極其短的。因此,當光射向物體時,可以穿過人類或其他物體。因此,極大的光速也不可能會產生巨大撞擊力。而且在現實生活中,我們每天被太陽光、燈光等等光照射都不會被撞傷,撞死;就是由於光是微觀物體,而不是宏觀物體!


地震博士


光子撞到物體上的時候當然有撞擊力,只是通常來說都太弱了,以至於我們無法感知到。

對於一般的物體,比如木塊,它的「動量」很容易計算,就是速度v乘上質量m,得到動量p = Mv。而根據牛頓定律,其受力等於動量p隨著時間的變化率。比如說,在一秒種之內,它的速度變化了2m/s,那麼它的動量就是在1s內變化了2(m/s)*M。這個也就是它所受的力。

而對於光子來說,雖然它沒有質量,但仍然擁有動量。光子的動量與它的波長λ有關,公式是:

p=h/λ

其中h是普朗克常量。

那麼,如果在一段時間t之內,有n個光子撞到人體,並被吸收,那這時動量就發生了變化。一開始這一群光子的動量是n p = n h / λ。在被吸收之後,動量變為0.

這個時候我們就可以計算它們「動量的變化率」。也就是人受到的撞擊力:

F = n h / (λ t)

從這個公式可以看出很多東西。首先,光越強,n/t就越大,力也越大;單個光子能量越大,λ就越小,力也越大。這都是符合直覺的。

我們之所以感覺不到光的壓力,是因為這個力實在是太小了,我們人體根本感受不到。


章彥博


施鬱(復旦大學物理學系教授)

光撞到人類或者其他物體是產生撞擊力的,這就是光力,單位面積受到的光力就是光壓。 那為什麼那麼小呢,因為光的有效質量小。光的靜止質量為零,但是可以將光子的能量等效於一個質量。 光子的能量是普朗克常數乘以頻率。將它除以光速的平方,就得到一個有效質量。這只是一個光子。一束光包含很多光子。單位面積乘以光速就是單位時間射到單位面積上的體積,乘以光子密度,就得到單位時間射到單位面積上的光子數目,結果就是光子密度乘以光速。這裡假設是垂直入射。所以光壓就等於光子密度乘以普朗克常數乘以頻率除以光速。

光壓雖然小,卻不可以忽略。 今年獲得諾貝爾物理學獎的光鑷就基於巧妙地利用了光壓。讓光壓的效果產生對微小物體的囚禁乃至操控。


物理文化與施鬱世界線


光速很快沒錯,但光量子所具有的動量很小,在撞擊過程中所能產生的光壓極小,我們幾乎沒法感受到。光子的能量為:

E=hf

其中h是普朗克常數,f是頻率。另一方面,光子的頻率f和波長λ的關係如下:

f=c/λ

其中,c是光子的速度,即光速。據此,光子的能量表達式可改寫為:E=hc/λ

又根據質能方程,光子的能量又存在如下的關係式:E=mc^2

從而可得:E=hc/λ=mc^2

化簡可得:m=h/(cλ)

所以光子的動量為:P=mc=h/λ

可以看到,雖然光子不具有靜止質量,但具有運動質量,只不過非常的小。以可見光為例,可見光的波長範圍為380至780納米,對於波長為500納米的光子,其運動質量僅為4.42×10^-36 kg,而動量僅為1.325×10^-27 kg·m/s。這是單個光子的情況,如果光子數量很多的時候,它們所能產生的光壓會有多大呢?下面以太陽為例做個簡單估算。

在地球的運行軌道上,太陽的輻射通量為1361 W/m^2,所以地球上每平方米在每秒內接收到的太陽能為1361 J。假設光子與物體發生了正面的彈性碰撞,根據動量守恆定律可以得到如下的關係:

P=2E/c=Ft,即F=2E/(ct)

代入數值可以計算出每平方米在每秒內所受到的光壓為0.000009 N,或者相當於9 μN,這麼小的壓力,我們根本無法感受到。不過,我們會通過另一種方式感受到太陽光——熱量。太陽光照射到我們的皮膚上,光子的動能將會轉化成熱量,所以我們會感覺太陽光很暖和甚至很熱。

此外,雖然太陽光的光壓很小,但這種微弱的推力可以推動太空中的太陽帆前進。只要太陽帆具有足夠大的面積,並且加速足夠長的時間,太陽帆就能獲得很高的速度。例如,對於800 m×800 m的太陽帆,它在地球附近能夠獲得大約5.8 N的推力,經過連續3年的加速之後,速度可達45 km/s(旅行者1號的飛行速度為17 km/s),以這個速度飛向太陽系深處所需的時間將會大大縮短。


火星一號


哈哈,光速很快,為什麼就必須撞擊力大呢?就好像一坨棉花就算速度再快,因為其質量小,造成的損害也是很小的。而一個鐵塊,就算速度很慢,因為質量大,所以損害也是不容忽視的。

不過在光子這裡,可能就不能用質量來表示了,因為光子沒有靜止質量。而是動量,可能有些人不懂動量。在經典力學中,動量(是指國際單位制中的單位為kg?m/s ,量綱MLT?1)表示為物體的質量和速度的乘積,是與物體的質量和速度相關的物理量,指的是運動物體的作用效果。光子具有能量,也具有動量,更具有質量,按照質能方程,E=mc2=hν,求出m=hν/c2,

光子由於無法靜止,所以它沒有靜止質量,這兒的質量是光子的相對論質量。

我們還可以推算可見光的能量。可見光的範圍是380~780 nm

光子的能量公式為 E = hv = h c / lambda,這裡 h 是普朗克常數,c 是真空中的光速,lambda 是波長.h = 6.626 × 10^-34 (m^2 kg / s),c = 3 × 10^8 (m / s)

代入公式得到 可見光的光子能量範圍在 2.55 × 10^-19 5.23 × 10^-19 (J)

由此可見,儘管光速很快,但光子能造成的撞擊力,是完全可以忽略不計算的。

順帶介紹一下光子的質量上限吧。光子的靜止質量嚴格為零,本質上和庫侖定律嚴格的距離平方反比關係等價,如果光子靜止質量不為零,那麼庫侖定律也不是嚴格的平方反比定律。所有有關的經典理論,如麥克斯韋方程組和電磁場的拉格朗日量都依賴於光子靜質量嚴格為零的假設。從愛因斯坦的質能關係和光量子能量公式可粗略得到光子質量的上限:m=hν/c2


懷疑探索者


動量法

我們通常如果判斷撞擊力的大小呢?看疼不疼唄!所以常識告訴我們,質量越大,越疼;速度越大,越疼。mv就是動量。所以嚴格來講,我們在短時間內吸收的撞擊力是物體動量的變化量

也就是公式Ft=△mv

我們都知道光子是沒有靜質量的,這句話對於題主的問題是沒有意義的,因為我們需要知道光子的動質量,再乘以光速就知道了動量的變化量。

光子雖然沒有靜質量,但是運動的光子是具有能量的。其能量ε是和光的振動頻率ω成正比的,即滿足公式

這裡h=6.626*10^-34 J·s,叫做普朗克常數。

再根據E=mc^2,可以推導出光子的動量P=mc=hω/c。

這裡需要注意一下,如果光子被完全吸收(我們稱這種物體為黑體)動量變化量是hω/c,如果光子被反射,則動量變化量為2hω/c(即兩倍,因為給了一個反方向的動量)


電磁法

如果想要真正理解光壓就要用到電磁學的理論了,如下圖所示,光具有相位相同,互相垂直的電場和磁場。這樣我們就可以用安培力或者洛倫茲力來理解光壓,並不需要量子化。

安培力理解(左下):光照射到物體表面,光含有的電場驅動物質內的帶電粒子形成電流(對於介質是極化電流,對導體是自由電流),然後在光的磁場的作用下受到安培力,從而受到光壓。安培力的本質可以用洛倫茲力理解。

洛倫茲力理解(右下):光含有的電場,使得介質中的電荷運動,而它們運動就會在光的磁場中受到洛倫茲力。

對於兩種場來說都有助於我們理解光壓,如果用電磁學計算光壓需要用到麥克斯韋張量。

我們用安培力方法來計算一下理想電導體(PEC)反射鏡的光壓:PEC反射鏡在反射係數為1的正入射光時,表面電流密度滿足:

於是我們得到,此時PEC反射鏡受到的安培力形成的壓強為:

計算結果和動量法是一樣的,不過計算起來相對比較簡單,但沒有動量法好理解。


光壓的值小的可憐,如果陽光直射到地面,並且光被地面全部吸收,那麼地面所感受到的光壓也只有4.5×10^-6 Pa。

這個壓力對於我們來說幾乎是感受不到的,不過對於一些天體現象卻影響不小呢。就比如彗星。

正如上圖所示,彗星總會拖著一條長長的尾巴,但很少有人知道彗星的尾巴總是指著太陽的反方向。這種現象正是由於太陽光的光壓所致。彗星尾部主要是氣體分子和塵埃,在太空阻力極小的情況下,受到光壓之後便會形成一條長長的尾巴。


媽咪叔專注趣味物理科普。

科學的基本觀念本質上大都很簡單,通常都可以用人人皆知的語言來表達。——愛因斯坦


媽咪說MommyTalk


答:這個撞擊力是存在的,被稱之為“光壓”,只不過光壓太小,人體無法直接感知而已;比如太陽光垂直照射到鏡面上,產生的光壓才0.000009N/m^2。


光子以光速運行,具有質量和動量,如果光子撞擊物體後反方向運行,根據動量守恆原理,一定會對被撞擊的物體產生壓力,這個壓力我們稱之為光壓。



可見光的平均波長約500nm,我們就以波長500nm的光子來計算:

(1)單個光子的相對論質量約4.4*10^-36 kg;

(2)單個光子的動量P:

P=mc=1.3*10^-27 kg·m/s;

(3)單個光子的能量E:

E=mc^2=hv≈4*10^-19J;

(4)地球位置的太陽輻射強度S=1361 W/m^2;

我們假設太陽光子垂直撞擊物體,然後光子全部被反射回去,根據動量守恆原理,可以計算出太陽光對被撞擊物體產生的光壓P:

P=2S*P/E≈9*10^-6N/m^2;

也就是說,太陽光垂直照射到鏡面上,對每平方米鏡面產生的壓力才0.000009N,這麼小的力量,人體當然無法感知。


但是對於大面積和長時間積累,光壓的影響將是非常可觀的,科學家以此設計出太陽帆飛行器,作為未來宇宙飛船的一種推進方式。




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艾伯史密斯


可以說有撞擊力,只是太過微小,感覺不到的。另外,可以說宇宙間的一切運動的東西衝撞物體,其實都能產生壓力的。

題目裡光速應該改為光子,嚴謹較好。

光子之所以叫光子,就是因為它具有粒子的性質,它撞向物體產生的力,科學家形象地稱為光壓

霍金生前就曾聯合俄羅斯富豪尤里·米爾納啟動一項叫做“突破攝星”的科研計劃,企圖通過激光照射加速帶有光帆的微型星際飛行器,用20年就到達距離我們太陽最近的恆星——比鄰星。


這裡為什麼激光能加速飛行器?

牛頓第二定律告訴我們,物體有加速度,必定受到力的作用,所以這裡其實就是激光對飛行器產生了壓力,只不過激光因為光子流密度遠遠大於普通的太陽光,使得它能產生更大的光壓而已。

所以,光子撞擊物體確實是有撞擊力的。

太陽光也可以加速帶有光帆的飛行器,只不過力比較小而已。



但對於“空曠”的宇宙空間而言,只要有加速度,通過持續的光壓,飛行器也能達到一個可觀的速度。

為什麼光能產生光壓呢?

更嚴謹一點,應該是持續的光才能產生光壓。

答案就是動量(守恆)定理




動量(守恆)定律是我們很多高中生就學過的,這個定律的厲害之處是我們很多人都感受過的——高中物理一道大題用牛頓力學的知識,可能需要十幾個的公式,但用動量定律可能只需要一個公式解決。

對於物理學家,動量定律的偉大之處在於——這個定律不僅適合於宏觀世界,還統御微觀世界。

總之好處多多。


光子作為微觀世界的基本粒子,也遵循動量定律。值得注意的是,公式中的m不但包含物體的靜止質量,還包括動質量。

光子儘管沒有靜止質量,但它有動質量,所以它也有動量。


回看這個公式,左邊的一項有力F,整個公式理解起來就是運動的兩個物體互相作用產生的效果等同於一個力在一定時間內作用是相同的。

對於光子,右邊的第一個v1可以認為就是光速c,第二個v2就是飛行器或者其他物體的速度,靜止的話v2=0。

這就是光子(流)對撞擊的東西有力的物理學原理。

有問題請留言評論,謝謝。


擋不住的熵增


要解答這個問題,首先要明白“光壓”是什麼。很簡單,按照字面意思理解就可以了,光壓就是指光線照射到物體表面所產生的壓力!

這個壓力非常非常小,太陽光直射照到物體上每平方米只有5×10^6(10的-6次方)牛頓,如此小的力量照射在我們身上,根本就感覺不到!

所以說,光線撞擊到物體表面並不是沒有撞擊力,只是這個撞擊力太小了而已,小的幾乎可以忽略不計。比如說,我們所在的空氣只要有一點流動(事實上空氣不可能一點流動都沒有),對我們身體產生的壓力也會比光壓大很多!

不過光壓雖然很小,絕不是沒有利用價值,事實上利用價值非常大,甚至能幫助科學家開啟星際旅行!

目前科學家正在研究的太陽帆就是利用光的光壓特性,用非常特殊材料,製造出巨大的太陽帆,直接利用太陽光照射的能量,或者在地球上很多安裝強大的激光設備對準太陽帆,就能瞬間給太陽帆產生巨大的推動力,理論上最大速度可達到光速的20%,足以讓人類進行星際旅行!

當然,目前太陽帆的研究還有很多難題需要克服,但起碼讓我們看到了未來太陽帆的巨大利用空間!


宇宙探索


光速這麼快,撞向人類或者其他物體時有產生撞擊力嗎?為什麼?

光子的靜止質量為零,但並不表示它沒有動能,因為它攜帶了來自於光源的能量,因此它是具有相對論質量的,當它撞擊到物體表面時,就會對物體產生一個推力!但波長為500納米的光子的相對論質量只有4.4*10^-36 kg,即使數十億甚至上百億光子打在你身上,也感覺不到它的推力.....因為實在是太小了!

上圖就是測試太陽光壓的推動作用的伊卡洛斯號!儘管光子的推力十分微小,在地球軌道附近每平方米產生的推力大約只有9*10^-6N/m^2,但它的優勢是無需擔心燃料的問題,因為推力來自於太陽,而在土星軌道內航行時光壓的推力在足夠大的情況下仍然是可觀的!比如上圖中的面積達1000平方米測試的伊卡洛斯太陽帆,其推力大約為0.009N,請不要小看這個0.009N哦(大部分衛星的離子發動機推力也就跟這個差不多或者稍稍大一些),因為太陽光幾乎就是無限的,因此只要時間足夠長,它將為你加速到人類火箭從未達到過的速度!比如我們人類的前往太陽系邊緣的探測器,歷時達十幾年,假如用1平方公里的太陽帆,那麼三年內將加速到超過44KM/S,是離開太陽系最快的新視野號的2倍以上,在5年內即可到達冥王星.....是不是非常有誘惑力?

但巨大的太陽帆本身就是一個負擔,人來在通向宇宙的道路上並沒有一帆風順,儘管將宇宙飛船推向前進的方法非常多,但一直都是蝸牛爬,無論是離子電推還是還是激光推進由或者太陽帆等等......或許現在正是這個突破推進技術前夜的黑暗時代,無論如何我們都得堅持過去,也許再過幾十年我們可以將這些落伍的方式統統摒棄掉,但在現在還看不到曙光的年代,我們唯有堅持,只要能使我們前進一步我們必將去驗證與努力.....革命尚未成功-同志仍需努力.....!!


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