【腦洞系列】光子的速度那麼快,為什麼我們卻感覺不到光子的衝擊力?

光子在我們的身邊可以說是無處不在,我們能夠看到這個世界,其實就是因為我們的視覺系統一直在接收外界光子所攜帶的資訊,換個角度來講就是,我們幾乎每時每刻都在被光子擊中。

光子在真空中的速度高達299792458千米/秒,以這樣的速度,1秒鐘的時間就可以圍繞著地球赤道跑大約7圈半,事實上,光子的速度已達到宇宙極限,宇宙中任何有靜止質量的物體都不可能超過這種速度。

而據我們所知,在其它條件不變的情況下,一個物體的運動速度越快,它撞擊時產生的衝擊力就越大,所以我們就有了一個問題。

光子的速度那麼快,為什麼我們卻感覺不到光子的衝擊力呢?

對於這個問題,一個常見的解釋就是,因為光子沒有質量,所以不會產生衝擊力。然而這種解釋其實是不太正確的,因為在相對論的體系中,光子並不是沒有質量,它們只是沒有「靜止質量」。既然光子有質量,那麼光子就會產生衝擊力,那麼一個光子產生的衝擊力有多大呢?

太陽是地球上最大的光子來源,如上圖所示,太陽釋放的光子大多數都集中在可見光的范圍內,因此我們不妨以可見光的光子為例來簡單計算一下。

光子的能量的計算公式為「E = hf」(h為普朗克常量,約為6.63 x 10^(-34)J·s,f為光的頻率),可見光的頻率380~750THz之間,這裡取個平均值565THz,即5.65 x 10^14Hz,據此我們可以得出,一個可見光的光子的能量約為3.75 x 10^(-19)J。

根據相對論中的質能方程式,光子的質量可以通過「m = E/c^2」計算(E和c分別代表光子的能量和光速常量),據此我們可以得出,該光子質量約為4.17 x 10^(-36)kg。

在牛頓經典力學中,運動物體的動量可由「p = mv」得出,其造成的衝擊力可用「F = Δp/Δt」進行計算(Δp為動量的變化量,Δt為衝擊過程經歷的時間)。

這裡假設光子擊中我們的時候被吸收了(沒有反射),再將Δt設定為電磁相互作用的典型時間「10^(-16)秒」,經過計算後我們就可以得出,一個可見光的光子對我們的衝擊力約為1.25 x 10^(-11)牛頓,直觀點來看就是:0.0000000000125牛頓。

很明顯,我們對這麼小的衝擊力根本就不可能有什麼感覺。當然了,每一束光線都擁有大量的光子,儘管單個光子的衝擊力微乎其微,但大量光子的「群體力量」還是可以在巨觀世界中體現出來,這種現象被稱為「光壓」。

早在17世紀初,天文學家開普勒就提出了「光壓」的概念,他認為光束照射在物體表面時,會產生一定程度的「壓力」,1871年,物理學家麥克斯韋根據電磁理論推導出了「光壓」的存在,而1901年,物理學家列別捷夫首次在實驗中測量出了「光壓」。

既然太陽是地球上最大的光子來源,那太陽光給在地球上的我們造成的「光壓」有多大呢?其實這也是可以計算的。

「光壓」的計算公式為「P=I(1+R)/c」(I為光束在單位面積上的輻射強度,R為物體表面的反射率,范圍在0至1之間,c為光速常量)。

測量資料顯示,地球軌道上的太陽平均輻射強度約為1370W/平方公尺,據此我們可以得出,我們在地球上受到的來自太陽光的「光壓」大約在0.00000457牛頓/平方公尺至0.00000914牛頓/平方公尺之間(注:這裡忽略了地球大氣層的影響)。

可以看到,雖然光子的速度已達到宇宙極限,但因為光子的衝擊力實在太小,就算是強大的太陽光,其產生的衝擊力也是非常微小的,以至於我們根本就感覺不到。

尾聲

值得一提的是,儘管光子的衝擊力極為微弱,但是在沒有空氣阻力存在、又幾乎沒有重力影響的太空中,這種力就可以發揮作用了。

其實早已有人提出了「太陽帆」技術,簡單來講,該技術就是在太空船上安裝上巨大的薄膜鏡片,然後將太陽光在薄膜鏡片造成的衝擊力作為前進的動力。就目前來看,「太陽帆」技術已得到初步驗證,因此有不少科學家都樂觀地認為,在技術成熟之後,「太陽帆」完全可以為人類未來的星際旅行提供動力。

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