14、量子光学与原子光学的新进展：腔光力学的探索

量子光学与原子光学的新进展：腔光力学的探索

1. 光的力学效应

光作为一种电磁波，当它照射到物体上时，除了其携带的电磁场对物体内部电荷施加洛伦兹力外，还存在一种直接的压力效应，这就是辐射压力。它由光子的动量产生。以太阳光为例，到达地球后的功率强度约为1.5kW/m²，即便完全转化为辐射压力，也仅为10⁻⁵Pa，远低于标准大气压（10⁵Pa），因此在日常生活中不易察觉。

然而，在真空中，尤其是靠近太阳的外层空间，辐射压力的效果就十分明显。四百年前，开普勒认为彗星的细长尾巴是被“太阳风”吹动的，并提出飞行器可以借助“太阳风”在星际间航行。如今科学研究证明，所谓的“太阳风”实际上就是太阳光的辐射压力效应。美国国家航空航天局等研究机构已在小型无人驾驶航天器上实现了开普勒的设想，他们设计了“太阳帆”来收集辐射压力推动飞行器。在地球附近的太空，面积为1km²的“太阳帆”能使1kg的物体获得约9m/s²的加速度，足以抵抗地球引力。随着飞行器靠近太阳，辐射压力的效果会愈发显著，最终可达到普通火箭速度的五倍。更重要的是，“太阳帆”能让飞行器借助任何恒星的能量在星系间航行，这是人类目前使用传统动力无法实现的。

最早对光会对其照射的物体施加力进行理论预测的是电磁理论的构建者詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831 - 1879）和意大利科学家阿道夫·巴托利（1851 - 1896），因此辐射压力也被称为麦克斯韦 - 巴托利压力，其压力强度与光强度成正比，与光速成反比，即$P = I/c$。由于当时工程水平较低，直到20年后，俄国科学家彼得·列别捷夫以及两位美国科学家欧内斯特·福克斯·尼科尔斯和戈登·费里·赫尔才分别进行了实验验证。

在激光发明之前，由于自然光的辐射压力效应太弱，很难对光力