光具有動量的想法并不新鮮,但光與物質(zhì)如何相互作用的確切性質(zhì),在近150年來一直是個未解之謎。一個國際科研團隊在日前出版的《自然·通訊》雜志上首次公布了測量光動量的新技術(shù),這項突破不僅有助于揭示這一謎團,也可能為太空旅行帶來革命性突破。
德國著名天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒于1619年首次提出,來自太陽光的壓力可能決定了彗星的尾巴總是指向遠離太陽的方向。1873年,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋爾預(yù)測,輻射壓力是由光的電磁場中的動量產(chǎn)生的。動量是與物體的質(zhì)量和速度相關(guān)的物理量,指運動物體的作用效果。
最新研究合作者、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)奧卡納甘校區(qū)工程學(xué)教授肯尼思·周(音譯)說:“我們之前一直沒有確定這種動量是如何轉(zhuǎn)化為力或運動的。因為光攜帶的動量非常小,所以,我們沒有足夠靈敏的設(shè)備來解決這一問題?!?/p>
在新研究中,他和來自斯洛文尼亞和巴西的科學(xué)家設(shè)計了一種新裝置,來測量光子之間微弱的相互作用。
他們制作了一面配備聲學(xué)傳感器和隔熱層(能將干擾和背景噪音降至最低)的鏡子。然后,朝鏡子發(fā)射激光脈沖,并使用聲學(xué)傳感器來探測激光穿過鏡子表面時產(chǎn)生的彈性波,“就像觀察池塘里的漣漪”。
肯尼思·周說:“我們不能直接測量光子的動量,因此另辟蹊徑:通過‘聆聽’穿過鏡子的彈性波來探測它們對鏡子的影響。我們能借由這些波的特征追蹤到光脈沖本身的動量,這為最終界定和模擬光動量如何存在于物質(zhì)內(nèi)部打開了大門?!?/p>
研究人員說,新發(fā)現(xiàn)有助于他們進一步了解光的基本特性。此外,對輻射壓力的理解也可以應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。
肯尼思·周說:“想象一下乘坐由太陽帆驅(qū)動的星際游艇前往遙遠的星球;或在地球上研發(fā)可組裝微型機器的光學(xué)鑷子。目前,我們還沒有走到那一步,但新發(fā)現(xiàn)是重要的一步?!?/p>