光子动量,光子没有质量?为什么能推动物体?

静止没有质量,但它拥有能量和动量,有动量就能光子动量。当然,也有人会说,光子没有静止质量,但它拥有相对论质量。这可以通过两个公式来体会。

光子动量,光子没有质量?为什么能推动物体?

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光子动量,光子没有质量?为什么能推动物体?

首先光子的能量公式是:

光子动量,光子没有质量?为什么能推动物体?

E = hf (h是普朗克常数,f是光的频率)

光子动量,光子没有质量?为什么能推动物体?

然后再按照爱因斯坦著名的质能方程是:

E = mc^2

结合这两个公式就可以推导出,可以推导出光子的运动质量,也就是所谓的相对论质量。

但其实,按照麦克斯韦的电磁理论,电磁波本来就带有动量——光子也是一种电磁波——只要有动量,动量就可以发生转移,因此光子就能够产生出辐射压(电磁辐射)。

图示:P是光子动量,h是普朗克常数,λ是波长。波长越短的光子,动量越大。

如何测量光压或辐射压?早在1619年,天文学家开普勒,就用想象中的辐射压力来解释彗星的尾巴为何总是远离太阳,从来没有出现过,彗尾对着太阳的彗星。

图示:彗星围绕太阳的运行时,彗尾总是远离太阳,这需要一个特别的解释。

当彗星被太阳加热后,产生的挥发性气体构成了彗尾。但彗尾总是远离太阳,需要一个解释,开普勒认为,这是由于光具有某种压力,推动着彗尾远离太阳,而且这种压力一定大于太阳对彗尾中那些挥发性物质的吸引力,所以彗尾才总是远离太阳。顺便说一句,当所有挥发性物质都被蒸发后,彗星就变成了小行星。

图示:1865年,儒勒·法尔纳的科幻小说《从地球到月球》中,率先推出想象中的太阳帆技术,看来法尔纳赞同开普勒的猜想,而且率先想到了它的潜在用处。

当麦克斯韦写出他的电磁方程式后,电磁方程说光拥有动量,这也就意味着,光照射到物体上时,只要不是完全透明的物体,当光子从该物体表面被反射时,那就会产生辐射压力。但仅仅理论推导是不够的,还得用实验来证明辐射压或光压是真实存在的。

1900年,俄国物理学家找到了测量光压的办法,在1900年的巴黎世界物理学大会上,彼得·列别捷夫宣布了他的辐射压测量实验成果。这项实验也成为第一个定量验证麦克斯韦电磁学理论的实验,事实证明麦克斯韦的电磁理论靠谱,从此它就成为指导人们利用电磁波给人类谋福利的核心理论。

太阳帆研究现状

图示:NASA的太阳帆设想图

太阳能发电不稀奇,不管是在地球上还是太空里,许多卫星、月球或火星上的漫游车,都在使用太阳能发电。但直接用太阳光的辐射压力来进行星际航行,目前依然处在研究阶段。太阳帆最大的问题在于,随着离太阳越来越远,能够接受到的光压也越来越少,它不适合星际航行,只适合在太阳系中搞事,而且是在内太阳系中搞事。但要想利用太阳光的辐射压,需要我们开发出足够轻同时面积足够大的太阳帆,否则就毫无用处了。

不知什么时候,人类举办首届太阳帆大赛,想想就很燃啊。

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