可见光 光子的速度那么快,为什么我们却感觉不到光子的冲击力?


可见光 光子的速度那么快,为什么我们却感觉不到光子的冲击力?
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光子在我们的身边可以说是无处不在 , 我们能够看到这个世界 , 其实就是因为我们的视觉系统一直在接收外界光子所携带的信息 , 换个角度来讲就是 , 我们几乎每时每刻都在被光子击中 。
光子在真空中的速度高达299792458千米/秒 , 以这样的速度 , 1秒钟的时间就可以围绕着地球赤道跑大约7圈半 , 事实上 , 光子的速度已达到宇宙极限 , 宇宙中任何有静止质量的物体都不可能超过这种速度 。
而据我们所知 , 在其它条件不变的情况下 , 一个物体的运动速度越快 , 它撞击时产生的冲击力就越大 , 所以我们就有了一个问题 。
光子的速度那么快 , 为什么我们却感觉不到光子的冲击力呢?对于这个问题 , 一个常见的解释就是 , 因为光子没有质量 , 所以不会产生冲击力 。 然而这种解释其实是不太正确的 , 因为在相对论的体系中 , 光子并不是没有质量 , 它们只是没有“静止质量” 。 既然光子有质量 , 那么光子就会产生冲击力 , 那么一个光子产生的冲击力有多大呢?
太阳是地球上最大的光子来源 , 如上图所示 , 太阳释放的光子大多数都集中在可见光的范围内 , 因此我们不妨以可见光的光子为例来简单计算一下 。
光子的能量的计算公式为“E = hf”(h为普朗克常量 , 约为6.63 x 10^(-34)J·s , f为光的频率) , 可见光的频率380~750THz之间 , 这里取个平均值565THz , 即5.65 x 10^14Hz , 据此我们可以得出 , 一个可见光的光子的能量约为3.75 x 10^(-19)J 。
根据相对论中的质能方程式 , 光子的质量可以通过“m = E/c^2”计算(E和c分别代表光子的能量和光速常量) , 据此我们可以得出 , 该光子质量约为4.17 x 10^(-36)kg 。
在牛顿经典力学中 , 运动物体的动量可由“p = mv”得出 , 其造成的冲击力可用“F = Δp/Δt”进行计算(Δp为动量的变化量 , Δt为冲击过程经历的时间) 。
这里假设光子击中我们的时候被吸收了(没有反射) , 再将Δt设定为电磁相互作用的典型时间“10^(-16)秒” , 经过计算后我们就可以得出 , 一个可见光的光子对我们的冲击力约为1.25 x 10^(-11)牛顿 , 直观点来看就是:0.0000000000125牛顿 。
很明显 , 我们对这么小的冲击力根本就不可能有什么感觉 。 当然了 , 每一束光线都拥有大量的光子 , 尽管单个光子的冲击力微乎其微 , 但大量光子的“群体力量”还是可以在宏观世界中体现出来 , 这种现象被称为“光压” 。
早在17世纪初 , 天文学家开普勒就提出了“光压”的概念 , 他认为光束照射在物体表面时 , 会产生一定程度的“压力” , 1871年 , 物理学家麦克斯韦根据电磁理论推导出了“光压”的存在 , 而1901年 , 物理学家列别捷夫首次在实验中测量出了“光压” 。
既然太阳是地球上最大的光子来源 , 那太阳光给在地球上的我们造成的“光压”有多大呢?其实这也是可以计算的 。
“光压”的计算公式为“P=I(1+R)/c”(I为光束在单位面积上的辐射强度 , R为物体表面的反射率 , 范围在0至1之间 , c为光速常量) 。
测量数据显示 , 地球轨道上的太阳平均辐射强度约为1370W/平方米 , 据此我们可以得出 , 我们在地球上受到的来自太阳光的“光压”大约在0.00000457牛顿/平方米至0.00000914牛顿/平方米之间(注:这里忽略了地球大气层的影响) 。
可以看到 , 虽然光子的速度已达到宇宙极限 , 但因为光子的冲击力实在太小 , 就算是强大的太阳光 , 其产生的冲击力也是非常微小的 , 以至于我们根本就感觉不到 。
尾声值得一提的是 , 尽管光子的冲击力极为微弱 , 但是在没有空气阻力存在、又几乎没有重力影响的太空中 , 这种力就可以发挥作用了 。
其实早已有人提出了“太阳帆”技术 , 简单来讲 , 该技术就是在宇宙飞船上安装上巨大的薄膜镜片 , 然后将太阳光在薄膜镜片造成的冲击力作为前进的动力 。 就目前来看 , “太阳帆”技术已得到初步验证 , 因此有不少科学家都乐观地认为 , 在技术成熟之后 , “太阳帆”完全可以为人类未来的星际旅行提供动力 。

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