光動量：來自上帝的神秘力量

原標題：光動量：來自上帝的神秘力量

動量與光場

不知道您在生活中是否注意過，跳躍的籃球、旋轉的陀螺、走動的時鐘，這些運動著的物體最終都會停下來。如果推廣到整個宇宙的運動，這種運動總量會減少嗎？宇宙的運動會不會在某一天停下來呢？對於這個問題曾經深深困擾著16世紀歐洲的哲學家們，然而千百年來對宇宙的觀測並沒有發現運動減小的跡象。該怎麼解釋運動的這種現象呢？在笛卡爾和牛頓的時代，運動量成為這種運動的度量，即質量和速度的乘積，這就是動量。

然而對於沒有靜態質量的光來說，這種動量還存在嗎？答案是肯定的，光是有動量的。通俗地說，光是有壓力的，這一點可以從彗尾的形狀中看出來，在飛行過程中，彗尾總是背向太陽的，現在我們知道，吹開彗尾的太陽風主要是陽光的壓力，這也是最近升空的帕克太陽探測器的觀測任務之一。光壓和動量之間有什麼關係嗎？是的，麥克斯韋告訴我們，輻射壓力(太陽光)是光的電磁場動量的必然結果。遺憾的是，光有動量長期以來僅僅維持在猜測的層面上。

光動量的測量

動量依靠質量和速度進行度量，而光沒有靜態質量，那麼光動量該怎麼度量呢？能不能通過探測光壓來探測光動量呢？如果可以，那麼該怎麼探測光壓呢？從19世紀開始，實驗物理學家就試圖在實驗中捕獲光的壓力。

威廉·克魯姆斯可能是第一個吃螃蟹的人，他試圖用輻射計來探測光的壓力，然而這只是他的一廂情願，他看到的所謂光壓現象只是空氣分子的作用，僅僅因為容器內部沒有抽空。

天網恢恢，疏而不漏，狡猾的光壓最終栽在了列別捷夫手裡。儘管我們可以查到列別捷夫的實驗裝置圖，但到底是怎麼測量的，這其中具體的物理原理是什麼，小編是搞不清了，但必須知道的是，列別捷夫的實驗終結了光的波動說，為光的量子說打下了基礎。

最近，一個國際研究團隊設計了一種新形裝置來測量光子之間的微弱的相互作用。這件裝置是一面裝有聲波感測器和隔熱屏的鏡子，可以減少干擾和背景噪音，在鏡子表面發射激光脈衝，並使用聲音感測器來檢測脈衝移動時產生的彈力波，通過這種彈力波的特徵追溯到光脈衝本身的能量。實驗表明，這種彈力波效應與漣漪現象非常類似，這種測量方法巧妙地避免了探測設備靈敏度不夠的問題。

光盡其壓力？

所謂人盡其才，物盡其力，光動量能不能被人所用呢？電力、磁力和向心力都可以被人所用，那麼光的壓力能不能拿來使用呢？我們可以試想一下，如果能夠利用太陽光的壓力來提供動力，那麼人類的飛行器就可以不依賴燃料就能遨遊太空。然而現實中的現象是，暴露在陽光中的任何飛行器都無法在光壓的作用下從地面起飛，這是因為航天器本身的重量太大，而光的壓力實在是太小太小太小了，和已知的其他作用力相比，簡直是小到不入流，一平方公裡面積上的太陽光的壓力只有9牛頓，9牛頓大約就是你提著9個雞蛋的力量大小。這點力量分配在一平方公里的面積上連黃浦江的豬肉湯都比不上。

俗話說，聚沙成塔，集腋成裘，既然光的壓力非常小，那麼我們可不可以換個思路呢？可不可以用接收光的面積來換取動力呢？太陽帆就是從這一思路中生髮出來的。所謂太陽帆，簡單地說，就是一個可以接收陽光的巨大的風帆，飛行器就成為了在空中漂浮的帆船。

然而令人掃興的是，這樣的太陽帆飛行器註定要成為飛行器歷史上的龐然大物。如果只考慮接收太陽光的面積，面積70000平方米的太陽帆才能獲得0.034噸的推力，這樣的推力可以使0.5噸的航天器在二百多天內飛抵火星。但是70000平方米有多大呢？直徑300米！300米！這絕對是超級龐然大物了！直徑2000米的太陽帆就能把5噸重的航天器送到太陽系之外。太陽提供了無窮盡的能源，理論上攜帶大型太陽帆的航天器可以以每小時24萬公里的速度前進，這個速度要比火箭推進的最快航天器快4~6倍。

偉大的追夢者

在太陽帆的發展中，弗里德曼絕對是一位執著的人，他的一生都在致力於將太陽帆應用到航天器上。早在1976年任職美國宇航局噴氣推進實驗室的時候，他就提出利用一個64萬平方米的巨型太陽帆航行器飛向哈雷彗星的思路，但美國宇航局認為太過冒險而沒有採納。最終弗里德曼跟志同道合的夥伴共同建造並發射人類的第一個太陽帆航行器。2001年7月20日，人類歷史上第一個太陽帆航行器「宇宙一號」從一艘俄羅斯的核潛艇上發射升空，但飛船由於沒能與第三級運載火箭分離而墜毀。在「宇宙一號」失敗後的3年之後，工程師改裝和完善後的「鳳凰號」在進行了附加試驗之後，從巴倫支海的俄羅斯核潛艇上發射升空，直接進行軌道實驗。

偉大的成就

在太陽帆航天器向星辰大海的征途上，人類取得了偉大的成就。

1.2004年8月，日本人研製的太陽帆航行器伊卡洛斯升空，在170公里高的亞軌道進行了短暫的實驗，打開了兩個長約10米的樹脂薄膜帆板，檢驗了太陽帆展開的可行性，最後由於蠟翼融化而墜入大海。

2.2005年6月22日凌晨，俄羅斯用「波浪」火箭發射了Cosmos-1飛船進行太陽帆的首次受控飛行實驗。不幸的是，飛船起飛83秒後就遭遇了滑鐵盧，發射20分鐘後與地面失去了聯繫。

3.2013年10月，美國宇航局計劃向太空發射世界上最大的太陽帆Sunjammer，在太陽帆展開測試中目標要求的四分之一的太陽帆完全打開。

4.2015年5月，用來在地球軌道測試太陽帆技術的小型航天器成功發射，航天器到達軌道後即展開太陽帆並測試太陽推動的效果。

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