中国科学家解决百年光学神秘难题
by Matrix on 1月 13, 2009
从20世纪初开始,物理学家就知道光带有冲量(momentum),但是当光通过不同媒介时这种冲量变化的方式并不十分清楚。对于光入射在一绝缘体上,两种对立的理论预测了相反的效应:一种认为在光传播的方向上它施加了推力,另一种认为在光源相反的方向上它吸住了表面。在矛盾的试验结果100年之后,来自中国的一组科学家相信他们找到了答案。
以下是 中山大学的新闻稿:http://oemt.sysu.edu.cn/news/notely.php?currentpage=1#86
光在介质中的动量是理论物理学中的著名Rudolf Peierls惊奇之一。对折射率为n的透明介质,1908年Minkowski提出,介质中的光动量是 ;而在1909年Abraham 又提出,介质中的光动量应该是 ,这里E和c分别是光的能量和真空中的光速。理论分析表明,在狭义相对论框架下,作为能量-动量张量分量的光动量流密度,Abraham动量公式符合空间对称性要求而Minkowski公式则不符合,而且,Abraham动量可表示为相对论的形式 ( )。另一方面,对单光子情况, Minkowski动量是(为真空中的光波波长),它看起来又符合量子力学中的德布罗意关系。这两个光动量哪一个是对的?判断极为困难!有大量的理论工作就此问题展开激烈的争论,也有一些实验力图给出问题之判断。可是到目前为止,尚未有一个实验给出明确的结论。实验检验和理论争论已延续近一个世纪,但光在介质中特别是在透明介质中的动量仍然是个谜。光在介质中的动量之所以令人费解,主要是实验上对介质中光动量的辨认十分困难。介质中的光动量传输的复杂性妨碍了光动量的直接观察,使得实验结果的解释出现歧义。此前,几乎所有的研究者都认为,光动量的实验验证是不可能的。 Leonhardt 的观点具有代表性。2006 年他在Nature
上发表一篇有关光的动量的评论性文章。他说,介质中的光动量是令人惊奇的,而且还会继续令人惊奇。
佘卫龙研究小组找到一种巧妙的方法,利用纳米光纤直接观察了透明介质中的光动量。实验结果支持了Abraham公式。该工作其实还预言了一种效应:当一束光从空气或真空入射到透明介质时,由于Abraham光动量的作用,它将对界面施加一个光压。这个光压与我们过去所认识的由于表面光反射造成的光压完全不同。Phys.Rev.Lett.一位审稿人对该工作的评价是:“This is possibly a classic paper”, “They report on a brilliantly simple piece of interesting physics.” 另一位审稿人的评价是:“In conclusion, the paper is extremely interesting, and the data deserve to
be published in a leading science journal such a PRL.” 文章发表隔天,Physical Review Focus就介绍了该的工作。英国格拉斯哥大学的Padgett教授认为,这是一个对Abraham-Minkowski争议的“really creative contribution”。 Nature News 接着也介绍了该工作。目前,该工作引起国际同行广泛关注。
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