新研究首次演示了當光撞擊液面時，介質表面會向內彎曲，這表明光會產生推力，與亞伯拉罕的理論一致。
100多年來，科學家一直在爭論一個問題：當光通過一種介質，比如油或水，它會牽拉或推動這種介質嗎？雖然大多數實驗發(fā)現光可產生推拉力，但一直沒有證據對此充分加以證明。
現在，以色列魏茨曼科學研究所和中國中山大學的一個聯合研究團隊第一次找到了光施加推拉力的證據，光和流體介質之間的相互作用說明：如果光可以使流體運動，它施加了一個推力；如果不是，它施加了一個拉力。該研究成果刊登在近期《新物理學》雜志上。
推壓還是牽拉
從歷史的脈絡來看，對于光壓的性質和動量的辯論，要追溯到1908年。當時四維時空理論的創(chuàng)立者、數學家赫爾曼·閔可夫斯基（曾是著名物理學家愛因斯坦的老師）預測光可施加一個牽拉力。而1909年，物理學家馬克斯·亞伯拉罕的預測則正相反，他認為光施加的是一個推力。
究竟是亞伯拉罕對，還是閔可夫斯基有道理？對于光在物質中的動量問題，科學家爭論了一個多世紀。
該聯合研究小組的研究人員說:“我們發(fā)現，光的動量不是一個基本量，它是光與物質之間相互作用的結果，而其性質主要取決于光移動物質的能力。如果物質不動，就是閔可夫斯基說的情況；如果物質移動，那么就是亞伯拉罕所言的狀況。而這在以前是不能被理解的。”
據物理學家組織網近日報道，研究人員證明的方式是，通過一束光照射液體表面，看液體表面是上升還是下降的實驗來區(qū)分這兩種不同類型的壓力。
如果液體表面隆起，那么是光在拉動液體，與閔可夫斯基的理論一致；如果液體表面凹陷，則是光在推動液體，與亞伯拉罕的理論一致。這兩個理論的預測在空無一物的空間（折射率為1）是一致的，而在折射率大于1的任何介質里則不同。
光在起初有動力
在新研究中，科學家發(fā)現，采用較寬的光束和一個比較大的容器，光會產生推力，使介質表面向內彎曲。研究人員在具有不同折射率的水和油中展示了這種推力，這與亞伯拉罕的理論一致。
而在以前的實驗中，研究人員發(fā)現光具有牽拉力。當時他們使用的光束較窄，容器也更小。此次，研究人員對原有實驗進行了改進，使用更窄的光束，同樣顯示出牽引力，與先前的研究結果一致。這表明力的性質不僅取決于光，還與流體有關。
為什么光會有動量？研究人員解釋說，光的動量與其能量略有不同，可以理解為一種壓力引起的運動，類似于打斯諾克臺球。在臺球游戲中，球員擊打一個球，隨后這個球去碰擊另一個球，產生連續(xù)撞擊，是球員最初擊球產生的動量造成了所有球的運動。光也會像臺球一樣擊打所觸及的物質，只不過這些擊打力度是極其微小的。
然而，在某些情況下，光的擊打會產生引人注目的效果，彗尾就是一個典型的例子。很久以前，天文學家約翰尼斯·開普勒就推測，彗星的尾巴是由光推移彗星上的物質造成的。我們現在知道他所言僅部分正確，太陽風是彗尾形成的另一個因素。
用光動量開發(fā)應用程序
研究人員稱，只有在光不完全被介質反射，至少有部分通過這個介質的情況下，爭論光的動量的推與拉的性質才有意義。“如果光線被完全反射，如照射在鏡子上或彗星塵埃顆粒上，則不會有光動量的概念問題，因為入射光和反射光的動量很簡單地平衡了。但如有部分光透射到物質中，則問題來了，透射光會影響動量的凈平衡。亞伯拉罕理論中的動量失衡導致光的推力，閔可夫斯基的理論中則是牽拉力。”
這一發(fā)現無論在理論上還是實踐上都有重要意義。從理論上說，研究結果可以幫助科學家更好地理解光的性質。科學家們很早就知道光具有能量和動量，他們通過普朗克常數和光波頻率來量化光的能量，但卻難以對光的動量進行描述。當介質的折射率增加時，光的動量會增加或減少嗎？研究結果表明，答案取決于光線是否可以使流體運動：如果可以，光的動量減小，表現為亞伯拉罕理論中的推力；否則，光的動量增加，則會產生閔可夫斯基理論中的拉力。
而在實踐中，這種區(qū)別也被證明是非常有用的，科學家們已開始著手開發(fā)應用程序，以利用光的動量。例如慣性約束聚變，即利用光的動量點燃核聚變；物理學家也可以利用光和偏轉反射鏡之間的動量交換來冷卻反射鏡，使其達到量子力學的基態(tài)；在生物醫(yī)學和納米工程應用方面，光動量也有用武之地，如光學鑷子，就是采用光學操縱技術，利用光的微弱壓力來操控細胞。研究人員希望今后能夠更好地理解光的動量性質，以推動這些領域的發(fā)展。
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