光動量增加?還是減少?

光在透明的物質中傳播時,其動量到底是增加還減少?對於這個爭議了一百多年問題,科學家試圖利用脈衝雷射光打入細光纖中,並觀察光纖的彎曲情況來回答這個問題。
光在物質中的速度比在真空中還慢,這是學過物理的人都知道的。
因此在1908年德國數學家 Hermann Minkowski 認為當光的速度減少,其動量應該增加。然而在隔一年,德國的物理學家 Max Abraham 卻宣稱動量會隨著速度的減少而減少。
從一般的物理定義來看,當速度減少時,當然動量是減少的,因此 Abraham 似乎是對的。不過 Minkowski 是從量子物理的觀點切入,認為當光的波長縮短(光在物質中,由於頻率不變,速度減少波長就隨之縮短),動量就隨之增加。
From:SCC科文知識報

許多的理論論證多指向 Abraham 是正確的,但是多數的實驗證據卻較支持 Minkowski。不過在實驗上有一個很大的困難點,就是要如何認定光在透明介質中的動量。光在介質中複雜的動量傳遞會讓研究人員無法直接觀察到光的動量,使得之後對實驗結果的解釋也會變得含糊不清。因此在實驗上要很小心的將光的動量與物質隔絕開來,並避免一些不必要的效應進入,例如熱效應。
在中國廣州中山大學的物理學家 Weilong She 及其同僚在2008年12月12日出版的 Physical Reveiw Letters 中發表了一個簡單的方法,可以直接量測到光從真空中到介質裏的動量變化。她們利用0.5微米直徑,1.5釐米長的矽光纖設計了一個實驗。研究人員讓光纖垂直垂吊著,並使用波長650奈米,270毫秒寬的脈衝雷射光從上方打入光纖中。當脈衝光從光纖的下方出來時,若動量增加,則會造成光纖反彈(就像你一開始靜止站在船上,然後往船外跳,你的動量增加,船就會被你往後推。);反之若動量減少,則會有一股拉力把光纖往下拉。她們觀察到當脈衝光出來時,光纖是往後彎曲的,可見光在真空中的動量是比較大的,符合 Abraham 的說法。
研究人員更進一步利用較長的光纖以及連續波雷射做了另一個實驗,也得到了同樣的結果。她們看到光纖的尖端就像懸擺一樣向旁邊擺動大約30微米,其所對應的力與她們預測推算的值差不多(小於億萬分之一牛頓)。她們也證明熱效應在此實驗中太小而不會影響到光纖的運動。
英國 University of Glasgow 的 Miles Padgett 表示,其實還有很多原因會造成光纖彎曲。所以他認為這雖然這個工作對 Abraham-Minkowski 爭議是個非常有建設性的貢獻,但似乎還無法讓其畫上句點。他表示,或許剛好這個特殊的實驗裝置比較接近 Abraham,因為大部分的實驗都比較支持 Minkowski。不過,英國 University of Essex 的 Rodney Loudon 卻表示,之前的實驗都是研究複雜的物體及跟光子動量的間接關係,相反的,She 等人的這個時驗卻能夠量測到簡單的物理量,並直接以 Abraham 動量去表示。
參考來源:
Physical Review Focus: Light Bends Glass

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