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试回答一个 “愚蠢” 问题:为何在阳光照射下太阳帆会按照射方向前进?

已有 1900 次阅读 2021-4-16 04:49 |个人分类:经典光学与量子光学|系统分类:科研笔记

学过物理学(无论大学普通物理,还是中学物理)的读者都知道,阳光照射下太阳帆一定会沿照射方向前进,甚至还知道这是光压造成的结果。因此提出这个问题,“为何在阳光照射下太阳帆会按照射方向前进”,显得 “愚蠢” 或 “傻”。

如果从物理学的理论上认真解释这个问题,读者会发现这个问题并不简单。要解释此问题必然会使用电磁场的坡印廷矢量

该矢量相当于普通物质的冲量密度。该量既然是矢量就会有方向,也就是说冲量作用的方向。对于有固定频率的电磁波而言,读者不难发现坡印廷矢量的方向是正反两个方向周期变化的。这就是说电磁波对应的光对太阳帆的冲量作用既有朝向光传播方向的,也有朝向反方向的,而且两个方向出现的机会完全相同!

这样看那个 “愚蠢” 的问题还那么 “愚蠢” 吗?

因此必须认真地从理论上回答这个 “愚蠢” 问题。作者尚未从文献中找到 “认真” 的答案。 

在本博文,作者尝试对这个 “愚蠢” 问题给出一个 “认真” 答案 。

从量子光学角度,坡印廷矢量的作用,也就是入射光子的作用,要么会使太阳帆表面的对应原子处于受激态,要么会使原子中的电子逃出束缚态,一般情况下,这个自由了的电子还带有一定的冲量。

先研究太阳帆表面原子被照射成受激态的情况。一般情况下,由于未明原因(正统量子力学所谓的 ”隐参数“),受激态原子中的受激电子会恢复到基态,同时发出了 ”自发辐射“ 的光子。如果该光子方向指向太阳帆内部,那个光子会对太阳帆造成向前推动的作用 (细致具体的作用,只能”具体情况具体分析“,太复杂只能笼统地说)。如果那个 "自发辐射” 的光子方向指向太阳帆外部,那么辐射后它就不会再对太阳帆发生作用。无论坡印廷矢量的方向如何,都会是这样的结果。(注:至于 “自发辐射” 的光子发射时会不会对光太阳帆造成反作用,这涉及到 “隐参数”,作者相信会有作用,但是不知如何准确回答,希望正统量子力学能给出确切答案)。

再研究太阳帆表面原子被照射产生了自由电子的情况。可以想象,如果坡印廷矢量指向太阳帆,那个自由电子一定会向太阳帆内运动对太阳帆造成沿光照方向相同的推力;如果坡印廷矢量反向地指向太阳帆,那个自由电子会逃出太阳帆不再起作用,但是从经典力学看,在自由电子逃出太阳帆瞬间,它会给太阳帆造成反作用。无论坡印廷矢量的方向如何,自由电子都会给太阳帆造成沿照射方向的推动力。

以上是作者尝试对那个 “愚蠢” 问题的一个答案。


注:如果入射光子的能量稍大于原子能谱间的能差,但又达不到将原子中的电子激(击)出的程度,那将如何?作者认为,这是普遍情况,量子力学不能将此情况简单地归结到原子的定态问题,而应该归结到动态问题。将动态解用定态解进行分解,最终归结到定态解,于是仍可以按前面的方式回答那个 “愚蠢” 问题。这稍微复杂些,本文不再赘述。

                         



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