驱动人类科技的神奇魔力——光压

概要：当光照射在物体上，也会对物体产生作用力，就像风吹动帆一样。光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压，也被称为辐射压强。在这个讲求速度的时代，光在集成芯片上的应用将会很大程度上提高我们工作和生活的效率。光压当光照射在物体上，也会对物体产生作用力，就像风吹动帆一样。光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压，也被称为辐射压强。根据量子理论，光具有“波粒二象性”，它既是一种电磁波，又是一种粒子，即光子。光子没有静态质量，但有动量。当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力，形成光压。捕捉光压在解释彗尾的形成时，开普勒就已提出了光压概念：当彗星靠近太阳时，彗星中的尘埃和气体分子由于受到太阳辐射的光压作用而产生了彗尾，彗尾永远指向太阳的反方向。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在，并根据电磁理论解释了光压现象，算出了光压的数值。1899年，俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压，证实了麦克斯韦的预言。光压的存在说明了电磁波具有动量，因而是电磁场物质性的有力证明。爱因斯坦光子假设又进一步说

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　　当光照射在物体上，也会对物体产生作用力，就像风吹动帆一样。光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压，也被称为辐射压强。在这个讲求速度的时代，光在集成芯片上的应用将会很大程度上提高我们工作和生活的效率。

　　光压

　　当光照射在物体上，也会对物体产生作用力，就像风吹动帆一样。光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压，也被称为辐射压强。根据量子理论，光具有“波粒二象性”，它既是一种电磁波，又是一种粒子，即光子。光子没有静态质量，但有动量。当光子撞击到光滑的平面上时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的作用力，形成光压。

　　捕捉光压

　　在解释彗尾的形成时，开普勒就已提出了光压概念：当彗星靠近太阳时，彗星中的尘埃和气体分子由于受到太阳辐射的光压作用而产生了彗尾，彗尾永远指向太阳的反方向。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在，并根据电磁理论解释了光压现象，算出了光压的数值。1899年，俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压，证实了麦克斯韦的预言。光压的存在说明了电磁波具有动量，因而是电磁场物质性的有力证明。爱因斯坦光子假设又进一步说明了光压存在的合理性。

　　人们除了在理论上对光压进行研究之外，也在不断探索研究用光压推动的装置。

　　光压驱动太阳帆船

　　太阳帆船

　　从儒勒·凡尔纳到阿瑟·C·克拉克，科幻作家们不只一次幻想过运用太阳光的作用力来推动“太阳帆”，驱动飞船在星际间航行，尤其是科幻小说家阿瑟·克拉克，他在小说《太阳帆船》提出的“太阳帆”概念，深入人心。

　　在日常生活中，我们虽然可以强烈地感觉到光的热量，却无法感受到光微弱的力。其实，在炎炎的夏日下，人们也感觉不到任何阳光的压力，因为1平方千米面积上的阳光压力总共才9牛顿。单个光子所产生的推力更是极其微小，在地球到太阳的距离上，光在1平方米帆面上产生的推力只有0.9达因，还不到1只蚂蚁的重量。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以，即使是轻微的推力(太阳光的压力)，也可以让它加速前进。科学家们设计的太阳帆飞船靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜。它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得光帆的反光性极佳。当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对太阳帆飞船的光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，太阳帆飞船的速度也将越快。改变帆板与太阳的倾角，可以对飞船速度进行调整。因此，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得既大又轻，而且表面要十分光滑平整。由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器最终可以以每小时24万千米的速度前进。这个速度要比当今以火箭推进的最快航天器快4～6倍。

　　日本太阳帆船概念图

　　俄罗斯、日本先后做过几次类似尝试;美国也在研究太阳帆飞船，并为选择太阳帆的制造材料做了大量测试。美国宇航局预计宇宙帆船在2010年成行，太阳帆飞船NanoSail-D将历经15年以上的航程，飞行37亿千米直到太阳系边缘，或是携带仪器探测遥远的冥王星。也许在不远的将来，人类将有可能借助太阳帆激游太空。

　　光压驱动风车

　　光压风车装置是一个由玻璃球体内装有黑、白亮色叶片组成的风车，黑色面即光吸收面，白色面即光反射面。当强光照射到这些玻璃裸壳内的黑、白叶片上，由于光粒子对叶片产生的光压差作用，将把光能转换成机械能，推动叶片旋转。打开产品顶部光源，强光照射在光压风车群体上，风车叶片随即转动。由于风能与太阳能都是取之不尽用之不竭的清洁能源，推广光压风车因而有着特殊的意义。

　　光压驱动纳米机械

　　在地球上，太阳光的作用力实在是微乎其微，没有人能用阳光来移动一个物体。但是，在2008年11月27日的《自然》杂志上，一篇由美国耶鲁大学中国学者发表的文章首次证实，在纳米世界里，光可以驱动“机器”——由半导体做成的纳米机械。

　　在宏观尺度上，光的力实在太微弱，没有人能感觉到;但是，在纳米尺度上，光具有相当可观的力。在上述论文中，研究人员成功驱动了像集成电路上的三极管一样大小的纳米级光子集成电路。其实，此前光压力已经被物理学家和生物学家应用于一种叫“光镊”的技术中，用来操控原子和微小的颗粒。最新研究却是把光集成在一块小小的芯片上，使它的强度增加了数百万倍，从而用来操控纳米半导体器件。

　　在耶鲁大学的实验室里，科学家们使用最先进的半导体制造技术，在硅芯片上铺设出一条条光的线路，称之为“光导”。当激光器发出的光被接入这样的芯片，光就可以像电流在导线里一样，沿着铺好的“光导”线路“流”动。他们把一小段只有10微米长的光导悬空起来，如同一座纳米桥梁，由于光压，光会对引导它的导线产生作用力，让它可以像吉他的弦般产生振动。当光的强度被调制到和光导的振动一致的频率时，共振就会产生，继而就会在透射的光中产生同样频率的一个共振峰，共振就会使光的振动幅度增大2000多倍。这样，光作用力的效果就被放大了，所以很容易被测量到。因为光的速度比电流要快得多，所以这种光产生的力有望能以几十吉赫兹(GHz)的速度驱动纳米机械。

　　此项研究成果首次证明了光的力量能被有效集合在极小区域内，有望引领出新一代半导体芯片技术——用光来取代电。未来运用这种新技术，科学家和工程师们可以实现基于光学和量子原理的、高速高效的计算和通讯，即集成电路上的光通讯。与电信号相比，用光来传载信息，速度会快得多，功耗又低很多。如果电脑的整个集成系统都能通过光来通讯，电脑的运行速度就可以比现在高10多倍。在这个讲求速度的时代，光在集成芯片上的应用将会很大程度上提高我们工作和生活的效率。

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