新研究首次演示了當光撞擊液面時，介質(zhì)表面會向內(nèi)彎曲，這表明光會產(chǎn)生推力，與亞伯拉罕的理論一致。
100多年來，科學家一直在爭論一個問題：當光通過一種介質(zhì)，比如油或水，它會牽拉或推動這種介質(zhì)嗎？雖然大多數(shù)實驗發(fā)現(xiàn)光可產(chǎn)生推拉力，但一直沒有證據(jù)對此充分加以證明。
現(xiàn)在，以色列魏茨曼科學研究所和中國中山大學的一個聯(lián)合研究團隊第一次找到了光施加推拉力的證據(jù)，光和流體介質(zhì)之間的相互作用說明：如果光可以使流體運動，它施加了一個推力；如果不是，它施加了一個拉力。該研究成果刊登在近期《新物理學》雜志上。
推壓還是牽拉
從歷史的脈絡來看，對于光壓的性質(zhì)和動量的辯論，要追溯到1908年。當時四維時空理論的創(chuàng)立者、數(shù)學家赫爾曼·閔可夫斯基（曾是著名物理學家愛因斯坦的老師）預測光可施加一個牽拉力。而1909年，物理學家馬克斯·亞伯拉罕的預測則正相反，他認為光施加的是一個推力。
究竟是亞伯拉罕對，還是閔可夫斯基有道理？對于光在物質(zhì)中的動量問題，科學家爭論了一個多世紀。
該聯(lián)合研究小組的研究人員說:“我們發(fā)現(xiàn)，光的動量不是一個基本量，它是光與物質(zhì)之間相互作用的結(jié)果，而其性質(zhì)主要取決于光移動物質(zhì)的能力。如果物質(zhì)不動，就是閔可夫斯基說的情況；如果物質(zhì)移動，那么就是亞伯拉罕所言的狀況。而這在以前是不能被理解的。”
據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，研究人員證明的方式是，通過一束光照射液體表面，看液體表面是上升還是下降的實驗來區(qū)分這兩種不同類型的壓力。
如果液體表面隆起，那么是光在拉動液體，與閔可夫斯基的理論一致；如果液體表面凹陷，則是光在推動液體，與亞伯拉罕的理論一致。這兩個理論的預測在空無一物的空間（折射率為1）是一致的，而在折射率大于1的任何介質(zhì)里則不同。
光在起初有動力
在新研究中，科學家發(fā)現(xiàn)，采用較寬的光束和一個比較大的容器，光會產(chǎn)生推力，使介質(zhì)表面向內(nèi)彎曲。研究人員在具有不同折射率的水和油中展示了這種推力，這與亞伯拉罕的理論一致。
而在以前的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)光具有牽拉力。當時他們使用的光束較窄，容器也更小。此次，研究人員對原有實驗進行了改進，使用更窄的光束，同樣顯示出牽引力，與先前的研究結(jié)果一致。這表明力的性質(zhì)不僅取決于光，還與流體有關。
為什么光會有動量？研究人員解釋說，光的動量與其能量略有不同，可以理解為一種壓力引起的運動，類似于打斯諾克臺球。在臺球游戲中，球員擊打一個球，隨后這個球去碰擊另一個球，產(chǎn)生連續(xù)撞擊，是球員最初擊球產(chǎn)生的動量造成了所有球的運動。光也會像臺球一樣擊打所觸及的物質(zhì)，只不過這些擊打力度是極其微小的。
然而，在某些情況下，光的擊打會產(chǎn)生引人注目的效果，彗尾就是一個典型的例子。很久以前，天文學家約翰尼斯·開普勒就推測，彗星的尾巴是由光推移彗星上的物質(zhì)造成的。我們現(xiàn)在知道他所言僅部分正確，太陽風是彗尾形成的另一個因素。
用光動量開發(fā)應用程序
研究人員稱，只有在光不完全被介質(zhì)反射，至少有部分通過這個介質(zhì)的情況下，爭論光的動量的推與拉的性質(zhì)才有意義。“如果光線被完全反射，如照射在鏡子上或彗星塵埃顆粒上，則不會有光動量的概念問題，因為入射光和反射光的動量很簡單地平衡了。但如有部分光透射到物質(zhì)中，則問題來了，透射光會影響動量的凈平衡。亞伯拉罕理論中的動量失衡導致光的推力，閔可夫斯基的理論中則是牽拉力。”
這一發(fā)現(xiàn)無論在理論上還是實踐上都有重要意義。從理論上說，研究結(jié)果可以幫助科學家更好地理解光的性質(zhì)。科學家們很早就知道光具有能量和動量，他們通過普朗克常數(shù)和光波頻率來量化光的能量，但卻難以對光的動量進行描述。當介質(zhì)的折射率增加時，光的動量會增加或減少嗎？研究結(jié)果表明，答案取決于光線是否可以使流體運動：如果可以，光的動量減小，表現(xiàn)為亞伯拉罕理論中的推力；否則，光的動量增加，則會產(chǎn)生閔可夫斯基理論中的拉力。
而在實踐中，這種區(qū)別也被證明是非常有用的，科學家們已開始著手開發(fā)應用程序，以利用光的動量。例如慣性約束聚變，即利用光的動量點燃核聚變；物理學家也可以利用光和偏轉(zhuǎn)反射鏡之間的動量交換來冷卻反射鏡，使其達到量子力學的基態(tài)；在生物醫(yī)學和納米工程應用方面，光動量也有用武之地，如光學鑷子，就是采用光學操縱技術(shù)，利用光的微弱壓力來操控細胞。研究人員希望今后能夠更好地理解光的動量性質(zhì)，以推動這些領域的發(fā)展。
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