【大学物理】真正的光速打脸是什么体验？（光速中的c是什么意思）

 

原标题：【大学物理】真正的光速打脸是什么体验？先来听知乎网友@阿拉斯加猫讲的一个故事话说他有一次乘高铁，见一大叔将一硕大的箱子放上了行李架，箱子的一大截超出在外有人建议他放到车厢两端专用位置，可大叔装作没听见。

车启动后不久，列车员过来劝他取下箱子，他不仅不配合，反而一阵狂吼：“你告诉我不放上面往哪放？我花了钱为什么就不能放这儿了？你说不安全就不安全了？你说会掉下来就会掉下来了？”就在此刻，只见那箱子默默地一点头，旋即飞身直下，正落上大叔那傲娇的脸，整个车厢陷入无声的世界。

以上就是“光速打脸”的一个优秀案例现实中，光速打脸通常用来描述某件事在极短的时间内出现了前后不一致的情况，且体验强烈之所以用光速来形容，当然是因为光很快嘛，所以在人们还没反应过来的时候，相反的结果就来了。

执行上面这次“光速打脸”行动的，只是一个自由下落的物体，虽然这打脸来得的确快，但速度比光速小多了，且体验的确很到位那么真正的光速打脸是什么体验呢？一大早，当你迎着朝阳去上学时，1.5亿公里之外的太阳正持续地对你光速打脸！但显然，你对此不会有任何感觉，无论你的皮肤感官如何敏锐。

但是，如果从科学上较真的话，既然光是一种在空间中的传播的物质——电磁波，那么理所当然地，它对所碰之物必然有力的作用！这种力被称作辐射压力（radiation pressure），也称光压（light pressure）。

我们都知道，光既是粒子也是波当光与物质作用时，光呈现粒子的特点在这种情况下，光产生压力似乎是理所当然的因为每个光子都携带能量和动量当光子射到物体表面时，类似于网球扔到墙上，必然产生撞击力大量的光子不断地撞击体现为一种平均压强。

为了让你看得更清楚，下面来计算一下设有频率为 的单色光垂直入射到界面上，根据爱因斯坦光量子概念，每个光子的能量和动量分别为 结合爱因斯坦质能关系 ，可得单个光子的动量为 设单位时间内，界面的单位面积上有 个光子入射，即光强为 由于每个光子被界面反射后，动量变为等大反向，故界面上 的面积上在 的时间内受到的冲量为 ，根据动量定理 故平均压力为 自然的，平均压强就是 。

以上就是根据光的粒子观点（光的量子理论）得到的光压公式那么，若从波的角度看待光呢？光压该如何解释？我们知道，波在传播的时候，不只能量被传送，动量也被传送由于动量在媒质中也是周期变化的，根据动量定理，这种变化的背后必然有力的作用，而力自然会导致压强嘛！。

就拿声波来说吧，相信很多人都听说过声压的说法当声波在空气中传播时，由于空气分子沿波线来回振动，导致气体密度发生周期变化，从而在大气压强上叠加一种周期变化的压强，它就是声压对于光来说，将其看作电磁波时，考虑到电磁波中的电场和磁场，若仔细分析介质中电子的受力情况，也会得到作用在单位表面上的压力，而它的时间平均就体现为一种平均压强。

下面来推导这个平均光压的表达式在开始之前，先讲一点电磁波的基础知识根据光的电磁波理论，当光沿某个方向行进时，电场和磁场两个矢量在垂直于光线的平面内振动，它们二者相互垂直且保持同步，以单色平面波为例二者幅度之间满足关系 。

光在传播时，它的能量密度 为 介质中的电磁波的传播速度，即光速 为 其中 和 分别是介质的磁导率和电容率若为真空，则速度即光速 =299,792,458米/秒在单位时间内，光穿过与传播方向垂直的单位面积的能量，即。

能流密度，也称为坡印廷矢量，它沿着光波传播方向，其表达式为 其中 为沿光行进方向的单位矢量基础知识讲完了，下面开始推导光压设光线沿 轴正向垂直入射介质表面，如下图所示，此时电场和磁场都与入射界面平行

假设某时刻，在界面处电场向上，而磁场沿纸面向外由于电子受到电场的作用向下运动，运动电荷受洛伦兹力 根据右手定则，该力正好沿光的行进方向，即垂直界面向内的方向，很多电子都受到类似的力，它们的总体就是界面受到的压力。

若某时刻，界面处的电场反向，电子速度反向，由于磁场也会同步反向，所以电子受到的洛伦兹力还是沿垂直界面向内的方向，依然使界面受到光压作用由于安培力实际上就是洛伦兹力，因此上述解释若用分析电流受到的安培力来代替，也一样得到界面受光压力的结论。

到这里，你可能意识到，对表面来说，光压的作用效果与你用手按压相比没什么两样——都会凹下去，但它的微观机制却是令你之前想不到的洛伦兹力！其实，这有什么奇怪的吗？真没什么奇怪的！因为日常生活中几乎所有的作用力（除了地球的引力之外，其实它根本就算不上一种力），本质上都是电磁作用嘛！

其实，大气压力也好，你用手摩擦桌子也好，你的屁股与凳子之间的压力也好，它们归根结蒂都是源于电磁相互作用的结果！而你知道，电磁相互作用总是按光速来进行的因此，也可以说，你每时每刻都在经历着光速打脸！不止是打脸，你与外界之间以及你的身体内部经历的一切活动，都是以光速打脸的速度来进行的。

不过，要根据电磁场理论具体计算这个光压就不是那么容易了，过程涉及电磁场的边值关系，坡印廷矢量与动量密度等一大堆知识这里不想涉及太复杂的计算，就简单的过一下，有兴趣可参看相关书籍电磁场在穿过介质分界面时，磁场强度沿界面的切向分量会发生突变，差值就是感应电流面密度 ，写出来就是 当光在界面上完全反射时，界面两侧的光刚好反向， ，边值关系退化为 由于它与磁场垂直，根据安培定律，受到的安培力大小为 根据 ，将 的实部代入即可得 这是安培力的瞬时值。

由于光的频率如此之高，一般只会看到压力的时间平均值，故将上式对一个周期求平均值得 根据前面提到的电场和磁场的幅度之间的关系，该值也就是 该力为作用在单位面积上的平均力，也就是平均压强，故光压的平均值为 大功告成！。

那么，这个值与前面按照光量子理论得到的结果是否一致呢？ 根据电磁波理论，电磁波的能流密度，即坡印廷矢量是能量密度 与电磁波的相速度 的乘积，即 它的平均值就是光强 ，代入电场和磁场的实部计算得 故得到 若为真空，则上式中的 和 分别变为 和 ，那这式子也就是 结论与光量子理论的完全一致！

因此，对光来说，它对反射面产生的压力，既可以根据传统的电磁波理论来得到，也可以根据爱因斯坦的光量子理论来得到，两种方式得到的最终结论是一致的上述计算，只考虑一种最简单的情况，即光正入射到界面且完全被反射，一般的情况比这稍微复杂一点点。

根据以上光压公式的计算结果，在一般情况下，光产生的辐射压力非常小例如考虑1W的入射光，计算得平均压强为 这个值简直不要太小，难怪光压很难被探测到因此，一般情况下人们根本觉察不到光的压力不过，当光强足够大时，反射面就会受到明显的压力，可通过特定的仪器测量。

一种典型的光压测量仪的基本构造如下图所示，当高能激光照射到镜子上时，镜子下方具有极高灵敏度的力学传感器就会给出压力变化值

下面的视频中，演示者用一种激光笔成功推动了细小的纸片在大自然中，源自恒星的超级强光可产生巨大的光压一些太空中的尘埃在受到这种强光照射时，将受到明显的推力，使之远离太阳例如彗星拖着的长尾巴为什么总是背对着太阳？。

就是由太阳辐射的压力所导致的。光压还可作为太空旅行的推动力，与风力推动类似，称之为太阳帆推进（solar-sail propulsion）技术。

虽然光的辐射力相对较低，但由于外太空没有空气阻力，长时间的积累会获得巨大的速度。因此，这种技术特别适用于在行星之间长距离飞行的小型探测器和卫星。

如上图所示，如果空间中形成一个低光压区域，那么可能会将微观粒子囚禁在这里这就是光压在实际应用中的一个典型的例子——光学镊子（optical tweezer）现在，光学镊子已成为一种操纵原子、分子和生物细胞的常用工具。

顺便说一下，光学镊子由2018年诺贝尔物理奖获得者、美国物理学家阿斯金（Arthur Ashkin）在1986年发明他获得诺奖时年96岁，曾是获得诺奖时年龄最大的科学家，但该记录只保持了一年，2019年，97岁的美国化学家约翰·古迪纳夫（。

John B. Goodenough ）获诺贝尔化学奖。

Arthur Ashkin（1922~2020）由于光压太小，较难直接测量，一般通过测量光的辐射强度，然后再换算成辐射压，即光压如下视频所示就是一款测量光辐射强度的辐射计它的原理主要有两方面，一是不同表面对光和热的吸收的差别，二是分子热运动的剧烈程度随温度升高而升高的规律。

辐射计的主体是一个部分真空的气密玻璃泡，内部有一组可绕轴旋转的叶片，叶片两面分别是黑色和白色当有光线照射时，叶片会转动起来，光线愈强旋转愈快，从而提供简单的电磁辐射强度定量测量按照辐射理论，深色物体对光和热的吸收率更高。

因此叶片的黑面由于不断吸收光辐射，表面附近气体温度相对较高，因此分子运动速度较大根据压强的统计意义可知，气体分子的压强与平均动能成正比，因此黑面受到气体分子的压力要比白面受到的压力大，这使叶片转动起来，且沿着黑面向白面转的方向。

好了，关于光速打脸这件事背后的物理，就说到这里了 最后想说的是，尽管物理上的光速打脸总是如此温柔，但大量的温柔打脸加在一起之后就不那么温柔了但无论如何，请珍惜你生命中的每一次光速打脸吧参考文献https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressurehttps://cormusa.org/wp-content/uploads/2018/04/Williams-2015.pdf

https://scientech-inc.com/laser-power-measurement/radiation-pressure-power-meter.htmlhttps://www.nature.com/articles/s41598-020-77295-5

郭硕鸿 等，电动力学[M]，高等教育出版社，北京，2008年6月本文授权转自大学物理学免责声明：自媒体综合提供的内容均源自自媒体，版权归原作者所有，转载请联系原作者并获许可文章观点仅代表作者本人，不代表环球物理立场。

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