物理学（源自古希腊语：φυσική（ἐπιστήμη），罗马化：physikḗ （epistḗmē），直译：大自然的知识，源自φύσις，转写：physis，直译：大自然）是研究物质、能量的本质与性质的自然科学。由于物质与能量是所有科学研究的必须涉及的基本要素，所以物理学是自然科学中最基础的学科之一。物理学是一种实验科学，物理学者从观测与分析大自然的各种基于物质与能量的现象来找出其中的模式。这些模式称为“物理理论”，经得起实验检验的常用物理理论称为物理定律，直到有一天被证明是有错误为止(具可否证性)。物理学是由这些定律精致地建构而成。物理学是自然科学中最基础的学科之一。化学、生物学、考古学等等科学学术领域的理论都是建构于这些物理定律。

以上摘自维基百科（中文）对 ”物理学“ 词条的解释。 

涉及到光压或辐射压的有两类著名实验，即使用 Light-mill ，也称克鲁克斯辐射计（Crookes radiometer）的实验，和列别捷夫的光压实验 （参考 [1])。后者用于证明反射镜面受到的光压是黑色面受到的光压的两倍。两类实验存在明显的矛盾，是本博文后面讨论的内容之一。

作者在博文《再谈太阳帆--能量守恒问题 》 讨论了太阳帆的相关物理学问题。论证中引用了使用 Light-mill 做的几个实验佐证自己对流行解释提出的疑问。

博文发布后，作者继续做了更多实验，阅读了更多相关文献，在 “微信群” 与一些朋友进行了热烈的讨论，有的朋友也用 Light-mill 做了实验。通过这些活动，作者整理，思考，总结出以下结论与疑问：

1. 在普通 Light-mill 的真空条件下，所有的实验都显示：光照强度达到一定程度后，装置内的叶片克服了阻力开始左旋，光强越大转速越大。这说明叶片的黑色面受到的光压远大于强反光面。

2. 在普通 Light-mill 的真空条件下，如果 Light-mill 内部的温度大于玻璃腔表面的温度，叶片会倒转（右旋）。这说明，装置内叶片的反光面比黑色面受到了更大的压力。这类实验包括先烘热装置使热辐射推动叶片左旋后，撤掉热源，待叶片停止左旋，玻璃腔降温后，叶片即开始倒转。

3. 在普通 Light-mill 的真空条件下，如果使用冷光（包括冷光灯，白光手电（不是纯冷光），紫外线手电）照射，叶片照样左旋。但是停止照射叶片左旋终止后，不会出现叶片倒转现象。

这个试验事实很重要，说明在这种情况下，叶片并没有明显升温，以热效应解释叶片转动是不正确的。后面对此判断将做更多讨论。以上试验可在多种视频资料上看到。

4. 作者发现（没在资料中看到类似实验结果的报道）：当用 395 纳米紫外线手电照射普通真空条件下的 Light-mill, 如果集中照射叶片的反光面，叶片会逐渐右旋，像似被紫外光推着一样，但转速远不如集中照射黑色面引起的左旋快。下面是实验视频：

如果改用红色聚光灯照射也有类似现象。

作者用白色聚光手电连续照射叶片的反光面，连续照射了近30分钟，没发现叶片有任何转动。

5. 前面叙述的四个实验是普通人稍花些钱与精力就可直接做，直接观测的。使用 Light-mill 做的实验还有另一类，即将 Light-mill 内的稀薄空气进一步抽空后，发现光不再推动叶片转动的实验 。据报道这类实验最早在1901年就有，作者一时找不到该报道。普通人与作者一般没有条件做此类实验。为直观证实这类实验只能通过观看视频，目前最容易找到的就是以下 YouTube 视频：

https://www.youtube.com/watch?v=r7NEI_C9Yh0

由于该实验与前述的在普通 Light-mill 的真空条件下的实验结果太重突，作者存在重重疑问：

其一，实验是在真空泵大开，噪音很大的情况下进行的，并且真空泵的旋转叶片就在玻璃腔内，离Light-mill的叶片很近，这些必然会对 Light-mill 内部环境造成不小的扰动。对于光压极小的实验，这些扰动因素似乎应该考虑。

其二，该实验在进一步抽真空时只对弱光进行了测试，甚至实验者没有使用开始用过的亮度较大的白色灯泡。特别要指出，由于静摩擦力一般较动摩擦力大，即使使用普通真空的 Light-mill 做实验，用弱光照射也难启动叶片转动，甚至根本引不起旋转。作者认为还必须在排除干扰条件下，检验在各种强光照射时叶片是否转动进行观测，做录像记录向公众证实。

如果严格的实验证实了叶片确实不动，那就可以当作严肃的物理实验结果。这个结果带来的问题将在后面讨论。

6. 关于列别捷夫的光压实验，由于普通人难于亲自做，也罕有机会直接目睹，只能凭文献介绍。中文网上有如下介绍：

《一、测量光压的实验
http://physics.scnu.edu.cn/gzwl/contents1/1-1/02/040201.files/gy.gif
列别捷夫所用仪器的主要部分是一用细线悬挂起来的极轻的悬体R，其上固定有小翼a及b，如图1示,其中一个涂黑，另一个是光亮的。将悬体R置于如图2所示的真空容器G内。借助透镜及平面镜系统将由弧光灯B发出的光线射向小翼中的一个。由于作用在小翼上的光压力，使悬体R转动。转动的大小，可借助望远镜及固定在轴线上的小镜观察到。移动双镜能使光射在涂黑的小翼上。比较两种情况下悬体转动的大小，列别捷夫测得，涂黑表面所受的光压力比反射表面所受的光压力小一半，与理论完全符合。
借助薄片P1使光流的一部分射到温差电池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以对理论作出定量的验证。》

以上引用的文字中作者将其中的关键词 “真空容器”，“转动” 等用黑体表示以引起注意。该实验看起来既与我们看到的在普通 Light-mill 的真空条件下的试验事实相悖，也与那个 ”将 Light-mill 内的稀薄空气进一步抽空后，发现光不再推动叶片转动的实验“ 相悖。到底该相信哪个呢？

由于当受照的悬体受压引起了运动，这就必须考虑有关的能量守恒问题。作者在前一篇博文即指出其中光亮的悬体不会比涂黑的运动得快，这是前面四个试验显示的事实。

或许列别捷夫实验的结论是真的，那实验就必须让悬体不动，用极灵敏的秤测量悬体真实受到的光压。至今作者没见到这样的实验文献。

下面讨论对以上实验的理论解释问题：

7. 对在普通 Light-mill 的真空条件下的物理解释可在文献与网上查到多种，众说纷纭，莫衷一是。一位朋友介绍说以下文献是目前被普遍接受的解释（维基百科也这样的说法）：

https://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html

作者较认真地读了该文，感觉该文并没有像所说的那样提供了清楚的解释。这可能是因为作者的英语阅读能力差，于是使用谷歌翻译功能将其译成中文。可以理解，谷歌翻译仍存在许多不足，但也可从译文看到些基本原意。一些词的翻译选错了原意，例如原文标题中的 “Light-mill" 一词被译成 ”轻磨机“；也有一些句子的中文让人看不懂，这可能出于两种原因，一种是由于翻译软件不成熟，另一种就是原文的句子本来就难令人懂。为避免参入作者的主观理解，特将该译文一字不改地附在本博文后（《轻磨机如何工作》），感兴趣的读者自己判断该文是否已解释清楚。

作者认为，自己看到的有关文献的解释都不能令人满意。

8. 据网上的太阳光的光压数据, 即标准的太阳光压约为5乘10的负6次方帕 (Pa)，一些人估计要推动 Light-mill 的叶片转动至少的推力比太阳光压提供的推力大了二到三个数量级。这似乎说明阳光下 Light-mill 的叶片转动不是由于太阳光的压力（它太小了）。

对上述计算作者有以下思考：

实验清楚表明，普通 Light-mill 的真空条件下，明亮的阳光会使叶片飞转。这时，使叶片飞转的能量只能来自阳光。根据经典电磁波的理论（[2]), 描述电磁波的物理量主要是能量密度标量与坡印廷矢量 S，而单位时间射入叶片内的能量与射入（包括射出）叶片表面的坡印廷矢量密度之间密切相关（文献 [2] 89页 §4-9 公式 （4-34）或 （4-37） )。该关系说明物体受光辐射能量的增减完全由物体表面接受的冲量密度大小与方向决定，体现了能量守恒。坡印廷矢量作用到物体表面就会形成光压，大小为 (参考中文维基百科关于坡印廷矢量词条的解释）

既然当 Light-mill 的叶片受光辐射作用而做旋转运动，使叶片运动的能量只能来自于光辐射，在力学上使叶片运动的力仍然来自叶面所受到的压力，而那个计算出来的太阳光光压却不足以推动叶片转动。

这就带来困惑，难道叶片所受到的压强不是那个理论上通过坡印廷矢量给出的光压（与叶片接受的光能相匹配的光压），难道光能除了上述的光压，还能产生出对叶面造成的更大压力的压强吗？这显然与能量守恒定律矛盾。问题出在哪里？

8. 现在讨论将 Light-mill 内的稀薄空气进一步抽空后，发现光不再推动叶片转动实验带来的问题。假定各种严格实验都无误地证实真空下受光照的叶片不动（与列别捷夫实验矛盾！），而普通 Light-mill 内不充分的真空下叶片则立即有反应，而且是有序的宏观转动。那么无疑只能将原因归到腔内那点可怜的空气上。

这是普通热力学现象吗？普通Light-mill 内的稀薄空气的气压大约为 1-100 Pa压强，小于地面空气压的千分之一，也小于火星的气压的10分之一。难以想象热效应可以引起气流运动，形成促使 Light-mill 叶片高速旋转的显著推动力，而且至今作者没有看到可以用于计算检验的数学模型。

那么只能想象那些稀薄空气类似于化学反应的酶，由于它的作用，使射入叶片黑色表面吸收的太阳能立即转换成对叶面的推动能。这实在是个待研究的课题。

9. 如果不考虑将 Light-mill 内的稀薄空气进一步抽空后，发现光不再推动叶片转动实验带来的问题，也就是说认为此实验不真实。如何简单解释前面 1-4 个实验现象呢？

一个解释就是：由于叶片的黑色面近似理想的黑体，它吸收所有摄入的电磁波，不反射，不发出任何电磁波。反之，叶片的反光面不接收任何电磁波，将所有的电磁波反射走，还可将内部传来的电磁波发射出去。于是黑色面接收了光照的所有能量，并将能量转化为推动叶片左旋的动能。另一方面，当没有光照，但叶片温度高于周围物体的温度时，叶片的热能不能通过黑色面辐射走，只能通过反光面辐射走，其反作用力推动了叶片的慢速反转（右旋）。

在第4个实验中， 当紫外光，红光或热辐射只照射反光面，不照射黑色面的情况下，由于实际的反光面不完美，不能对入射的电磁波完全反射走，而是吸收了一部分，这部分在叶片内再次转换成辐射能，主要由反射面发射走。这就造成了叶面较缓慢地右旋。

根据奥卡姆剃刀原理（见作者博文 http://blog.sciencenet.cn/blog-553379-1282018.html），以上简单解释无疑最简单，最符合绝大多数实验现象。

当然，以上解释并没有给出被吸收的辐射能如何转换成推力或压力的细致机理，可能要到量子力学或量子光学层面研究。作者认为这是个大研究课题，需要更多年轻的研究者参与，不是本文能解决的。

作为本文的结束，提一个合理的问题：既然充分的阳光可以在普通的 Light-mill 装置内推动叶片快速转动，显现出光能可有效地转化成有序的机械能，为什么不充分利用这一点，花费充分想象力设计、制作出更好利用太阳能的实用装置呢？ 看以下趣味视频，特别是视频放映2分40秒后的情趣：

感觉克鲁克斯发明了 Crookes radiometer 真伟大！

参考文献

[1] P. Lebedew, 1901, "Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes", Annalen der Physik, 1901 Series 4 6, 433-458.

[2]  Л.Д.朗道 / Е.М.栗弗席兹, 《场论》，高等教育出版社 ，2012-9， ISBN: 9787040351736

轻磨机如何工作.docx