現實中，光速打臉通常用來描述某件事在極短的時間內出現了前后不一致的情況，且體驗強烈。之所以用光速來形容，當然是因為光很快嘛，所以在人們還沒反應過來的時候，相反的結果就來了。

那么真正的光速打臉是什么體驗呢？

一大早，當你迎著朝陽去上學時，1.5億公里之外的太陽正持續地對你光速打臉！但顯然，你對此不會有任何感覺，無論你的皮膚感官如何敏銳。

但是，如果從科學上較真的話，既然光是一種在空間中的傳播的物質——電磁波，那么理所當然地，它對所碰之物必然有力的作用！這種力被稱作輻射壓力（radiation pressure），也稱光壓（light pressure）。

我們都知道，光既是粒子也是波。

當光與物質作用時，光呈現粒子的特點。在這種情況下，光產生壓力似乎是理所當然的。因為每個光子都攜帶能量和動量。當光子射到物體表面時，類似于網球扔到墻上，必然產生撞擊力。大量的光子不斷地撞擊體現為一種平均壓強。

為了讓你看得更清楚，下面來計算一下。

設有頻率為??的單色光垂直入射到界面上，根據愛因斯坦光量子概念，每個光子的能量和動量分別為?結合愛因斯坦質能關系??，可得單個光子的動量為?設單位時間內，界面的單位面積上有??個光子入射，即光強為?由于每個光子被界面反射后，動量變為等大反向，故界面上??的面積上在??的時間內受到的沖量為??，根據動量定理?故平均壓力為?自然的，平均壓強就是?

以上就是根據光的粒子觀點（光的量子理論）得到的光壓公式。

那么，若從波的角度看待光呢？光壓該如何解釋？

我們知道，波在傳播的時候，不只能量被傳送，動量也被傳送。由于動量在媒質中也是周期變化的，根據動量定理，這種變化的背后必然有力的作用，而力自然會導致壓強嘛！

就拿聲波來說吧，相信很多人都聽說過聲壓的說法。當聲波在空氣中傳播時，由于空氣分子沿波線來回振動，導致氣體密度發生周期變化，從而在大氣壓強上疊加一種周期變化的壓強，它就是聲壓。

對于光來說，將其看作電磁波時，考慮到電磁波中的電場和磁場，若仔細分析介質中電子的受力情況，也會得到作用在單位表面上的壓力，而它的時間平均就體現為一種平均壓強。

下面來推導這個平均光壓的表達式。

在開始之前，先講一點電磁波的基礎知識。

根據光的電磁波理論，當光沿某個方向行進時，電場和磁場兩個矢量在垂直于光線的平面內振動，它們二者相互垂直且保持同步，以單色平面波為例

二者幅度之間滿足關系??。

光在傳播時，它的能量密度??為?介質中的電磁波的傳播速度，即光速??為?

其中??和??分別是介質的磁導率和電容率。若為真空，則速度即光速??=299,792,458米/秒。

在單位時間內，光穿過與傳播方向垂直的單位面積的能量，即能流密度，也稱為坡印廷矢量，它沿著光波傳播方向，其表達式為?

其中??為沿光行進方向的單位矢量。

基礎知識講完了，下面開始推導光壓。

設光線沿??軸正向垂直入射介質表面，如下圖所示，此時電場和磁場都與入射界面平行。

假設某時刻，在界面處電場向上，而磁場沿紙面向外。由于電子受到電場的作用向下運動，運動電荷受洛倫茲力?根據右手定則，該力正好沿光的行進方向，即垂直界面向內的方向，很多電子都受到類似的力，它們的總體就是界面受到的壓力。

若某時刻，界面處的電場反向，電子速度反向，由于磁場也會同步反向，所以電子受到的洛倫茲力還是沿垂直界面向內的方向，依然使界面受到光壓作用。

由于安培力實際上就是洛倫茲力，因此上述解釋若用分析電流受到的安培力來代替，也一樣得到界面受光壓力的結論。

到這里，你可能意識到，對表面來說，光壓的作用效果與你用手按壓相比沒什么兩樣——都會凹下去，但它的微觀機制卻是令你之前想不到的洛倫茲力！

其實，這有什么奇怪的嗎？

真沒什么奇怪的！因為日常生活中幾乎所有的作用力（除了地球的引力之外，其實它根本就算不上一種力），本質上都是電磁作用嘛！

其實，大氣壓力也好，你用手摩擦桌子也好，你的屁股與凳子之間的壓力也好，它們歸根結蒂都是源于電磁相互作用的結果！

而你知道，電磁相互作用總是按光速來進行的。

因此，也可以說，你每時每刻都在經歷著光速打臉！不止是打臉，你與外界之間以及你的身體內部經歷的一切活動，都是以光速打臉的速度來進行的。

不過，要根據電磁場理論具體計算這個光壓就不是那么容易了，過程涉及電磁場的邊值關系，坡印廷矢量與動量密度等一大堆知識。這里不想涉及太復雜的計算，就簡單的過一下，有興趣可參看相關書籍。

電磁場在穿過介質分界面時，磁場強度沿界面的切向分量會發生突變，差值就是感應電流面密度??，寫出來就是?當光在界面上完全反射時，界面兩側的光剛好反向，??，邊值關系退化為?由于它與磁場垂直，根據安培定律，受到的安培力大小為?根據??，將??的實部代入即可得?這是安培力的瞬時值。由于光的頻率如此之高，一般只會看到壓力的時間平均值，故將上式對一個周期求平均值得?根據前面提到的電場和磁場的幅度之間的關系，該值也就是?該力為作用在單位面積上的平均力，也就是平均壓強，故光壓的平均值為?大功告成！

那么，這個值與前面按照光量子理論得到的結果是否一致呢？?

根據電磁波理論，電磁波的能流密度，即坡印廷矢量是能量密度??與電磁波的相速度??的乘積，即?它的平均值就是光強??，代入電場和磁場的實部計算得?故得到?若為真空，則上式中的??和??分別變為??和??，那這式子也就是?結論與光量子理論的完全一致！

因此，對光來說，它對反射面產生的壓力，既可以根據傳統的電磁波理論來得到，也可以根據愛因斯坦的光量子理論來得到，兩種方式得到的最終結論是一致的。

上述計算，只考慮一種最簡單的情況，即光正入射到界面且完全被反射，一般的情況比這稍微復雜一點點。

根據以上光壓公式的計算結果，在一般情況下，光產生的輻射壓力非常小。例如考慮1W的入射光，計算得平均壓強為?這個值簡直不要太小，難怪光壓很難被探測到。因此，一般情況下人們根本覺察不到光的壓力。

不過，當光強足夠大時，反射面就會受到明顯的壓力，可通過特定的儀器測量。一種典型的光壓測量儀的基本構造如下圖所示，當高能激光照射到鏡子上時，鏡子下方具有極高靈敏度的力學傳感器就會給出壓力變化值。

在大自然中，源自恒星的超級強光可產生巨大的光壓。一些太空中的塵埃在受到這種強光照射時，將受到明顯的推力，使之遠離太陽。例如彗星拖著的長尾巴為什么總是背對著太陽？就是由太陽輻射的壓力所導致的。

光壓還可作為太空旅行的推動力，與風力推動類似，稱之為太陽帆推進（solar-sail propulsion）技術。

雖然光的輻射力相對較低，但由于外太空沒有空氣阻力，長時間的積累會獲得巨大的速度。因此，這種技術特別適用于在行星之間長距離飛行的小型探測器和衛星。

如上圖所示，如果空間中形成一個低光壓區域，那么可能會將微觀粒子囚禁在這里。這就是光壓在實際應用中的一個典型的例子——光學鑷子（optical tweezer）。現在，光學鑷子已成為一種操縱原子、分子和生物細胞的常用工具。

順便說一下，光學鑷子由2018年諾貝爾物理獎獲得者、美國物理學家阿斯金（Arthur Ashkin）在1986年發明。他獲得諾獎時年96歲，曾是獲得諾獎時年齡最大的科學家，但該記錄只保持了一年，2019年，97歲的美國化學家約翰·古迪納夫（John B. Goodenough ）獲諾貝爾化學獎。

Arthur Ashkin（1922~2020）

由于光壓太小，較難直接測量，一般通過測量光的輻射強度，然后再換算成輻射壓，即光壓。

輻射計的主體是一個部分真空的氣密玻璃泡，內部有一組可繞軸旋轉的葉片，葉片兩面分別是黑色和白色。當有光線照射時，葉片會轉動起來，光線愈強旋轉愈快，從而提供簡單的電磁輻射強度定量測量。

按照輻射理論，深色物體對光和熱的吸收率更高。因此葉片的黑面由于不斷吸收光輻射，表面附近氣體溫度相對較高，因此分子運動速度較大。根據壓強的統計意義可知，氣體分子的壓強與平均動能成正比，因此黑面受到氣體分子的壓力要比白面受到的壓力大，這使葉片轉動起來，且沿著黑面向白面轉的方向。 好了，關于光速打臉這件事背后的物理，就說到這里了。

最后想說的是，盡管物理上的光速打臉總是如此溫柔，但大量的溫柔打臉加在一起之后就不那么溫柔了。但無論如何，請珍惜你生命中的每一次光速打臉吧。

參考文獻

https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin

https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure

https://cormusa.org/wp-content/uploads/2018/04/Williams-2015.pdf

https://scientech-inc.com/laser-power-measurement/radiation-pressure-power-meter.html

https://www.nature.com/articles/s41598-020-77295-5

郭碩鴻 等，電動力學[M]，高等教育出版社，北京，2008年6月

編輯：黃飛

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