現(xiàn)實中，光速打臉通常用來描述某件事在極短的時間內(nèi)出現(xiàn)了前后不一致的情況，且體驗強(qiáng)烈。之所以用光速來形容，當(dāng)然是因為光很快嘛，所以在人們還沒反應(yīng)過來的時候，相反的結(jié)果就來了。

那么真正的光速打臉是什么體驗?zāi)兀?/p>

一大早，當(dāng)你迎著朝陽去上學(xué)時，1.5億公里之外的太陽正持續(xù)地對你光速打臉！但顯然，你對此不會有任何感覺，無論你的皮膚感官如何敏銳。

但是，如果從科學(xué)上較真的話，既然光是一種在空間中的傳播的物質(zhì)——電磁波，那么理所當(dāng)然地，它對所碰之物必然有力的作用！這種力被稱作輻射壓力（radiation pressure），也稱光壓（light pressure）。

我們都知道，光既是粒子也是波。

當(dāng)光與物質(zhì)作用時，光呈現(xiàn)粒子的特點(diǎn)。在這種情況下，光產(chǎn)生壓力似乎是理所當(dāng)然的。因為每個光子都攜帶能量和動量。當(dāng)光子射到物體表面時，類似于網(wǎng)球扔到墻上，必然產(chǎn)生撞擊力。大量的光子不斷地撞擊體現(xiàn)為一種平均壓強(qiáng)。

為了讓你看得更清楚，下面來計算一下。

設(shè)有頻率為??的單色光垂直入射到界面上，根據(jù)愛因斯坦光量子概念，每個光子的能量和動量分別為?結(jié)合愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系??，可得單個光子的動量為?設(shè)單位時間內(nèi)，界面的單位面積上有??個光子入射，即光強(qiáng)為?由于每個光子被界面反射后，動量變?yōu)榈却蠓聪颍式缑嫔??的面積上在??的時間內(nèi)受到的沖量為??，根據(jù)動量定理?故平均壓力為?自然的，平均壓強(qiáng)就是?

以上就是根據(jù)光的粒子觀點(diǎn)（光的量子理論）得到的光壓公式。

那么，若從波的角度看待光呢？光壓該如何解釋？

我們知道，波在傳播的時候，不只能量被傳送，動量也被傳送。由于動量在媒質(zhì)中也是周期變化的，根據(jù)動量定理，這種變化的背后必然有力的作用，而力自然會導(dǎo)致壓強(qiáng)嘛！

就拿聲波來說吧，相信很多人都聽說過聲壓的說法。當(dāng)聲波在空氣中傳播時，由于空氣分子沿波線來回振動，導(dǎo)致氣體密度發(fā)生周期變化，從而在大氣壓強(qiáng)上疊加一種周期變化的壓強(qiáng)，它就是聲壓。

對于光來說，將其看作電磁波時，考慮到電磁波中的電場和磁場，若仔細(xì)分析介質(zhì)中電子的受力情況，也會得到作用在單位表面上的壓力，而它的時間平均就體現(xiàn)為一種平均壓強(qiáng)。

下面來推導(dǎo)這個平均光壓的表達(dá)式。

在開始之前，先講一點(diǎn)電磁波的基礎(chǔ)知識。

根據(jù)光的電磁波理論，當(dāng)光沿某個方向行進(jìn)時，電場和磁場兩個矢量在垂直于光線的平面內(nèi)振動，它們二者相互垂直且保持同步，以單色平面波為例

二者幅度之間滿足關(guān)系??。

光在傳播時，它的能量密度??為?介質(zhì)中的電磁波的傳播速度，即光速??為?

其中??和??分別是介質(zhì)的磁導(dǎo)率和電容率。若為真空，則速度即光速??=299,792,458米/秒。

在單位時間內(nèi)，光穿過與傳播方向垂直的單位面積的能量，即能流密度，也稱為坡印廷矢量，它沿著光波傳播方向，其表達(dá)式為?

其中??為沿光行進(jìn)方向的單位矢量。

基礎(chǔ)知識講完了，下面開始推導(dǎo)光壓。

設(shè)光線沿??軸正向垂直入射介質(zhì)表面，如下圖所示，此時電場和磁場都與入射界面平行。

假設(shè)某時刻，在界面處電場向上，而磁場沿紙面向外。由于電子受到電場的作用向下運(yùn)動，運(yùn)動電荷受洛倫茲力?根據(jù)右手定則，該力正好沿光的行進(jìn)方向，即垂直界面向內(nèi)的方向，很多電子都受到類似的力，它們的總體就是界面受到的壓力。

若某時刻，界面處的電場反向，電子速度反向，由于磁場也會同步反向，所以電子受到的洛倫茲力還是沿垂直界面向內(nèi)的方向，依然使界面受到光壓作用。

由于安培力實際上就是洛倫茲力，因此上述解釋若用分析電流受到的安培力來代替，也一樣得到界面受光壓力的結(jié)論。

到這里，你可能意識到，對表面來說，光壓的作用效果與你用手按壓相比沒什么兩樣——都會凹下去，但它的微觀機(jī)制卻是令你之前想不到的洛倫茲力！

其實，這有什么奇怪的嗎？

真沒什么奇怪的！因為日常生活中幾乎所有的作用力（除了地球的引力之外，其實它根本就算不上一種力），本質(zhì)上都是電磁作用嘛！

其實，大氣壓力也好，你用手摩擦桌子也好，你的屁股與凳子之間的壓力也好，它們歸根結(jié)蒂都是源于電磁相互作用的結(jié)果！

而你知道，電磁相互作用總是按光速來進(jìn)行的。

因此，也可以說，你每時每刻都在經(jīng)歷著光速打臉！不止是打臉，你與外界之間以及你的身體內(nèi)部經(jīng)歷的一切活動，都是以光速打臉的速度來進(jìn)行的。

不過，要根據(jù)電磁場理論具體計算這個光壓就不是那么容易了，過程涉及電磁場的邊值關(guān)系，坡印廷矢量與動量密度等一大堆知識。這里不想涉及太復(fù)雜的計算，就簡單的過一下，有興趣可參看相關(guān)書籍。

電磁場在穿過介質(zhì)分界面時，磁場強(qiáng)度沿界面的切向分量會發(fā)生突變，差值就是感應(yīng)電流面密度??，寫出來就是?當(dāng)光在界面上完全反射時，界面兩側(cè)的光剛好反向，??，邊值關(guān)系退化為?由于它與磁場垂直，根據(jù)安培定律，受到的安培力大小為?根據(jù)??，將??的實部代入即可得?這是安培力的瞬時值。由于光的頻率如此之高，一般只會看到壓力的時間平均值，故將上式對一個周期求平均值得?根據(jù)前面提到的電場和磁場的幅度之間的關(guān)系，該值也就是?該力為作用在單位面積上的平均力，也就是平均壓強(qiáng)，故光壓的平均值為?大功告成！

那么，這個值與前面按照光量子理論得到的結(jié)果是否一致呢？?

根據(jù)電磁波理論，電磁波的能流密度，即坡印廷矢量是能量密度??與電磁波的相速度??的乘積，即?它的平均值就是光強(qiáng)??，代入電場和磁場的實部計算得?故得到?若為真空，則上式中的??和??分別變?yōu)??和??，那這式子也就是?結(jié)論與光量子理論的完全一致！

因此，對光來說，它對反射面產(chǎn)生的壓力，既可以根據(jù)傳統(tǒng)的電磁波理論來得到，也可以根據(jù)愛因斯坦的光量子理論來得到，兩種方式得到的最終結(jié)論是一致的。

上述計算，只考慮一種最簡單的情況，即光正入射到界面且完全被反射，一般的情況比這稍微復(fù)雜一點(diǎn)點(diǎn)。

根據(jù)以上光壓公式的計算結(jié)果，在一般情況下，光產(chǎn)生的輻射壓力非常小。例如考慮1W的入射光，計算得平均壓強(qiáng)為?這個值簡直不要太小，難怪光壓很難被探測到。因此，一般情況下人們根本覺察不到光的壓力。

不過，當(dāng)光強(qiáng)足夠大時，反射面就會受到明顯的壓力，可通過特定的儀器測量。一種典型的光壓測量儀的基本構(gòu)造如下圖所示，當(dāng)高能激光照射到鏡子上時，鏡子下方具有極高靈敏度的力學(xué)傳感器就會給出壓力變化值。

在大自然中，源自恒星的超級強(qiáng)光可產(chǎn)生巨大的光壓。一些太空中的塵埃在受到這種強(qiáng)光照射時，將受到明顯的推力，使之遠(yuǎn)離太陽。例如彗星拖著的長尾巴為什么總是背對著太陽？就是由太陽輻射的壓力所導(dǎo)致的。

光壓還可作為太空旅行的推動力，與風(fēng)力推動類似，稱之為太陽帆推進(jìn)（solar-sail propulsion）技術(shù)。

雖然光的輻射力相對較低，但由于外太空沒有空氣阻力，長時間的積累會獲得巨大的速度。因此，這種技術(shù)特別適用于在行星之間長距離飛行的小型探測器和衛(wèi)星。

如上圖所示，如果空間中形成一個低光壓區(qū)域，那么可能會將微觀粒子囚禁在這里。這就是光壓在實際應(yīng)用中的一個典型的例子——光學(xué)鑷子（optical tweezer）。現(xiàn)在，光學(xué)鑷子已成為一種操縱原子、分子和生物細(xì)胞的常用工具。

順便說一下，光學(xué)鑷子由2018年諾貝爾物理獎獲得者、美國物理學(xué)家阿斯金（Arthur Ashkin）在1986年發(fā)明。他獲得諾獎時年96歲，曾是獲得諾獎時年齡最大的科學(xué)家，但該記錄只保持了一年，2019年，97歲的美國化學(xué)家約翰·古迪納夫（John B. Goodenough ）獲諾貝爾化學(xué)獎。

Arthur Ashkin（1922~2020）

由于光壓太小，較難直接測量，一般通過測量光的輻射強(qiáng)度，然后再換算成輻射壓，即光壓。

輻射計的主體是一個部分真空的氣密玻璃泡，內(nèi)部有一組可繞軸旋轉(zhuǎn)的葉片，葉片兩面分別是黑色和白色。當(dāng)有光線照射時，葉片會轉(zhuǎn)動起來，光線愈強(qiáng)旋轉(zhuǎn)愈快，從而提供簡單的電磁輻射強(qiáng)度定量測量。

按照輻射理論，深色物體對光和熱的吸收率更高。因此葉片的黑面由于不斷吸收光輻射，表面附近氣體溫度相對較高，因此分子運(yùn)動速度較大。根據(jù)壓強(qiáng)的統(tǒng)計意義可知，氣體分子的壓強(qiáng)與平均動能成正比，因此黑面受到氣體分子的壓力要比白面受到的壓力大，這使葉片轉(zhuǎn)動起來，且沿著黑面向白面轉(zhuǎn)的方向。 好了，關(guān)于光速打臉這件事背后的物理，就說到這里了。

最后想說的是，盡管物理上的光速打臉總是如此溫柔，但大量的溫柔打臉加在一起之后就不那么溫柔了。但無論如何，請珍惜你生命中的每一次光速打臉吧。

參考文獻(xiàn)

https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

https://cormusa.org/wp-content/uploads/2018/04/Williams-2015.pdf

https://scientech-inc.com/laser-power-measurement/radiation-pressure-power-meter.html

https://www.nature.com/articles/s41598-020-77295-5

郭碩鴻 等，電動力學(xué)[M]，高等教育出版社，北京，2008年6月

編輯：黃飛

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