大有作為的光壓

王憲忠

包圍在地球周圍的大氣層對物體都會產生一定的壓力，這就是大氣壓。我們常常接觸到的陽光和燈光，也能對物體產生壓力，這一點有的讀者可能就不太熟悉了。其實，一百多年前，科學家就發現光波對被它照射的物體能產生壓力，這就是“光壓”。

我們平時接觸的普通光源發光強度不高，對物體產生的壓力非常微小，人的感覺器官很難察覺出來。

“捉住光壓”的人

世界上第一個用實驗方法顯示出“光壓”的科學家，是前蘇聯的M·H·列別捷夫。1909年，列別捷夫在莫斯科實驗室，用的儀器是懸掛在細絲下的懸垂體，在懸垂體的兩邊固定著一些又薄又輕的小翅片。懸垂體一邊的小翅片涂成黑色，另一邊則是光亮的。懸垂體放置在抽成真空的容器里，然后用光學系統把弧光燈發射出來的光束聚焦后照射到懸垂體的小翅片上。由于懸垂體兩邊的小翅片明暗不同，一邊反射光，另一邊不反射光。在光壓力的作用下，懸垂體兩邊受力不平衡，因而發生扭轉，從扭轉角度的大小便可以量出光壓力的數值。實驗測得的壓力值和科學家用公式計算出的數值相符合。

推動宇宙飛船

光對被照射物體所產生的壓力雖然很微小，但是，科學家們早就把眼睛盯在“光壓”上，打“光壓”的主意了。七十多年前，偉大的宇航之父齊奧爾科夫斯基說過：“可以利用薄膜做成巨大的鏡面，靠太陽光的壓力推動它在宇宙中向前飛行。”這是開發利用“光壓”最早的，也是極富有真知灼見的設想。大家知道，為了獲得前進的動力，宇宙飛船都必須安裝推進器，還得攜帶大量的燃料。宇宙飛船上裝載的燃料非常昂貴，每一噸燃料要花掉500萬美元。同時，燃料又是飛船的“累贅”，攜帶大量的燃料，增加了飛船的重量，使飛船變成龐然大物，大大提高了飛船的發射成本。

如果宇宙飛船不用推進器，不帶燃料，利用太陽光的壓力在太空中飛行。那么，太陽光的光壓有多大呢?據科學家計算，在距離太陽一個天文單位(即太陽到地球的距離)的位置上，在一平方米的面積上。太陽光可以產生0．001克的壓力。由此可見，要設計沒有推進器、不帶燃料的宇宙飛船，并不是異想天開．更不是企圖制造永動機。宇航科學家設想，當用“太陽帆”代替推進器的陽光宇宙飛船被送上太空以后，安裝在飛船上的“太陽帆”隨即張開，只要它的面積足夠大，太陽光就會在這個帆面上產生足夠大的壓力，推動著飛船朝著人類期望的方向飛去。

這種以太陽帆為主體的“光帆”宇宙飛船，在開始階段飛行的速度是很低的。但是，陽光產生的推力是持續不斷的，它不斷地推動著太陽帆，使它不停地加速。另外。太空中基本上是真空狀態，因此，宇宙飛船速度將不斷提高。美國新設計的一個面積大約有800平方米的太陽帆，在離太陽一個天文單位的位置上，加速度是1毫米／秒0，一個月后，這個太陽帆的飛行速度可以達到2．6×103米／秒。太陽帆宇宙飛船除了應具備一般衛星應具備的測控、通信等系統外，還應具備帆面支持機構、帆面展開機構和舵翼導航系統等。

1994年2月4日，俄羅斯科學家在“進步”號宇宙飛船上，成功地進行了一次代號為“旗幟”的人造月亮的試驗，把一個直徑為22米的太陽帆反射鏡放置到離地球350千米的太空中，反射太空中的陽光，先后照亮了里昂、日內瓦、伯爾尼、慕尼黑和俄羅斯北部地區的夜空。

這個太陽帆用鍍鋁塑料薄膜制成，塑料薄膜的厚度只有5微米(1微米是百萬分之一米)，這只太陽帆的重量只有26千克。這是人類第一次用太陽帆做實驗。這表明沒有推進器、不帶燃料的太陽帆宇宙飛船，在不久的將來將會飛向茫茫的太空。

神奇的“光鑷子”

令人感興趣的是，光壓不只是在宇航事業上大顯身手，在人們的日常生活和生產中也能派上用場。

大家知道，鑷子是用來夾小東西的工具。鐘表師傅擺弄手表元件，外科大夫和護士給病人上藥及換藥，都會用到鑷子。常用的鑷子是用金屬或竹子做成的，它們給人類的生產和生活幫了不少忙。可是它們的能力都是有限的，一些體積很小的物體，用一般的鑷子是無法夾起來的。科學家們經過不斷努力。發明了由一種光束操縱的“光鑷子”。

光鑷子是用光束來夾東西的，它能夾住原子、分子、細胞和細菌等極微小的東西，彌補了普通鑷子的不足。光鑷子能夾住極微小的東西，是光壓作用的結果。

激光器發明以后，人們能夠獲得輸出光強極高的光束，觀察光壓力當然也就更方便了。用這樣的光束照射物體，對物體產生的壓強高達lO萬個大氣壓。用功率1瓦的激光束聚焦成直徑1微米，然后照到細胞上，可以在細胞上產生0．3克的力。這個力比細胞本身的重力大一百倍。因此，這束光有足夠大的力量來移動或夾住這個細胞。

科學家現在可以用一束氬離子激光束和一束氮氖激光束做成的光鑷子捕捉、移動、轉動長度從O．5微米到1．5微米的細胞。科學家預言，這種光鑷子在生物學、醫學、原子物理學和分子物理學中將發揮十分重要的作用。

(責任編輯楊劍鳴)