光壓驅動現狀及應用前景探究

計杰+許宴銘+弋康月+張偉德+王袆+張振

摘 要：為了對光壓驅動的現狀及應用前景進行探究，我們采用了線上線下調研、對各種數據以及論文結果的分析以及總結的方式進行探究。探究結果表明：當前科技水平下，實現宏觀狀態下的光壓驅動還很困難，目前可能性最高的是將其應用在航天領域；目前網絡以及眾多論文對光壓驅動的言論都有失嚴謹，可信度不高。科學應該嚴謹，我們需要在諸多言論中取其精華，去其糟粕理性去研究；對光壓驅動的可行性人類正在探索，過于肯定的言論是一種不負責任的行為。

關鍵詞：光壓；黑科技；光壓驅動

中圖分類號：TN256 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0161-02

Abstract： In order to explore the current situation and application prospect of photo-pressure drive， we use the methods of line and offline research， analysis and summary of various data and the results of the paper. The results show that at present， it is very difficult to realize the light pressure driving in the macroscopic state， and what is the most possible is to apply it in the space field. At present， the network and many papers on the photo-pressure driven comments are not rigorous， credibility is not high. Science should be rigorous， so we need to take the essence of a lot of speech and study the dross rationally； human beings are exploring the feasibility of photo-pressure driving. Any too assertive speech is an irresponsible behavior.

Keywords： light pressure； futuristic tech； photovoltage drive

光壓相信很多人都沒有聽過，但是它卻是現在世界上很多前沿的科學家們在研究的一種現象，那么，究竟光壓是什么樣的一種現象呢？這種現象對于我們的生活又會有什么樣的影響呢？我們不妨帶著這些問題，先來看一些有趣的現象。

彗星在扁長的軌道上繞太陽運行，彗尾由極稀薄的氣體和塵埃組成，形狀像掃帚。隨著理論物理進一步發展，發現一種由太陽光施于彗星的作用，就是太陽輻射壓力。彗尾中的微小顆粒受到這種壓力的作用，使得彗尾的方向一般總是背著太陽延伸，當彗星接近太陽時，彗尾總是拖在后邊，當彗星離開太陽遠走時，彗尾又成為前導。光子具有動質量，所以當光子大到物體表面就會產生沖力。如果物體完全吸收了正方向射來的光子，那么它會產生一定的沖力，不過這個力十分微弱，但是如果它可以反射正方向的全部光線的話，那么就會產生雙倍的沖力。盡管如此，光壓效果還是很微弱，所以人類對它的應用方面的研究成果很少。當前，關于光壓的應用大概有以下幾種設想：

（1）利用光壓力來推動宇宙光帆船，達到更遠距離的宇宙航行。

（2）制作光壓風車。

（3）光壓驅動納米機械。

大部分設想都是將光壓推進應用在航天領域中，以達到更加節能持久的航天航行，也有利于我們對宇宙進行更加深廣的探索。那么對于是否能夠實現光壓驅動各方面的觀點是怎樣的呢？

支持方觀點：

支持方主要是以南開大學化學學院陳永勝教授及其團體為代表，發文稱他們的團隊經過3年的研究，獲得了一種特殊的石墨烯材料。這種材料可在包括太陽光在內的各種光源照射下驅動飛行，其獲得的驅動力是傳統光壓的1000倍以上，籍此提出了“光動”飛行或將成為可能的觀點。

陳永勝說，這一性質是由于石墨烯本身的電子性質以及這一材料特殊的宏觀形貌結構綜合形成的。宏觀上這一材料可以看做是由無數個相互電子獨立的石墨烯片通過化學交聯構成，因此總體來說，無數個石墨烯發射電子產生的微小動力的和就可觀測到光驅動性能，這完全不同于傳統的化學火箭。

研究人員介紹，實驗所用光源都較弱，如普通激光、氙燈等，室外實驗發現太陽光同樣可以驅動這種石墨烯材料移動，也就是說對驅動光源的并無特殊要求，因此可以廣泛應用。

“這是我們了解到的，迄今為止科學界第一次用光推動一個宏觀物體并實現宏觀的驅動。”陳永勝教授說，通過定量測量，這種石墨烯材料在光照條件下產生的力是傳統光壓的千倍以上。通過計算，500公斤的負載，如果利用基于這種石墨烯材料制備的驅動帆板，理論上獲得的驅動力至少能使其達到0.09米每秒的加速度。（——以上內容摘自《新華網》）

由文中介紹以及各界人士的反響來看，陳教授的觀點和發現受到了一部分人的認可和贊賞，對陳教授的《Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material》一文中對光壓在航天科技方面的應用的展望表示認可。

反方觀點：

……首先要說的是，這里所說的光驅動和真正的光壓驅動是兩碼事情。光壓是射在物體上的光所產生的壓強，也稱為輻射壓強，傳統上說的光驅動就是指利用太陽帆等設備，收集太陽光的光壓而產生的驅動力。而這篇文章中所說的光驅動則是指光打在石墨烯上，然后激發出俄歇電子，反沖的電子對石墨烯產生一個推動力。這與傳統的光壓驅動完全是兩碼事。endprint

……光不可能無限制地打出俄歇電子來，這種光驅動現象肯定會越來越弱的。

……結論太過離奇，違背基本物理原理。有基本物理知識的人，都不會相信電子發射驅動能夠持續進行。受到廣泛質疑就是證據。

……作為一篇學術論文，如此重大的突破，在結論中不討論原理，而是討論偉大的應用前景，如具體到多大的空間飛行器能夠獲得多大的加速度。這也是很奇怪的……

……論文的聯系作者和創意人陳永勝教授是化學家，但是化學家也應該具備基本的物理知識，“動能相等”無法理解。（——以上內容摘自《知乎網》）

在很多學者眼中，這篇文章有很多漏洞，甚至有學者要求主動撤稿。可見，在光壓驅動是否切實可行方面還存在很大爭議。

其實在我們在這場“風波”這么久之后，以旁觀者的身份再去分析觀察，可以得出，爭論雙方在觀點和結論上都有些片面。陳教授避重就輕，闡述含糊不清；而反方的只是一味地指出自己認為的不合理的地方，卻沒與對“俄歇電子”驅動的應用前景進行評估；我們不要盲目追捧，也不要矯枉過正，更不可以偏概全。

目前市面上有很多聲稱制作的光壓風車裝置，是一種由玻璃罩體內裝有黑、白亮色葉片組成的風車。其設計原理如下：首先我們認為風車的轉動是由于“光壓”產生的。那么強光照射到這些玻璃罩層內的黑、白葉片上，由于光粒子對葉片產生的光壓差作用，把光能轉換為機械能，從而推動葉片旋轉。白色那面光子被反射，光子動量變化為，ΔP=-mc-mc=-2mc=-2hν/c，黑色那面光子被吸收，光子動量變化量為：ΔP=0-mc=-mc=-hν/c，根據動量守恒定理，白色那邊風扇頁的動量增加的動量要比黑色那邊的多，風車應該是黑色那面向前，白色面向后的轉動方式。

可實際上轉動方向與預期的方向完全相反，由此可見，這樣子的風車并不是利用了光壓原理中的“光壓差”來進行推動風車扇葉，所以不能稱之為光能風車。

經過觀查，給風車提供光照的光源為大功率的白熾燈，輻射大量的紅外線成分。涂成黑色和白色的兩面對紅外線的吸收能力不同，黑色的吸收能強，白色的吸收能力弱。而紅外線在被吸收后，會產生熱。而且上述的光能風車設備中，所謂的真空玻璃瓶并不是真的絕對真空。設備只是具有一定的真空度，但其實還是有少量空氣殘留在玻璃瓶內的。因此，黑色葉片吸收的紅外線多，溫度升得快，周圍的空氣膨脹速度快，空氣膨脹對葉片產生推動力，黑色葉片向后轉。而在理論上因熱輻射所引起的風車扇葉轉動的方向與實際觀察到的方向一致。可見這一所謂的“光壓風車”并不是真正的光壓風車，它叫做“熱風車”會更貼切。

對此，我們在經過長期探究之后提出了數條理論上的方案來對光能風車進行優化，減少其熱作用，使其向“光能風車”的方向靠攏，從而更具有科學性。

優化方案：

（1）在制作風車扇葉時，使用輕型導電材料，如此便于扇葉連接導線補充電子。

（2）采用反光率更高的材料制作扇頁，從而獲得更多因光子碰撞產生的沖力。

（3）增大真空度，從而進一步減小空氣熱傳導和空氣阻力對光壓作用測量產生的影響。

（4）因為光壓力很微弱，難以在宏觀狀態下觀察到，所以我們可以繼續減小裝置的尺寸。

（5）使用始終正對扇面的強光源，持續對裝置輸送能量。

（6）可以考慮利用楞次定律實現裝置的磁懸浮，從而減少重力的影響。

（7）在裝置連接處可采用較為光滑的材料和潤滑技

術，并且同時減少軸之間的接觸面積，以此減少摩擦力對轉動的影響。

準確的說，以上所有的改進方案并不能完全運用光壓原理來推動風車運轉，無法達到真正意義上的光能風車的程度。但是在改進下，可以極大地減少如熱傳遞、空氣阻力等各種對光壓作用有較大影響的因素。在改進之后，熱風車的主要驅動方式將不再單單以“熱驅動”占主導地位，而是將“光壓驅動”放大后，實現的兩種驅動方式并駕齊驅的一種模式。所以這時候稱之為“光能——熱風車”，將更妥帖。

在這場“大戰”中，我們要取其精華，不僅要藉此讓“光壓”應用的視野和思維更開闊，也要在合理可利用性上進行深入討論。一方面我們在未來的應用領域內進行探索和假設，一方面可以在實際生活中嘗試去發現新的理論和概念，就像特殊的石墨烯中“俄歇電子”的應用一樣；大膽假設，小心求證。如果科學界可以少一些無端的爭執，而是大家在一個圈子里理性競爭，互相協助，不僅“光壓驅動”的問題，還有未來可能的種種奇跡，我們都可以慢慢創造。

參考文獻：

[1]許冬保.光壓問題的分析及探究[J].物理教學，2011（12）.

[2]宋貫一.（光壓）斥力相互作用在自然界客觀存在的宏觀證據[J].地球物理學進展，2012（02）.endprint