光壓驅(qū)動(dòng)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景探究

計(jì)杰+許宴銘+弋康月+張偉德+王袆+張振

摘 要：為了對(duì)光壓驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景進(jìn)行探究，我們采用了線上線下調(diào)研、對(duì)各種數(shù)據(jù)以及論文結(jié)果的分析以及總結(jié)的方式進(jìn)行探究。探究結(jié)果表明：當(dāng)前科技水平下，實(shí)現(xiàn)宏觀狀態(tài)下的光壓驅(qū)動(dòng)還很困難，目前可能性最高的是將其應(yīng)用在航天領(lǐng)域；目前網(wǎng)絡(luò)以及眾多論文對(duì)光壓驅(qū)動(dòng)的言論都有失嚴(yán)謹(jǐn)，可信度不高。科學(xué)應(yīng)該嚴(yán)謹(jǐn)，我們需要在諸多言論中取其精華，去其糟粕理性去研究；對(duì)光壓驅(qū)動(dòng)的可行性人類正在探索，過(guò)于肯定的言論是一種不負(fù)責(zé)任的行為。

關(guān)鍵詞：光壓；黑科技；光壓驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TN256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0161-02

Abstract： In order to explore the current situation and application prospect of photo-pressure drive， we use the methods of line and offline research， analysis and summary of various data and the results of the paper. The results show that at present， it is very difficult to realize the light pressure driving in the macroscopic state， and what is the most possible is to apply it in the space field. At present， the network and many papers on the photo-pressure driven comments are not rigorous， credibility is not high. Science should be rigorous， so we need to take the essence of a lot of speech and study the dross rationally； human beings are exploring the feasibility of photo-pressure driving. Any too assertive speech is an irresponsible behavior.

Keywords： light pressure； futuristic tech； photovoltage drive

光壓相信很多人都沒(méi)有聽(tīng)過(guò)，但是它卻是現(xiàn)在世界上很多前沿的科學(xué)家們?cè)谘芯康囊环N現(xiàn)象，那么，究竟光壓是什么樣的一種現(xiàn)象呢？這種現(xiàn)象對(duì)于我們的生活又會(huì)有什么樣的影響呢？我們不妨帶著這些問(wèn)題，先來(lái)看一些有趣的現(xiàn)象。

彗星在扁長(zhǎng)的軌道上繞太陽(yáng)運(yùn)行，彗尾由極稀薄的氣體和塵埃組成，形狀像掃帚。隨著理論物理進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)現(xiàn)一種由太陽(yáng)光施于彗星的作用，就是太陽(yáng)輻射壓力。彗尾中的微小顆粒受到這種壓力的作用，使得彗尾的方向一般總是背著太陽(yáng)延伸，當(dāng)彗星接近太陽(yáng)時(shí)，彗尾總是拖在后邊，當(dāng)彗星離開太陽(yáng)遠(yuǎn)走時(shí)，彗尾又成為前導(dǎo)。光子具有動(dòng)質(zhì)量，所以當(dāng)光子大到物體表面就會(huì)產(chǎn)生沖力。如果物體完全吸收了正方向射來(lái)的光子，那么它會(huì)產(chǎn)生一定的沖力，不過(guò)這個(gè)力十分微弱，但是如果它可以反射正方向的全部光線的話，那么就會(huì)產(chǎn)生雙倍的沖力。盡管如此，光壓效果還是很微弱，所以人類對(duì)它的應(yīng)用方面的研究成果很少。當(dāng)前，關(guān)于光壓的應(yīng)用大概有以下幾種設(shè)想：

（1）利用光壓力來(lái)推動(dòng)宇宙光帆船，達(dá)到更遠(yuǎn)距離的宇宙航行。

（2）制作光壓風(fēng)車。

（3）光壓驅(qū)動(dòng)納米機(jī)械。

大部分設(shè)想都是將光壓推進(jìn)應(yīng)用在航天領(lǐng)域中，以達(dá)到更加節(jié)能持久的航天航行，也有利于我們對(duì)宇宙進(jìn)行更加深廣的探索。那么對(duì)于是否能夠?qū)崿F(xiàn)光壓驅(qū)動(dòng)各方面的觀點(diǎn)是怎樣的呢？

支持方觀點(diǎn)：

支持方主要是以南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授及其團(tuán)體為代表，發(fā)文稱他們的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。這種材料可在包括太陽(yáng)光在內(nèi)的各種光源照射下驅(qū)動(dòng)飛行，其獲得的驅(qū)動(dòng)力是傳統(tǒng)光壓的1000倍以上，籍此提出了“光動(dòng)”飛行或?qū)⒊蔀榭赡艿挠^點(diǎn)。

陳永勝說(shuō)，這一性質(zhì)是由于石墨烯本身的電子性質(zhì)以及這一材料特殊的宏觀形貌結(jié)構(gòu)綜合形成的。宏觀上這一材料可以看做是由無(wú)數(shù)個(gè)相互電子獨(dú)立的石墨烯片通過(guò)化學(xué)交聯(lián)構(gòu)成，因此總體來(lái)說(shuō)，無(wú)數(shù)個(gè)石墨烯發(fā)射電子產(chǎn)生的微小動(dòng)力的和就可觀測(cè)到光驅(qū)動(dòng)性能，這完全不同于傳統(tǒng)的化學(xué)火箭。

研究人員介紹，實(shí)驗(yàn)所用光源都較弱，如普通激光、氙燈等，室外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光同樣可以驅(qū)動(dòng)這種石墨烯材料移動(dòng)，也就是說(shuō)對(duì)驅(qū)動(dòng)光源的并無(wú)特殊要求，因此可以廣泛應(yīng)用。

“這是我們了解到的，迄今為止科學(xué)界第一次用光推動(dòng)一個(gè)宏觀物體并實(shí)現(xiàn)宏觀的驅(qū)動(dòng)。”陳永勝教授說(shuō)，通過(guò)定量測(cè)量，這種石墨烯材料在光照條件下產(chǎn)生的力是傳統(tǒng)光壓的千倍以上。通過(guò)計(jì)算，500公斤的負(fù)載，如果利用基于這種石墨烯材料制備的驅(qū)動(dòng)帆板，理論上獲得的驅(qū)動(dòng)力至少能使其達(dá)到0.09米每秒的加速度。（——以上內(nèi)容摘自《新華網(wǎng)》）

由文中介紹以及各界人士的反響來(lái)看，陳教授的觀點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)受到了一部分人的認(rèn)可和贊賞，對(duì)陳教授的《Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material》一文中對(duì)光壓在航天科技方面的應(yīng)用的展望表示認(rèn)可。

反方觀點(diǎn)：

……首先要說(shuō)的是，這里所說(shuō)的光驅(qū)動(dòng)和真正的光壓驅(qū)動(dòng)是兩碼事情。光壓是射在物體上的光所產(chǎn)生的壓強(qiáng)，也稱為輻射壓強(qiáng)，傳統(tǒng)上說(shuō)的光驅(qū)動(dòng)就是指利用太陽(yáng)帆等設(shè)備，收集太陽(yáng)光的光壓而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力。而這篇文章中所說(shuō)的光驅(qū)動(dòng)則是指光打在石墨烯上，然后激發(fā)出俄歇電子，反沖的電子對(duì)石墨烯產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力。這與傳統(tǒng)的光壓驅(qū)動(dòng)完全是兩碼事。endprint

……光不可能無(wú)限制地打出俄歇電子來(lái)，這種光驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象肯定會(huì)越來(lái)越弱的。

……結(jié)論太過(guò)離奇，違背基本物理原理。有基本物理知識(shí)的人，都不會(huì)相信電子發(fā)射驅(qū)動(dòng)能夠持續(xù)進(jìn)行。受到廣泛質(zhì)疑就是證據(jù)。

……作為一篇學(xué)術(shù)論文，如此重大的突破，在結(jié)論中不討論原理，而是討論偉大的應(yīng)用前景，如具體到多大的空間飛行器能夠獲得多大的加速度。這也是很奇怪的……

……論文的聯(lián)系作者和創(chuàng)意人陳永勝教授是化學(xué)家，但是化學(xué)家也應(yīng)該具備基本的物理知識(shí)，“動(dòng)能相等”無(wú)法理解。（——以上內(nèi)容摘自《知乎網(wǎng)》）

在很多學(xué)者眼中，這篇文章有很多漏洞，甚至有學(xué)者要求主動(dòng)撤稿。可見(jiàn)，在光壓驅(qū)動(dòng)是否切實(shí)可行方面還存在很大爭(zhēng)議。

其實(shí)在我們?cè)谶@場(chǎng)“風(fēng)波”這么久之后，以旁觀者的身份再去分析觀察，可以得出，爭(zhēng)論雙方在觀點(diǎn)和結(jié)論上都有些片面。陳教授避重就輕，闡述含糊不清；而反方的只是一味地指出自己認(rèn)為的不合理的地方，卻沒(méi)與對(duì)“俄歇電子”驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用前景進(jìn)行評(píng)估；我們不要盲目追捧，也不要矯枉過(guò)正，更不可以偏概全。

目前市面上有很多聲稱制作的光壓風(fēng)車裝置，是一種由玻璃罩體內(nèi)裝有黑、白亮色葉片組成的風(fēng)車。其設(shè)計(jì)原理如下：首先我們認(rèn)為風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)是由于“光壓”產(chǎn)生的。那么強(qiáng)光照射到這些玻璃罩層內(nèi)的黑、白葉片上，由于光粒子對(duì)葉片產(chǎn)生的光壓差作用，把光能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)。白色那面光子被反射，光子動(dòng)量變化為，ΔP=-mc-mc=-2mc=-2hν/c，黑色那面光子被吸收，光子動(dòng)量變化量為：ΔP=0-mc=-mc=-hν/c，根據(jù)動(dòng)量守恒定理，白色那邊風(fēng)扇頁(yè)的動(dòng)量增加的動(dòng)量要比黑色那邊的多，風(fēng)車應(yīng)該是黑色那面向前，白色面向后的轉(zhuǎn)動(dòng)方式。

可實(shí)際上轉(zhuǎn)動(dòng)方向與預(yù)期的方向完全相反，由此可見(jiàn)，這樣子的風(fēng)車并不是利用了光壓原理中的“光壓差”來(lái)進(jìn)行推動(dòng)風(fēng)車扇葉，所以不能稱之為光能風(fēng)車。

經(jīng)過(guò)觀查，給風(fēng)車提供光照的光源為大功率的白熾燈，輻射大量的紅外線成分。涂成黑色和白色的兩面對(duì)紅外線的吸收能力不同，黑色的吸收能強(qiáng)，白色的吸收能力弱。而紅外線在被吸收后，會(huì)產(chǎn)生熱。而且上述的光能風(fēng)車設(shè)備中，所謂的真空玻璃瓶并不是真的絕對(duì)真空。設(shè)備只是具有一定的真空度，但其實(shí)還是有少量空氣殘留在玻璃瓶?jī)?nèi)的。因此，黑色葉片吸收的紅外線多，溫度升得快，周圍的空氣膨脹速度快，空氣膨脹對(duì)葉片產(chǎn)生推動(dòng)力，黑色葉片向后轉(zhuǎn)。而在理論上因熱輻射所引起的風(fēng)車扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與實(shí)際觀察到的方向一致。可見(jiàn)這一所謂的“光壓風(fēng)車”并不是真正的光壓風(fēng)車，它叫做“熱風(fēng)車”會(huì)更貼切。

對(duì)此，我們?cè)诮?jīng)過(guò)長(zhǎng)期探究之后提出了數(shù)條理論上的方案來(lái)對(duì)光能風(fēng)車進(jìn)行優(yōu)化，減少其熱作用，使其向“光能風(fēng)車”的方向靠攏，從而更具有科學(xué)性。

優(yōu)化方案：

（1）在制作風(fēng)車扇葉時(shí)，使用輕型導(dǎo)電材料，如此便于扇葉連接導(dǎo)線補(bǔ)充電子。

（2）采用反光率更高的材料制作扇頁(yè)，從而獲得更多因光子碰撞產(chǎn)生的沖力。

（3）增大真空度，從而進(jìn)一步減小空氣熱傳導(dǎo)和空氣阻力對(duì)光壓作用測(cè)量產(chǎn)生的影響。

（4）因?yàn)楣鈮毫芪⑷酰y以在宏觀狀態(tài)下觀察到，所以我們可以繼續(xù)減小裝置的尺寸。

（5）使用始終正對(duì)扇面的強(qiáng)光源，持續(xù)對(duì)裝置輸送能量。

（6）可以考慮利用楞次定律實(shí)現(xiàn)裝置的磁懸浮，從而減少重力的影響。

（7）在裝置連接處可采用較為光滑的材料和潤(rùn)滑技

術(shù)，并且同時(shí)減少軸之間的接觸面積，以此減少摩擦力對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。

準(zhǔn)確的說(shuō)，以上所有的改進(jìn)方案并不能完全運(yùn)用光壓原理來(lái)推動(dòng)風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)法達(dá)到真正意義上的光能風(fēng)車的程度。但是在改進(jìn)下，可以極大地減少如熱傳遞、空氣阻力等各種對(duì)光壓作用有較大影響的因素。在改進(jìn)之后，熱風(fēng)車的主要驅(qū)動(dòng)方式將不再單單以“熱驅(qū)動(dòng)”占主導(dǎo)地位，而是將“光壓驅(qū)動(dòng)”放大后，實(shí)現(xiàn)的兩種驅(qū)動(dòng)方式并駕齊驅(qū)的一種模式。所以這時(shí)候稱之為“光能——熱風(fēng)車”，將更妥帖。

在這場(chǎng)“大戰(zhàn)”中，我們要取其精華，不僅要藉此讓“光壓”應(yīng)用的視野和思維更開闊，也要在合理可利用性上進(jìn)行深入討論。一方面我們?cè)谖磥?lái)的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行探索和假設(shè)，一方面可以在實(shí)際生活中嘗試去發(fā)現(xiàn)新的理論和概念，就像特殊的石墨烯中“俄歇電子”的應(yīng)用一樣；大膽假設(shè)，小心求證。如果科學(xué)界可以少一些無(wú)端的爭(zhēng)執(zhí)，而是大家在一個(gè)圈子里理性競(jìng)爭(zhēng)，互相協(xié)助，不僅“光壓驅(qū)動(dòng)”的問(wèn)題，還有未來(lái)可能的種種奇跡，我們都可以慢慢創(chuàng)造。

參考文獻(xiàn)：

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