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既然光這麼快而且又存在質量,為什麼光子產生的撞擊力我們察覺不到?

在給定三維空間內兩地發生的A事件和B事件,因A事件導致的結果影響到B事件的時間間隔,不小於兩地距離除以光速——這就是光速不能超過的含義。

其中的關鍵,是A事件對B事件的影響,這個因果關係的傳遞速度不能超過光速;換句話說,就是「有效信息的傳遞速度不能超過光速」,這是愛因斯坦狹義相對論的直接推論。

在1905年,愛因斯坦以「光速不變原理」和「相對論原理」建立起狹義相對論,並得出了著名的質能方程;相對論還表明靜止質量不為零的物體,運動速度只能無限接近光速,不能達到和超越光速。

這點已被大型強子對撞機證明,無論科學家製造多麼強大的對撞機,被加速粒子的速度不斷接近光速,但始終無法達到光速。

這點很好理解,因為靜止質量不能為零的物體,物體本身就是有效信息的傳遞載體,根據相對論的推論,有效信息的傳遞速度不能超過光速。

另外,「有效信息」這一概念也很關鍵,量子糾纏速度和宇宙膨脹速度可以超過光速,但這兩個超光速並不能傳遞有效信息,所以並不違背狹義相對論。

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。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。

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。

PS:未經同意不得轉載(圖片來源網路)


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