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光压----记一个美丽的误解

已有 11794 次阅读 2015-4-8 05:11 |系统分类:科普集锦

2009年的时候,临近博士毕业了,但是我还没找到博士后位置。老刘便说,要不你先到段路明那里呆一年,看看是否有转机吧。这样我便于2010年5月到了密西根大学。在美国的那十个月,我见过很多不可思议的事情。其中一件便发生在我到密西根的第一天。

当天到了住的地方,扔下行李,我就往学校去了。到物理楼下后,我立马发现了一件奇特的东西。在玻璃橱窗里,一个小灯泡照射着一个玻璃器皿,里面有个风扇正呼呼旋转!这是展示光压的实验!我这么想。光压是非常微弱的(分母上有光速),可是这个风车转得这么欢快轻松,这背后的工程技术得多高啊。这里的摩擦系数应该是惊人地小。当时晴空万里,阳光灿烂,我步行在校园里,感觉美国是如此新奇,美国是如此神奇!

可是,离开美国若干年后,我才发现,这应该只是一个美丽的误会。

这个仪器展示的不是光压,而是一种利用光能的热机。这个仪器有个专门的名字叫Crookes radiometer(辐射计)。其发明人便是Crookes爵士,发明时间是1875。Crookes对真空管的发展贡献很大,这便为他发明以他命名的辐射计,也就是我看到的那个玩意,提供了基础。这玩意是这样的,里面的风车的每一片叶子的正反面是不同的,一面为银白色,一面是黑色,也就是一面高反射,一面高吸收。然后容器里的真空度不是太高,太高了或者太低了风车就转不起来了。所以,从真空度不能太高这点就可以看出,风车转动的原因不是因为光压,里面的气体分子肯定扮演了重要角色。不过,Crookes当年不是这么想的,他认为他发现了光压。在今天看来,这个想法明显错误。在Crookes辐射计里,风车转动的方向是,黑色的一面远离光源。可是,按照今天的物理学知识,光子被反射的话,传递给叶面的动量是光子被吸收传递的动量的两倍,也就是应该是银白色的一面远离光源。

那么Crookes辐射计的原理究竟是什么?这个问题貌似到今天都没有完全搞清楚。一个比较合理的说法是这样的,正反两面因为对光的吸收不同,所以肯定存在温度差。黑色的一面温度相对较高,所以打在上面的分子在离开的时候获得的动量相对较大,也就是传递给叶面的动量相对较大。

不管怎样,Crookes辐射计证明的不是光压的存在,证明的是光的存在。其制作其实很简单,对技术的要求其实不高,却能生动地展示光能可以转化为机械能。貌似其广泛地存在于各大学演示实验室。可惜的是,我虽然在武大演示实验室混过,却在那从来没见过。有兴趣的,也许可以在网上买到,比如德国这边amazon上,一个才30欧元左右。可以先看一个视频

历史上第一个被人接受的证实光压存在的实验是俄国人Lebedev在1901年做的。到今天,人们对光与物质的相互作用已经大大加深。光能够传递动量给物质已经是基本常识。最有名的利用光压的实验莫过于激光冷却了。现在很热门的所谓光机振子也是利用光压。




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