“光壓”驅動人類科技

施 堅

當光照射在物體上，也會對物體產(chǎn)生作用力，就像風吹動帆一樣。光對被照射物體單位面積上所施加的壓力叫光壓，也被稱為輻射壓強。根據(jù)量子理論，光具有“波粒二象性”，它既是一種電磁波，又是一種粒子，即光子。光子沒有靜態(tài)質量，但有動量。當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應的作用力，形成光壓。

捕捉光壓

在解釋彗尾的形成時，開普勒就已提出了光壓概念：當彗星靠近太陽時，彗星中的塵埃和氣體分子由于受到太陽輻射的光壓作用而產(chǎn)生了彗尾，彗尾永遠指向太陽的反方向。麥克斯韋依據(jù)經(jīng)典電磁理論首先指出了光壓的存在，并根據(jù)電磁理論解釋了光壓現(xiàn)象，算出了光壓的數(shù)值。1899年，俄國物理學家列別捷夫用實驗測得了光壓，證實了麥克斯韋的預言。光壓的存在說明了電磁波具有動量，因而是電磁場物質性的有力證明。愛因斯坦光子假設又進一步說明了光壓存在的合理性。列別捷夫實驗中所用儀器的主要部分是一用細線懸掛起來的極輕懸體R，其上固定有小翼a及b，如圖1所示，其中一個涂黑，另一個是光亮的。將懸體R置于如圖2所示的真空容器G內。借助透鏡及平面鏡系統(tǒng)將由弧光燈B發(fā)出的光線射向小翼中的一個。由于作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉動。轉動的大小，可借助望遠鏡及固定在軸線上的小鏡觀察到。移動雙鏡能使光射在涂黑的小翼上。比較兩種情況下懸體轉動的大小，列別捷夫測得，涂黑表面所受的光壓力比反射表面所受的光壓力小一半，與理論完全符合。

借助薄片P1使光流的一部分射到溫差電池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以對理論做出定量的驗證。

人們除了在理論上對光壓進行研究之外，也在不斷探索研究用光壓推動的裝置。

光壓驅動太陽帆船

從儒勒·凡爾納到阿瑟·C·克拉克，科幻作家們不只一次幻想過運用太陽光的作用力來推動“太陽帆”，驅動飛船在星際間航行，尤其是科幻小說家阿瑟·克拉克，他在小說《太陽帆船》提出的“太陽帆”概念，深入人心。

在日常生活中，我們雖然可以強烈地感覺到光的熱量，卻無法感受到光微弱的力。其實，在炎炎的夏日下，人們也感覺不到任何陽光的壓力，因為1平方千米面積上的陽光壓力總共才9牛頓。單個光子所產(chǎn)生的推力更是極其微小，在地球到太陽的距離上，光在1平方米帆面上產(chǎn)生的推力只有0.9達因，還不到1只螞蟻的重量。但太空中運行的航天器處于失重狀態(tài)，又無空氣阻力，所以，即使是輕微的推力(太陽光的壓力)，也可以讓它加速前進。科學家們設計的太陽帆飛船靠的就是它的光帆——非常輕而薄的聚酯薄膜。它們堅硬異常，表面上涂滿了反射物質，使得光帆的反光性極佳。當太陽光照射到帆板上后，帆板將反射出光子，而光子也會對太陽帆飛船的光帆產(chǎn)生反作用力，推動飛船前行。因此，光帆的直徑越大，獲得的推力也越大，太陽帆飛船的速度也將越快。改變帆板與太陽的傾角，可以對飛船速度進行調整。因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得既大又輕，而且表面要十分光滑平整。由于來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以以每小時24萬千米的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的最快航天器快4～6倍。

俄羅斯、日本先后做過幾次類似嘗試；美國也在研究太陽帆飛船，并為選擇太陽帆的制造材料做了大量測試。美國宇航局預計宇宙帆船在2010年成行，太陽帆飛船NanoSail-D將歷經(jīng)15年以上的航程，飛行37億千米直到太陽系邊緣，或是攜帶儀器探測遙遠的冥王星。也許在不遠的將來，人類將有可能借助太陽帆激游太空。

光壓驅動風車

光壓風車裝置是一個由玻璃球體內裝有黑、白亮色葉片組成的風車，黑色面即光吸收面，白色面即光反射面。當強光照射到這些玻璃裸殼內的黑、白葉片上，由于光粒子對葉片產(chǎn)生的光壓差作用，將把光能轉換成機械能，推動葉片旋轉。打開產(chǎn)品頂部光源，強光照射在光壓風車群體上，風車葉片隨即轉動。由于風能與太陽能都是取之不盡用之不竭的清潔能源，推廣光壓風車因而有著特殊的意義。

光壓驅動納米機械

在地球上，太陽光的作用力實在是微乎其微，沒有人能用陽光來移動一個物體。但是，在2008年11月27日的《自然》雜志上，一篇由美國耶魯大學中國學者發(fā)表的文章首次證實，在納米世界里，光可以驅動“機器”——由半導體做成的納米機械。

在宏觀尺度上，光的力實在太微弱，沒有人能感覺到；但是，在納米尺度上，光具有相當可觀的力。在上述論文中，研究人員成功驅動了像集成電路上的三極管一樣大小的納米級光子集成電路。其實，此前光壓力已經(jīng)被物理學家和生物學家應用于一種叫“光鑷”的技術中，用來操控原子和微小的顆粒。最新研究卻是把光集成在一塊小小的芯片上，使它的強度增加了數(shù)百萬倍，從而用來操控納米半導體器件。

在耶魯大學的實驗室里，科學家們使用最先進的半導體制造技術，在硅芯片上鋪設出一條條光的線路，稱之為“光導”。當激光器發(fā)出的光被接入這樣的芯片，光就可以像電流在導線里一樣，沿著鋪好的“光導”線路“流”動。他們把一小段只有10微米長的光導懸空起來，如同一座納米橋梁，由于光壓，光會對引導它的導線產(chǎn)生作用力，讓它可以像吉他的弦般產(chǎn)生振動。當光的強度被調制到和光導的振動一致的頻率時，共振就會產(chǎn)生，繼而就會在透射的光中產(chǎn)生同樣頻率的一個共振峰，共振就會使光的振動幅度增大2000多倍。這樣，光作用力的效果就被放大了，所以很容易被測量到。因為光的速度比電流要快得多，所以這種光產(chǎn)生的力有望能以幾十吉赫茲(GHz)的速度驅動納米機械。

此項研究成果首次證明了光的力量能被有效集合在極小區(qū)域內，有望引領出新一代半導體芯片技術——用光來取代電。未來運用這種新技術，科學家和工程師們可以實現(xiàn)基于光學和量子原理的、高速高效的計算和通訊，即集成電路上的光通訊。與電信號相比，用光來傳載信息，速度會快得多，功耗又低很多。如果電腦的整個集成系統(tǒng)都能通過光來通訊，電腦的運行速度就可以比現(xiàn)在高10多倍。在這個講求速度的時代，光在集成芯片上的應用將會很大程度上提高我們工作和生活的效率。