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[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（15）：光压与“电磁波的刚性”

已有 2124 次阅读 2024-6-16 22:49 |个人分类:基础数学-逻辑-物理|系统分类:科研笔记

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[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（15）：光压与“电磁波的刚性”

法拉第： Michael Faraday, 1791-09-22 ~ 1867-08-25, 75

安培： son Jean-Jacques-Antoine Ampère, 1775-01-20 ~ 1836-06-10, 61

毕奥： Jean-Baptiste Biot, 1774-04-21 ~ 1862-02-03, 87

萨伐尔： Félix Savart, 1791-06-30 ~ 1841-03-16, 50

拉普拉斯： Pierre-Simon, marquis de Laplace, 1749-03-23 ~ 1827-03-05, 77

Pierre-Simon, comte de Laplace

麦克斯韦： James Clerk Maxwell, 1831-06-13 ~ 1879-11-05, 48

赫兹： Heinrich Rudolf Hertz, 1857-02-22 ~ 1894-01-01, 36

开普勒： Johannes Kepler, 1571-12-27 ~ 1630-11-15, 58

第谷： Tycho Brahe, 1546-12-14 ~ 1601-10-24, 54

傻，是世界上最命苦的人。

现在，“被”处在类似法拉第在1831年、安培在1825年、毕奥和萨伐尔在1820年前后的处境。所关心的内容，实在没有什么可以直接参考的前人结果，无论是理论的还是实验的。俺们这些都是真正的原初“0到1”创新！

麦克斯韦老师真幸运！在家里推推公式，就完成了集大成“0到1”创新：麦克斯韦方程组。

“电磁学的实验再检验”，不在“真空”中可以做的似乎不多。而真空是个很高的实验条件。

一个可以在空气中进行初步判定的，应该是“电磁波的刚性”：

电磁波自身是否可以传递机械作用？

根据曹则贤老师的考证：

“爱因斯坦认定 B₁₂=B₂₁。如此认定是基于对 principle of reciprocality 的信仰。得出这一结果靠的不是推导而是哲学。Principle of reciprocality，互反性原理，笔者曾称之为对称性之上的对称性（物理学咬文嚼字078）。基于受激辐射的概念，后来人们成功获得了激光。”

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid=2651595748&idx=1&sn=c038dffe23bcec23d8c0fa3ec0877d1e&chksm=bd1e27f78a69aee106e4cca5344cb032c2cd7b2de6fcb82d04f3e6ea43b3b17edef5691c20b2&scene=27

因此，俺上面的想法，是不是跟偶像爱因斯坦学来的？

一、光线会对物质产生机械作用

具体可以参见下面列出的参考资料。

1.1 光压已经被证明存在

光波照射到物体上对物体表面产生的辐射压强。由于电磁场具有动量，其入射到物体上时会对物体施加一定的压强，这种压强称为辐射压强。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=133534&Type=bkzyb&SubID=95643

1.2 光镊给阿什金带来2018年诺贝尔物理学奖

Arthur Ashkin, The Nobel Prize in Physics 2018.jpg

图1 阿什金 Arthur Ashkin, 1922-09-02 ~ 2020-09-21, 98

Arthur Ashkin, The Nobel Prize in Physics 2018

Prize motivation: “for the optical tweezers and their application to biological systems”

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/ashkin/facts/

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/summary/

1970年，美国科学家A.阿斯金等首先提出能利用光压（optical pressure）操纵微小粒子的概念。一直到1986年，阿什金才发现只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成稳定的能量阱将微粒稳定俘获，这标志着光镊的诞生。正因为如此，光镊的正式名称为单光束梯度力阱（single-beam optical gradient force trap）。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=190356&Type=bkzyb&SubID=123941

2018年光镊的开拓者美国科学家A.阿什金因“光镊及其在生物系统的应用”获得该年度诺贝尔物理学奖。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=157261&Type=bkzyb&SubID=95668

1.3 电磁场可以传递力

电磁场具有物质性并具有能量和动量，电荷之间的作用是通过电磁场传递的。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141146&Type=bkzyb&SubID=61956

1.4 对于光子的更进一步的认识尚在进行中

电磁场的量子，是自旋为h、静止质量为零的中性玻色子，还是传递电磁相互作用的媒介粒子，在真空中以光速运动。又称光量子。

单光子的波粒二象性实验示意图如图1

因此是光子自己和自己干涉。

光子是研究光量子计算机的基本元素，在量子通信中，包括量子密码学等领域有重要的地位。

对于光子的更进一步的认识尚在进行中。

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215506&Type=bkzyb&SubID=146659

二、“电磁波的刚性”的直观含义

2.1 “电磁波的刚性”的直观含义

光对物质会产生机械作用。例如，光压。

这个机械作用，存在“反作用”吗？假如存在，这个“反作用”会沿着光线向光源反向传递吗？

图2 光压的示意图

Physicists make first observation of the pushing pressure of light

https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/2015/pressureofli.jpg

https://phys.org/news/2015-06-physicists-pressure.html

图4 消防员喷水顶墙.jpg

图3 消防员喷水顶墙

https://holooly.com/wp-content/uploads/2020/10/rrrr.png

“电磁波的刚性”，目前处在原初“0到1”创新阶段。实在没什么理论或公式。在完成实体判定实验、定量实验等“系统的实验”之后，才能加工提炼得到相应的理论。

换言之，目前，第谷（Tycho Brahe, 1546-12-14 ~ 1601-10-24, 54）即将开始搜集实验数据。开普勒、牛顿，目前只能等待，再等待，……

实践 → 认识 → 再实践 → 再认识 → ……

类似地，

实验 → 理论 → 再实验 → 再理论 → ……

拉来“光压”、“麦克斯韦胁强张量”里的公式来充数吧！

不妨假定：“电磁波的刚性”，不超过“光压”的对应量。

这算是个“不等式”吧？

2.2 “电磁波的刚性”的可能意义

对“电磁场”、“光子”基本性质的再认识。

关联“光子劈半”、“光量子能量 E=hν 的频率下限”等。

哲学家李侠老师2022说：

“要避免由于懒政的短视把应用研究成果的评价模式简单移植到基础研究领域的做法。毕竟从功利主义评价模式向理想主义评价模式的转变是一种彻底的认知转变，也是灵魂拷问。而这些我们已经遗忘得太久了。”

三、俺这回要支持费曼老师了

在“电容器充电”、“互容”方面，已经2次和费曼老师“周而不比，和而不同”了。

在“电磁波的刚性”上，一定要和费曼老师“美美与共，天下大同”！

大明星费曼老师在《费曼物理学讲义》的“27 Field Energy and Field Momentum”里写到：

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

“As yet, however, no one has done such a delicate experiment that the precise location of the gravitational influence of electromagnetic fields could be determined. That electromagnetic fields alone can be the source of gravitational force is an idea it is hard to do without. It has, in fact, been observed that light is deflected as it passes near the sun—we could say that the sun pulls the light down toward it. Do you not want to allow that the light pulls equally on the sun? 【机器翻译】然而，到目前为止，还没有人做过如此精细的实验来确定电磁场引力影响的精确位置。只有电磁场才能成为引力的来源，这是一个很难没有的想法。事实上，人们已经观察到，当光线经过太阳附近时会发生偏转——我们可以说是太阳把光线拉向它。你不想让光线在太阳上产生同样的拉力吗？”

战国至秦汉年间儒家学者解释说明经书《仪礼》的文章选集《礼记·曲礼上》里说：

礼尚往来。往而不来，非礼也；来而不往，亦非礼也。

【白话译文】礼提倡往来：此人前往施惠而彼受惠者不来报答，不符合礼的要求；彼人来施惠而此人不前往报答，也不符合礼的要求。

https://so.gushiwen.cn/mingju/juv_81834c2f960e.aspx

牛顿运动第三定律（作用与反作用定律），到底是谁提出来的？是不是孔子老师？

参考资料：

[1] 2022-01-20，光压/light pressure/胡望雨，方哲宇，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=133534&Type=bkzyb&SubID=95643

[2] 2022-12-23，电磁动量/electromagnetic momentum/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141040&Type=bkzyb

[3] 2023-04-01，麦克斯韦胁强张量/Maxwell's stress tensor/李从周，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141146&Type=bkzyb&SubID=61956

[4] 2023-02-17，光机械作用/photomechanical action/李步洪，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=506315&Type=bkzyb&SubID=222523

[5] 2023-03-15，激光加速/laser acceleration/李玉同，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=157317&Type=bkzyb&SubID=95667

[6] 2023-06-02，光镊/optical tweezers/张文科，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=190356&Type=bkzyb&SubID=123941

[7] 2022-01-20，光镊/optical tweezers/李志远，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=157261&Type=bkzyb&SubID=95668

[8] 2023-01-13，电磁能/electromagnetic energy/陈熙谋，陈晓林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141007&Type=bkzyb

[9] 2022-12-23，坡印廷矢量/Poynting vector/陈熙谋，陈晓林，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=141060&Type=bkzyb

[10] 2023-04-29，光学/optics/杨国桢，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=133753&Type=bkzyb&SubID=95641

[11] 2022-01-20，法拉第电磁感应定律/Faraday's law of electromagnetic induction/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31207&Type=bkzyb&SubID=61936

M.法拉第于1831年首次观察到电流变化时产生的感应现象。

他又做了一系列实验，用来探明产生感应电流的条件和决定感应电动势的因素。他对电磁感应的规律有过一些具体的叙述，但没有最终用数学公式将它表达出来。电磁感应定律的数学公式是1845年F.E.诺埃曼在法拉第和H.F.E.楞次研究的基础上通过理论分析给出的。但法拉第对电磁感应现象的丰富研究，无疑有资格赢得发现的全部荣誉。

[12] 2022-01-20，安培定律/Ampère's law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31201&Type=bkzyb&SubID=61931

1820年丹麦物理学家H.C.奥斯特发现电流的磁效应，揭开了把电与磁联系起来研究的序幕。此后A.-M.安培做了两平行载流长直导线之间相互作用及载流螺线管与磁棒等效性的实验，认识到磁的本原就是电流。并认为电流之间的作用力是支配电磁现象的基本力。他进一步做了4个极为精巧的实验，得到电流相互作用力的一些结论：电流反向时产生的作用力也反向；电流元具有矢量的性质；作用在电流元上的力与电流元垂直；电流相互作用中几何线度（电流元的长度、相互距离等）增大相同倍数时作用力大小不变。

[13] 2022-01-20，毕奥-萨伐尔定律/Biot-Savart law/陈熙谋，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=31200&Type=bkzyb&SubID=61931

事实是1820年H.C.奥斯特发现电流的磁效应后不久，J.-B.毕奥和F.萨伐尔即着手研究电流产生磁效应的规律。他们做了几个恒定电流产生磁作用的实验：如一长直电流对磁极的作用力同电流成正比，同磁极到电流导线的距离成反比；再如一弯折成一定角度的电流导线对其顶点外的磁极作用力不仅与电流和距离有关，还与弯折的角度有关。他们在数学家P.-S.拉普拉斯的帮助下，倒推回去，导出上述定律。

[14] 2023-11-09，毕奥-萨伐尔定律/Biot-Savart law/于歆杰，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=398554&Type=bkzyb&SubID=134099

描述无限大真空中恒定电流产生磁场的定律。

它是法国物理学家J.B.毕奥（Jean-Baptiste Biot，1774～1862）和F.萨伐尔（Félix Savart，1791～1841）于1820年根据对载流回路周围的磁场进行实验研究得到的结果。后经P.-S.拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749～1827）等人的工作，将定律表述为数学形式。

[15] 2023-08-01，光子/photon/裴寿镛、吴令安，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=215506&Type=bkzyb&SubID=146659

[16] 中国物理学会期刊网，2019-04-04，爱因斯坦的物理学成就与年谱 | 曹则贤

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid=2651595748&idx=1&sn=c038dffe23bcec23d8c0fa3ec0877d1e&chksm=bd1e27f78a69aee106e4cca5344cb032c2cd7b2de6fcb82d04f3e6ea43b3b17edef5691c20b2&scene=27

[17] The Feynman Lectures on Physics Vol. II Ch. 27: Field Energy and Field Momentum

27–4The ambiguity of the field energy

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_27.html

[18] 2022-12-23，牛顿运动定律/Newton's laws of motion/贾书慧，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=228145&Type=bkzyb&SubID=61874

第一定律（惯性定律）：任何物体都保持静止或做等速直线运动，除非施加外力迫使其改变这种状态。

第二定律（运动定律）：物体运动量的变化永远与所施加的力成正比，并沿该力作用线的方向发生。

第三定律（作用与反作用定律）：对于每一个作用，总有一个大小相等方向相反的反作用；或者说，两个物体之间的相互作用总是大小相等方向相反。

[19] 李侠. 激励机制与评价决定基础研究的未来[N]. 光明日报, 2022年02月24日16版:新科技

https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2022-02/24/nw.D110000gmrb_20220224_2-16.htm

https://epaper.gmw.cn/gmrb/images/2022-02/24/16/2022022416_big.jpg

https://blog.sciencenet.cn/blog-829-1326756.html

同时，笔者认为，在推进基础研究的过程中，要避免出现三种情况：首先，警惕科技界的机会主义盛行。政策倾斜带来资源投入的增加，易导致以哄抢资源为目的的投机分子大量无序涌入，从而破坏基础研究的研究范式和脆弱的生态系统；其次，在基础研究中设立研究“特区”。尤其是在0~0.5阶段的基础研究，利用政策工具稳定核心人才队伍、稳定基本投入，超长周期评估，这部分的投入要完全基于无功利性目的来运作，甚至抱着颗粒无收的决心，这是国家为获得新知识、新思想必须付出的成本；再次，要避免由于懒政的短视把应用研究成果的评价模式简单移植到基础研究领域的做法。毕竟从功利主义评价模式向理想主义评价模式的转变是一种彻底的认知转变，也是灵魂拷问。而这些我们已经遗忘得太久了。

相关链接：

[1] 2023-07-23，[讨论] 电磁学的实验再检验（7）：电磁波的刚性（关联“光压”）

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1396376.html

[2] 2023-07-29，[重复就是力量] 判定实验：电磁波的刚性

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1397135.html

[3] 2024-05-22，[请教，讨论] 电磁学的实验再检验（14）：判定实验原理（2）：电场强度 E 是矢量吗？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1435208.html

[4] 2024-01-26，[打听] “单光子”遇上“半反半透镜”：观察到什么现象？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1419489.html

[5] 2024-05-12，[讨论，建议] “科普”那些“真正达到国际领先”我国科技新成果或研究

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1433794.html

[6] 2023-07-27，[阶段小总结，要点，小结] “电磁学的实验再检验”相关博文要点