民眾大舞台——風俗世情

3. 光的壓強壓強

　　是壓力的效果， 一個物體放在桌子上， 它的壓力就對桌麵產生作用。這種作用的效果通常用壓強來衡量， 即單位麵積上的壓力有多大。

　　光是否也有壓強呢？ 也許有人會對這個問題感到奇怪。

　　當別人打開電筒， 光柱照在你的身上時， 你並沒有感到稍許壓力， 但這還不能說明光沒有壓強。

　　太陽係內有不少彗星， 它最大的特征是長長的彗尾， 因此， 中國人把它叫做“掃帚星”。中國人對彗星記錄得很早，在《晉書》中還論述了彗尾的指向： “夕見則東指， 晨見則西指。”這就是說， 彗尾指向總是與太陽位置正相反。

　　德國天文學家開普勒也注意到彗尾的指向問題， 但原因尚不清楚。太陽光可以產生壓強。在這個問題上， 光的波動說和光的微粒說取得了共識。從微粒說來看， 光有壓強是很自然的事， 因為運動的微粒把一部分動量作用於物體表麵， 它就要產生壓強。從波動說出發， 由於光波是橫波， 解釋光壓的努力受挫。後來， 人們根據麥克斯韋的電磁場理論才說明了光壓形成的機製。

　　英國的物理學家麥克斯韋曾做過計算。當光波是一束平行光， 被照射的物體是“黑體”( 百分之百地吸收了光的物體)， 當晴天的中午時， 陽光直射下來作用在“黑體”的， 每一平方米的光壓僅為4 ×10 -牛頓。這是多麽小的光壓啊！

　　由於光壓太小， 進行光壓測量的實驗一直未能成功。實驗要在真空環境內進行， 而當時抽真空的技術水平還比較低， 殘留在容器內的空氣並不算少。當光線照射在這些空氣上時， 空氣被加熱， 使空氣發生對流。由於空氣對流所產生的壓力比光線產生的壓力要大得多， 這樣就把光壓產生的效應掩蓋起來了。19 世紀末， 高真空技術和電光源製造方法都有了很大的發展， 實驗又重新開始了。

　　1895 年， 俄國物理學家列別捷夫將一個容器抽成真空。容器中一根細絲懸掛幾對薄且輕的翅膀， 其中一邊的翅膀塗成黑色， 另一邊則是光亮的。塗黑翅膀能將全部入射光反射掉， 反射時入射光給亮翅膀一個反衝力。這樣， 亮翅膀的反衝力約為黑翅膀的兩倍。這兩個力的差別使懸掛的裝置發生旋轉。

　　列別捷夫還設計了測量裝置， 以便測量入射光束的能量。測量的結果與麥克斯韋的理論值大體符合， 但是測量誤差約為20 % 。後來， 德國物理學家蓋拉赫改進了實驗技術， 測量的誤差隻有2% 。

　　美國的尼科爾和霍耳也進行了類似的實驗。現在我們再回到“彗尾”的話題上去。

　　我們以彗尾運動方向為正或為前， 反之則為負或為後。太陽光的壓強作用在彗星上， 使彗星接近太陽時， 彗星總是被甩在後麵； 而使彗星離開太陽時， 彗尾總是被拋向前麵。

　　這樣的解釋被人們接受達半個世紀， 實際太陽光的壓強並沒有這麽大， 作用在彗尾上的壓強是太陽輻射的質子雲作用的結果。這種質子雲是美國物理學家字帕克於1958 年發現的， 他稱之為“太陽風”。太陽風是很厲害的， 它對地球的作用很大， 像極光現象就與此有關。

　　由於激光器輸出功率大為提高， 用它產生的光壓十分驚人。如果激光器的輸出功率為1010 瓦( 100 億瓦)， 輸出光束半徑為1 厘米， 再用焦距為2 厘米的透鏡聚焦， 可獲得一個直徑為幾十微米的聚焦光斑。這樣， 物體將受到10 億個大氣壓的壓強。

　　光壓測量有什麽意義呢？

　　我們知道， 為了一勞永逸地解決能源問題， 科學家正在研究受控熱核反應， 開發出原子核內的能量供人類享用。但是， 這個反應要求核燃料壓縮， 使它的密度提高上千倍， 達到這個要求的大氣壓值是1 ， 000 億個大氣壓。科學家設想用激光束來增壓， 這就是利用激光產生的巨大壓強。

　　科學家研究基本粒子需要加速器， 而加速中性粒子的直線加速器要有3 公裏長， 回旋加速器的周長要有6 公裏之長， 加上各種輔助設備， 其規模就像一座小城市， 它的造價高達幾億美元。

　　激光的光壓也可加速粒子， 電子直線加速器可縮小到1%， 特別是加速中性粒子， 激光光壓的效應更加突出。光壓應用非常廣泛， 生物學研究中， 激光光壓可將細菌或病毒分離開。