光子路由裝置

光是由光子組成的，既然光子沒質(zhì)量，那么光子會不會產(chǎn)生壓力呢？

光的能量量子，就是光子，代表著光的最小能量單元。

光子的靜止質(zhì)量為零，所以光在真空中傳播速度最快，為光速，是慣性參考系中速度的最大值。

光子具有一定的能量和動量，所以光子的運(yùn)動質(zhì)量并不是零。只要光子具有一定的頻率，就意味著具有一定的能量，那么就可以等效認(rèn)為它具有多大運(yùn)動質(zhì)量。

光子和其他靜止質(zhì)量不為零的粒子發(fā)生碰撞時，會發(fā)生相互作用，這個過程是滿足能量守恒和動量守恒的。要么粒子吸收了整個光子，能量增加了一個光子的所有能量；要么粒子吸收了部分光子能量，光子的頻率發(fā)生紅移（頻率變低，波長變長），“改頭換面”成為了另一個光子；要么光子獲得了粒子的能量，光子的頻率發(fā)生了藍(lán)移（頻率變高，波長變短）。

如果是最后一種情況，那么光子入射到粒子上后，會發(fā)生反射，光子的能量增加，粒子的能量就會減小。對于有質(zhì)量的粒子而言，它的整體能量相對一個光子是非常巨大的。但是，如果有一大群甚至無數(shù)個光子都發(fā)生了類似的相互作用的話，那么粒子的能量終將減小。就像用一群乒乓球去擊打一個運(yùn)動著的鉛球，通過大量乒乓球吧鉛球的能量降低，鉛球始終是要慢下來的。利用這個原理，科學(xué)家發(fā)明了激光冷卻原子技術(shù)。我們知道原子無時不刻在做熱運(yùn)動，倘若從四面八方（一般是六面）給原子打上激光，那么光子就會讓原子慢慢“冷靜”下來。最終冷卻下來的原子溫度是極低的，大概在0.0000000001 K 量級，非常接近絕對零度。

喜歡科幻的朋友一定聽說過一個概念，叫做「太陽帆」：

太陽帆作為一種推進(jìn)系統(tǒng)，利用光產(chǎn)生的壓力，推動航天器運(yùn)動。由于太陽光源源不斷，所以航天器幾乎不需要攜帶什么燃料，只需要攜帶工作用的燃料就夠了。而且這種推進(jìn)器，在航天器速度越快的時候，功率越高，這也是其他推進(jìn)器難以比擬的。

那么很自然的，我就要問，為什么光能夠產(chǎn)生光壓呢？我們知道，光子是沒有質(zhì)量的，有的科普文章說「光沒有靜質(zhì)量，有動質(zhì)量」，這種說法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，物理學(xué)中沒有「動質(zhì)量」的說法，只有「動量」的說法。

光子的動量為：p=h/λ，能量為E=hv，v是波數(shù)。

只要有動量的變化，就能夠產(chǎn)生力。這個論斷，從牛頓力學(xué)就可以得到：F = dp/dt。這是牛頓第二定律的原始形式：力等于動量的變化率。

既然光在光帆上被反射了，那它的動量的方向就發(fā)生了改變，即動量變化了2p。在單位時間內(nèi)，有n個動量為p的光子撞向光帆，并被反射，其產(chǎn)生的推力就是F = 2np。這是理想的情況：所有的光子都會被完全反射，且反射到相反的方向。但在實際中，有一部分光子會被吸收，那這些光子的動量改變只有p，有的則會因為表面凹凸不平，被反射到其他方向，其動量變化也不會有2p。這也就是為什么所有的太陽帆都努力做的像鏡子一樣——只有這樣，才會產(chǎn)生最大的推力。

如果一束光子不斷打到一個“船帆”上，那么船帆就會吸收光子的能量，盡管一個光子能量很小，但是無數(shù)個光子不斷打過來，帆船能量就會不斷增加，直到足以改變它的運(yùn)動狀態(tài)，這就是光壓。在宇宙中，我們可以通過類似原理，讓一個很小的太空帆船被光子不斷加速，這樣就不需要依賴于發(fā)動機(jī)，只要時間足夠久，是能夠探測非常遙遠(yuǎn)的宇宙空間的。這其實就是霍金最近提出的突破攝星計劃，也許有一天，這個小帆船會遇到一個外星文明呢！

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