科学百科76期丨光能够对物质施加力吗？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。

作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。

其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。

作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第七十六个问题：

光能够对物质施加力吗？

光束含有能量，当它投射到一个不透明的物体上并被吸收时，能量就会发生某种变化。其中的大部分转换为热，也就是说，构成不透明物体的粒子在获得光能之后，就开始更加快速地振动。

然而，光束能够对不透明的物体施加直接的力吗？光束能够把它的运动传给那个吸收它的物体吗？一个运动中的大而重的物体对任何阻挡在它前进道路上的东西的影响是明显的。滚木球戏中的滚球击中了一个柱，就会使它飞起来。但光由无质量的粒子所组成，它仍然能够把它的运动传递给物质，并对物质施加力吗？

早在1873年，苏格兰物理学家麦克斯韦就从理论上研究了这个问题。他指出，光即使是由无质量的波所组成，也仍然会对物质施加力。这种力的大小取决于运动光束中每单位长度所含的能量。有一件令人注目的事。假定你有一个手电筒，你将它正好开一秒钟。它在这一秒钟内发射的光含有大量的能量，但就在这一秒钟内，发射出的光的第一部分已经走了约30万公里。手电筒在一秒钟内所发出的全部光就分成那样长的一道光束，所以，这道光束中每一米或甚至每一公里长度中的能量确实是很小的。

正是由于这个原因，在通常情况下我们并不觉得光对物质有任何作用力。

不过，假定你取一根轻的横杆，在横杆两端各有一个平圆盘，然后用一根细石英丝拴在横杆的中央，把它悬吊起来。在一圆盘上施加极小的一点力，就会使横杆围绕着石英丝扭转。如果一道光束照在一个圆盘上，那么，只要这道光束对圆盘施加了力，这个横杆就会旋转。

当然，如果稍有一点微风推动着圆盘，那么，光束的这种微小的力就会被掩盖起来，所以整个装置必须封闭在一个小室内。就连空气分子碰撞圆盘所产生的力也会比光力大得多。因此，这个小室必须抽成高真空。完成了这样的设施并采取了某些其他的预防措施之后，当一道强烈的光束照射在圆盘上时，就有可能测出圆盘位置的微小移动。

1901年，两位美国物理学家尼科尔斯和赫尔在达特默思学院完成了这样的实验，证明光确实能产生一种力，这种力的大小正好同二十八年前麦克斯韦所预言的差不多。几乎与此同时，俄国物理学家列别捷夫用稍微复杂一点的装置，也证实了这种情况。

这种“辐射压力”的存在被证实以后，天文学家相信这种压力说明了关于彗星的某种有趣的现象。彗星的尾部总是指着背离太阳的方向，当彗星接近太阳的时候，彗尾就拖在后面。当彗星最接近太阳并绕着太阳运动时，它的尾部就来回摆动。然后，当彗星离开太阳时，它的尾部却跑到它的前面去了。

于是天文学家就这样想：“啊哈，这就是辐射压力！”

大约有半个世纪，他们一直认为这是真实的，但是他们错了。太阳光的辐射压力并不够强，把彗星尾部推向背离太阳的方向的是太阳风。