光子动量研究的历史光子动量如何转化为力？及实际应用的详细概述

光具有动量的想法并不新鲜，但是在过去的150年里，光与物质相互作用的确切本质一直是一个谜。在一项刚发表于《自然通讯》杂志上的论文中，研究人员或许揭示了光最黑暗的秘密之一。

研究光辐射压的历史

○ 开普勒1619年在De cometis一书中绘制的彗星在行星间穿行的轨迹。| 图片来源：Linda Hall Library

1619年，德国著名的天文学家和数学家开普勒第一次提出，来自太阳光的压力或许是彗星尾巴永远指向背离太阳方向的原因。他在《De cometis》一书中绘制了彗星在行星间穿行的轨迹（如上图）。围绕着太阳的三个圆弧形轨道依次是水星轨道（Sphaera Mercurii）、金星轨道（Sphaera Veneris）、地球轨道（Sphaera Tellurae），图中的一丛丛短线条代表彗星的尾巴，它们总是背离太阳的方向。

○  海尔-波普彗星（Comet Hale-Bopp，C/1995 O1）是于木星轨道外被发现的最为明亮壮观的彗星之一，它的回归周期是2533年。太阳辐射压使得彗星中的冰蒸发，形成长长的气体尘埃尾，指向背离太阳的方向。| 图片来源：E. Kolmhofer，H. Raab；Johannes Kepler Observatory，1997年4月4日

直到1873年，麦克斯韦才预言，光是一种电磁辐射，而这种辐射压正是来自于光自身的电磁场中存在的动量。

当电磁波发射到物体表面时，电磁波的动量与物体动量相互交换，从而产生作用于物体表面的压力，也就是辐射压。如果入射动量垂直于平面，那么动量改变恰好是入射动量的两倍，因而在物体中产生的也会是入射动量的两倍（如下图）。

这项研究的共同作者Kenneth Chau表示：“而在此之前，我们都还不能确定，这种动量是如何转化为力或运动的。因为光携带的动量非常小，我们还没有足够灵敏的设备来解决这个问题。”

实验：光子动量如何转化为力

现在，技术已经赶上来了，Chau和来自斯洛文尼亚、巴西的国际研究团队，正在试图揭示这个谜题。

为了测量光子和物质之间这种极弱的相互作用，研究人员必须将干扰和背景噪声控制在最低水平。他们建造了一个配备有声学传感器和隔热屏障的特殊镜面，用固体介电质作为镜子的材料，并在表面交替覆盖ZrO₂和SiO₂两种材料层层叠加而成的反射率高达99.93%的薄膜，目的在于减少吸收光辐射所产生的热量。

○  实验设置：镜子的材料为固体介电质（灰色），其表面覆盖的ZrO₂和SiO₂形成了反射率高达99.93%的薄膜（绿色）。当激光脉冲垂直照射在镜面上时，会在材料中产生弹性波（红色和蓝色弧线），以声速在材料中传播开来。| 图片来源：[1]

然后，当将激光脉冲垂直照射到镜面上时，材料中就会产生弹性波，这就如同池塘中的水的涟漪一样，它们会以声速在材料中传播开来，并形成皮米（10^-12m）量级的尖峰。弹性波会导致材料发生位移，因此在灵敏的声学传感器的帮助下，研究人员就可以通过探测镜面的位移来测量通过镜面的弹性波，从而记录光与物体相互作用的过程。

Chau说：“我们不能直接测量光子的动量，所以我们的方法是通过‘聆听’穿过镜面的弹性波来探测光子动量的影响。我们可以沿路探查这些波的特征，直到回溯到驻留在激光脉冲本身的动量，这为最终定义和模拟材料内部的光子动量打开了大门。”

○ 镜面中弹性波的传播过程：激光脉冲照射在镜面上，（g）首先产生初级波（Primary wave，P-wave），（h）然后是二级波（Secondary wave，S-wave），（j）之后产生瑞利波（Rayleigh wave，R-wave），初级波抵达镜面的底部并被反射回去，在（k-l）中进一步形成更为复杂的波形。| 图片来源：[1]

光辐射压导致的弹性波在材料中传播，引起垂直于材料表面（z方向）的位移。实验中传感器探测到的垂直位移与排除热弹性波等影响、以辐射压为弹性波唯一能量来源的模拟结果相一致，这表明，辐射压是导致表面垂直位移的绝对主导因素，而不是吸收的热量或者其他作用力。

这一发现对于推进我们对光的基本理解很重要，而Chau也指出了辐射压的实际应用。

实际应用

“想象一下乘着由太阳帆驱动的星际游艇去遥远的恒星旅行。又或者就在地球上，研发出可以组装显微机器的光学镊子。”

○ （左）日本的IKAROS是世界上第一个主要由太阳帆驱动的探测器，它是依靠太阳辐射加速的星际风筝。其英文名缩写为IKAROS，也就是伊卡洛斯，是希腊神话中的人物，他用蜡和鸟羽制作的翅膀飞向太阳，越飞越高，最终因为过于接近太阳而使蜡翼融化，坠落大海。（右）从伊卡洛斯上看到的新月形的金星。| 图片来源：Andrzej Mirecki & JAXA

“我们还没有走那么远，但是这项工作的发现是重要的一步，我很期待下一步它会将我们带向何方。”