真偽“光壓風車”之辨析

胡 濱 陳 杰

（中國科學技術館 北京 100012）

潘 瑋 薛 海

（北京櫻寧儀器設備研究所 北京 100085）

1 引言

“光壓風車”（圖1）在全國范圍內的科技館或科普大篷車里是一種很常見的展品，廣受觀眾的喜愛和好評；展品不僅結構簡單、造價低廉而且十分耐用.隨著“光壓風車”展品影響的不斷擴大，許多中學在物理教學中也采用此展品作為教學器具，用于演示光的粒子性.更有有人瞄準商機，把它做成了科普商品.總之，目前所能見到的“光壓風車”展品在外形、結構設計以及產生的現象上幾乎一模一樣.但是，就是這樣一個日趨成熟、影響頗深的展品對廣大觀眾產生的效果卻是一種誤導.實際上，這種“光壓風車”的本質不是真正的光壓產生動力使葉片轉動，而是一個“克魯克斯輻射計”.

圖1 克魯克斯輻射計

中國科技館新館在內容建設過程中，一直致力于光壓演示展品的研究和開發.目前新館展出的名為“太陽帆”的展品成功實現了真正的展示光壓現象，這是科普界第一次以互動展品的形式展示真正的“光壓風車”，而不是“克魯克斯輻射計”.人們很容易把這兩者混淆，現對兩者進行辨析，以正視聽.

2 什么是光壓

既然叫“光壓風車”，顧名思義先要明確什么是光壓.光對被照射物體單位面積上所施加的壓力叫做光壓，也稱為輻射壓強.經典電磁理論和量子理論都指出，當物體完全吸收正入射的光輻射時，光壓等于光波的能量密度；若物體是完全反射體，則光壓等于光波能量密度的2倍.麥克斯韋依據經典電磁理論首先指出了光壓的存在.光壓的存在說明了電磁波具有動量，因而是電磁場物質性的有力證明.愛因斯坦光子假設又進一步說明了光壓存在的合理性.

按照光子說的觀點，光壓是光子把它的動量傳遞給物體的結果.設頻率為ν的單色光，每秒垂直入射到物體表面每平方米上的能量為E，則每秒垂直入射到物體表面每平方米上的光子數為.因為每一個光子具有動量當光子被物體所吸收時，每個光子傳遞給物體的動量為如果入射光子全部被物體所吸收，則物體表面每平方米在每秒內所獲得的動量應等于.物體表面每平方米在每秒內所獲得的動量，即光作用在這個面上的光壓為.當光子被物體所反射時，光子的動量則每個光子傳遞給物體的動量為如果入射光子全部被物體反射，則作用在物體表面上的光壓為

關于光有壓力的探索最早可以追溯到17世紀，1619年開普勒猜測彗星的尾巴之所以背向太陽，是因為存在一種“太陽風”將其吹開.現在知道導致彗尾背向太陽的原因主要是陽光的壓力.所以開普勒的猜想可以作為第一個牽涉到光壓領域的論述.后來牛頓主張的光微粒說則很自然地也引進了光壓的概念，但隨著“光是一種電磁波”概念的普及，光壓也就失去了生存的空間.即使如此，仍舊有眾多實驗物理學家試圖以實驗證明光具有壓力.

為了證實光壓的存在，不少物理學工作者都撲到這項科學研究上來.1901年，俄國物理學家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫（Peter Nikolaievich Lebedev，l866～1911）設計了一個實驗，首次發現光壓，并發表了《光壓的實驗研究》，證明了光的粒子性.繼此之后，美國物理學家尼科爾斯（E.F.Nichols）和哈爾（G.F.Hull）也分別用精密實驗測定了光的壓力.

3 展品現象與原理的辨析

明確光壓的概念和定義之后，我們就要對這兩種“光壓風車”展品進行現象與原理的辨析，以使真相浮出水面.首先，兩者的組成結構相似，都是由一個球泡和一個光源發射器組成.表面上看好像差不多，但是實際上差異很大.先從結構上做一個對比，如表1.

表1 結構對比表

克魯克斯輻射計是英國物理學家、化學家克魯克斯（William Crookes）于1875年發明的.它是一個裝在抽為半真空的玻璃容器中的位于針尖上的葉輪.每個葉片的同一面被涂黑，另一面為亮白色.在有陽光或其他輻射的情況下，葉片即開始穩定地轉動.當時克魯克斯誤認為造成葉輪轉動的原因是光壓，然而，實際上只是分子動理論的一個證據.

其實，克魯克斯輻射計葉片轉動的原理是氣體壓強差.把克魯克斯輻射計放在燈光下，葉輪就開始轉動.葉輪總是按葉片黑的一面向白的一面轉，而不可能相反.其解釋是由于吸收了熱輻射，葉片黑色一面溫度較白色一面高.由于葉片對其表面附近的氣體分子（因為玻璃容器中還殘存有氣體）加熱，使黑色表面附近的氣體溫度比白色表面附近的氣體溫度高，因此，玻璃容器中的殘存氣體對黑面的壓強比對白面的壓強較大，這個壓強差就使克魯克斯輻射計的葉片黑的一面向白的一面轉動.實驗證明，繼續提高抽真空度，導致黑白兩面的氣體壓強差太小，所以到一定程度葉片也不會再轉了.當然，由于分子的這種碰撞力很小，所以如果不抽真空，由于阻力較大，也將看不到葉輪旋轉.迄今為止，中學物理實驗室和科普界的一些人士還把該實驗作為演示光壓的實驗.所以才造成目前把“克魯克斯輻射計”當作“光壓風車”盛行的局面.在通常情況下，光壓極小而且難以觀測，歷史上第一次在實驗室中發現光壓的列別捷夫實驗裝置和實驗方法相當復雜和精細.現介紹的真正的“光壓風車”展品不是力圖還原當年列別捷夫的實驗，而是在于利用互動展品的形式讓觀眾能夠看到真實的光壓演示.

光壓的測量是很困難的，因為在通常的實驗條件下，光壓只有10－6～10－7N·m－2.而“輻射計效應”是在測量光壓中發現的，其效應可以比光壓大幾十萬倍.在實驗中，光壓與“輻射計效應”同時出現.因此，要真正演示出光壓，必須消除“輻射計效應”.產生“輻射計效應”的原因主要有兩個：

（1）在真空室中由于溫度不均勻而引起的剩余氣體的對流作用；

（2）光照射面與背光面的溫度差而引起的稀薄氣體分子的熱運動壓力差.

那么，針對這些原因，我們對應消除“輻射計效應”的方法是：

（1）提高真空室中的真空度以減小對流作用，直到對流作用可以忽略不計；

（2）吸光板與反光板做得愈薄愈好，以使其兩面的溫度差減小.

圖2 正在抽真空的光壓風輪

經過這些認真研究和思考之后，我們在制作真正的“光壓風車”展品的時候，攻克了“微小阻力針尖”、“云母鍍膜”以及“抽高真空度”（圖2）等一系列技術難題.為了適應科技館展品要求，這臺展品采用調制電路自動調節固體激光器的功率，當葉片轉動起來之后功率自動減少，既可以節能又可以保護參觀者的眼睛.此展品由觀眾按動電鈕，使激光器發射激光作用于葉片上，葉片受光壓的作用發生轉動，從而直接觀察光壓的存在.在一般情況下，當物體表面的反射系數為ρ時，則在每秒內入射的全部N個光子中，有（1－ρ）N個被吸收而ρN個被反射，所以作用于物體表面上的光壓為

圖3 激光器發出的激光光壓打動光壓風輪轉動

真正的“光壓風車”容器內真空度很高，氣體分子幾乎不存在，氣體壓強差對葉片的作用也幾乎不存在.當激光照射到葉片上時，打在葉片黑色面的光子幾乎被完全吸收，光子的動量p減為零.而打在葉片白色面的光子幾乎原速率反彈回去，光子的動量p變為－p.由于打在葉片白色面的光子動量大于黑面，即光子對葉片白面的光壓大于黑面，其綜合效果就是葉片白面推著黑面旋轉.這里葉片的旋轉機理是光壓（圖3），故取名“光壓風車”，也是真正的光壓演示設備.必須指出，葉片受光壓的作用發生轉動，與克魯斯克輻射計的轉向完全相反.

經過以上剖析，把兩種展品的現象與原理做一個對比（表2），可一目了然 ：這兩者是截然不同的展品，表達的也是相差甚遠的科學概念.

表2 兩種展品的現象與原理對比

4 結論

（1）光壓的存在是麥克斯韋電磁波理論的推論之一，而光的粒子理論也能對光壓有圓滿的定量解釋.通過光壓風車，說明了光的粒子性，讓觀眾直接觀察光壓的存在.因此，光壓演示展品將有助于觀眾深刻理解光的波粒二象性.

（2）光壓與“輻射計效應”同時出現，在制作“光壓風車”展品的時候要著重考慮如何消除“輻射計效應”，使展品真正表達的是光壓的科學概念.

（3）通過真偽“光壓風車”的辨析，讓科普工作者意識到科普展品應該更加嚴謹，在傳播科學知識的同時應該把科學概念界定得很清晰，以免觀眾受其誤導.

1 母國光，戰元令.光學.北京：人民教育出版社，1978

2 Γ·C·蘭斯別爾格著.楊霞蓀，張之翔譯.光學.北京：人民教育出版社，1957

3 王瑞敏.光壓效應及其應用.現代物理知識，2002

4 頡廷祿.真空中“輻射計效應”形成原因及消除辦法.甘肅工業大學學報，1992，18（3）

5 鄭華熾.П·Н·列捷夫的光壓實驗.物理，1956

6 施堅.“光壓”及其應用.科學大眾，2009

7 鄭好望，肖勝利，梁紅軍.光壓與光壓推進.現代物理知識，2006

8 列別捷夫.關于光的壓力的研究.物理年報，1901（6）：433～458

9 列別捷夫.在氣體上光的壓力.物理年報，1910（32）：411～437

10 姜錦龍，任偉德.克魯克斯輻射計及其應用.教學儀器與試驗，2007