民众大舞台——风俗世情

3. 光的压强压强

　　是压力的效果， 一个物体放在桌子上， 它的压力就对桌面产生作用。这种作用的效果通常用压强来衡量， 即单位面积上的压力有多大。

　　光是否也有压强呢？ 也许有人会对这个问题感到奇怪。

　　当别人打开电筒， 光柱照在你的身上时， 你并没有感到稍许压力， 但这还不能说明光没有压强。

　　太阳系内有不少彗星， 它最大的特征是长长的彗尾， 因此， 中国人把它叫做“扫帚星”。中国人对彗星记录得很早，在《晋书》中还论述了彗尾的指向： “夕见则东指， 晨见则西指。”这就是说， 彗尾指向总是与太阳位置正相反。

　　德国天文学家开普勒也注意到彗尾的指向问题， 但原因尚不清楚。太阳光可以产生压强。在这个问题上， 光的波动说和光的微粒说取得了共识。从微粒说来看， 光有压强是很自然的事， 因为运动的微粒把一部分动量作用于物体表面， 它就要产生压强。从波动说出发， 由于光波是横波， 解释光压的努力受挫。后来， 人们根据麦克斯韦的电磁场理论才说明了光压形成的机制。

　　英国的物理学家麦克斯韦曾做过计算。当光波是一束平行光， 被照射的物体是“黑体”( 百分之百地吸收了光的物体)， 当晴天的中午时， 阳光直射下来作用在“黑体”的， 每一平方米的光压仅为4 ×10 -牛顿。这是多么小的光压啊！

　　由于光压太小， 进行光压测量的实验一直未能成功。实验要在真空环境内进行， 而当时抽真空的技术水平还比较低， 残留在容器内的空气并不算少。当光线照射在这些空气上时， 空气被加热， 使空气发生对流。由于空气对流所产生的压力比光线产生的压力要大得多， 这样就把光压产生的效应掩盖起来了。19 世纪末， 高真空技术和电光源制造方法都有了很大的发展， 实验又重新开始了。

　　1895 年， 俄国物理学家列别捷夫将一个容器抽成真空。容器中一根细丝悬挂几对薄且轻的翅膀， 其中一边的翅膀涂成黑色， 另一边则是光亮的。涂黑翅膀能将全部入射光反射掉， 反射时入射光给亮翅膀一个反冲力。这样， 亮翅膀的反冲力约为黑翅膀的两倍。这两个力的差别使悬挂的装置发生旋转。

　　列别捷夫还设计了测量装置， 以便测量入射光束的能量。测量的结果与麦克斯韦的理论值大体符合， 但是测量误差约为20 % 。后来， 德国物理学家盖拉赫改进了实验技术， 测量的误差只有2% 。

　　美国的尼科尔和霍耳也进行了类似的实验。现在我们再回到“彗尾”的话题上去。

　　我们以彗尾运动方向为正或为前， 反之则为负或为后。太阳光的压强作用在彗星上， 使彗星接近太阳时， 彗星总是被甩在后面； 而使彗星离开太阳时， 彗尾总是被抛向前面。

　　这样的解释被人们接受达半个世纪， 实际太阳光的压强并没有这么大， 作用在彗尾上的压强是太阳辐射的质子云作用的结果。这种质子云是美国物理学家字帕克于1958 年发现的， 他称之为“太阳风”。太阳风是很厉害的， 它对地球的作用很大， 像极光现象就与此有关。

　　由于激光器输出功率大为提高， 用它产生的光压十分惊人。如果激光器的输出功率为1010 瓦( 100 亿瓦)， 输出光束半径为1 厘米， 再用焦距为2 厘米的透镜聚焦， 可获得一个直径为几十微米的聚焦光斑。这样， 物体将受到10 亿个大气压的压强。

　　光压测量有什么意义呢？

　　我们知道， 为了一劳永逸地解决能源问题， 科学家正在研究受控热核反应， 开发出原子核内的能量供人类享用。但是， 这个反应要求核燃料压缩， 使它的密度提高上千倍， 达到这个要求的大气压值是1 ， 000 亿个大气压。科学家设想用激光束来增压， 这就是利用激光产生的巨大压强。

　　科学家研究基本粒子需要加速器， 而加速中性粒子的直线加速器要有3 公里长， 回旋加速器的周长要有6 公里之长， 加上各种辅助设备， 其规模就像一座小城市， 它的造价高达几亿美元。

　　激光的光压也可加速粒子， 电子直线加速器可缩小到1%， 特别是加速中性粒子， 激光光压的效应更加突出。光压应用非常广泛， 生物学研究中， 激光光压可将细菌或病毒分离开。