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为什么会有光压?

【qcmsqas的回答(213票)】:

回校再次更新。

题主对光质量和动量的理解存在很大的错误。

光子并非没有“质量”,而是没有“静止质量”。可以粗略地理解为光子一旦停止运动就消失了。

光子是有质量的,由于光是高速运动的,需要用相对论来计算质量,所以其满足E=mc^2。单个光子的能量为E=hf,于是光子质量为m=E/c^2=hf/c^2=h/cL。

这里,f是光的频率,L是光子波长,c是光的速度,h是普朗克常数。例如,600nm的光子,质量大概3.68×10^(-36)kg 这个质量非常小,一般难以探测。

光当然也有动量。满足p=mc=h/L=E/c=hf/c。光压就是用这个公式计算出来的。

例如一束强度1W/m^2 的光被镜子完全反射,镜子受到的压强为2p/t=2E/t/c=6.667×10^(-9) N/m^2。

然而,计算光压,并不需要用到光的量子化,经典电磁理论已经可以预言光压的大小。所以早在光子提出之前,人们就已经可以理解并计算光压了。计算光压,需要用到麦克斯韦张量,这个大学电动力学课程才会学到。但是光压的理解,只需要用到高中的知识,用安培力或者洛伦兹力即可理解。

理论示意图:

上面是光(电磁波)的经典电磁场示意图。光具有相位相同的,相互垂直的电场和磁场。上面是光(电磁波)的经典电磁场示意图。光具有相位相同的,相互垂直的电场和磁场。

左下是安培力理解:光照射到物质表面,光含有的电场驱动物质内的带电粒子形成电流(对于介质是极化电流,对导体是自由电流),然后在光的磁场的作用下受到安培力,从而受到光压。

安培力的本质可以用洛伦兹力理解。

示意图右下是照洛伦兹力理解:光含有的电场,使得介质中的电荷运动,而它们运动就会在光的磁场中受到洛伦兹力。

上面的理论可以用来理解光压,也可以用来计算光压(后面有PEC镜子光压的推导,学过大学物理的知友可以看看),但如果要用上面的方法严格计算复杂体系的光压,需要用到更多的电动力学知识,不如动量法来得简便。

2016-02-16 更新,看懂以下推导需要基本的电磁学/电动力学知识。

我们用安培力方法计算一下理想电导体(Perfect Electric Conductor - PEC)反射镜的光压:

理想电导体反射镜,在反射强度为I的正入射光时,表面电流密度满足:

于是我们得到,此时PEC镜子受到的安培力形成的压强(时间平均)为:

这里为了区分电场和能量,电场用粗体这里为了区分电场和能量,电场用粗体E,能量用斜细体E

我们用动量变化法重新计算一次,单位体积光束含有的(时间平均)能量E和动量p为:

从而计算出,PEC镜子受到的光压为:

可以看出,用安培力法和动量法计算出的理想电导体(PEC)镜子受到的光压是完全相同的!

这也回答了评论区提出的问题:动量变化 和 安培力 这两种计算光压的方法,是一致的。

【木瓜的回答(8票)】:

光子的动量不是你按照经典力学来走的。当然,你可以认为光子运动有了动质量,这么算下来形式上符合。

所谓光压就是动量守恒的结果。这不是光子和物体之间的“力”。哦,当然,量子力学就不讨论“力”。这是个把许多复杂东西打包走了的壳子。动量守恒上来说没问题。不过你其实可以把这个效果看作是发光的物体与受光压物体之间的一种相互作用。

【版本君的回答(1票)】:

光子没有静质量,但是有动质量,动量变化就能产生力。

其中的m是相对论质量

ps:由普朗科的物质波公式波长等于普朗科常量除以动量可得光子动量,由光子碰撞即可产生光压

【王启凡的回答(0票)】:

找本大物看看吧,静质量为0的玻色子。

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