光压驱动现状及应用前景探究

计杰+许宴铭+弋康月+张伟德+王袆+张振

摘 要：为了对光压驱动的现状及应用前景进行探究，我们采用了线上线下调研、对各种数据以及论文结果的分析以及总结的方式进行探究。探究结果表明：当前科技水平下，实现宏观状态下的光压驱动还很困难，目前可能性最高的是将其应用在航天领域；目前网络以及众多论文对光压驱动的言论都有失严谨，可信度不高。科学应该严谨，我们需要在诸多言论中取其精华，去其糟粕理性去研究；对光压驱动的可行性人类正在探索，过于肯定的言论是一种不负责任的行为。

关键词：光压；黑科技；光压驱动

中图分类号：TN256 文献标志码：A 文章编号：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

光壓相信很多人都没有听过，但是它却是现在世界上很多前沿的科学家们在研究的一种现象，那么，究竟光压是什么样的一种现象呢？这种现象对于我们的生活又会有什么样的影响呢？我们不妨带着这些问题，先来看一些有趣的现象。

彗星在扁长的轨道上绕太阳运行，彗尾由极稀薄的气体和尘埃组成，形状像扫帚。随着理论物理进一步发展，发现一种由太阳光施于彗星的作用，就是太阳辐射压力。彗尾中的微小颗粒受到这种压力的作用，使得彗尾的方向一般总是背着太阳延伸，当彗星接近太阳时，彗尾总是拖在后边，当彗星离开太阳远走时，彗尾又成为前导。光子具有动质量，所以当光子大到物体表面就会产生冲力。如果物体完全吸收了正方向射来的光子，那么它会产生一定的冲力，不过这个力十分微弱，但是如果它可以反射正方向的全部光线的话，那么就会产生双倍的冲力。尽管如此，光压效果还是很微弱，所以人类对它的应用方面的研究成果很少。当前，关于光压的应用大概有以下几种设想：

（1）利用光压力来推动宇宙光帆船，达到更远距离的宇宙航行。

（2）制作光压风车。

（3）光压驱动纳米机械。

大部分设想都是将光压推进应用在航天领域中，以达到更加节能持久的航天航行，也有利于我们对宇宙进行更加深广的探索。那么对于是否能够实现光压驱动各方面的观点是怎样的呢？

支持方观点：

支持方主要是以南开大学化学学院陈永胜教授及其团体为代表，发文称他们的团队经过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。这种材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的1000倍以上，籍此提出了“光动”飞行或将成为可能的观点。

陈永胜说，这一性质是由于石墨烯本身的电子性质以及这一材料特殊的宏观形貌结构综合形成的。宏观上这一材料可以看做是由无数个相互电子独立的石墨烯片通过化学交联构成，因此总体来说，无数个石墨烯发射电子产生的微小动力的和就可观测到光驱动性能，这完全不同于传统的化学火箭。

研究人员介绍，实验所用光源都较弱，如普通激光、氙灯等，室外实验发现太阳光同样可以驱动这种石墨烯材料移动，也就是说对驱动光源的并无特殊要求，因此可以广泛应用。

“这是我们了解到的，迄今为止科学界第一次用光推动一个宏观物体并实现宏观的驱动。”陈永胜教授说，通过定量测量，这种石墨烯材料在光照条件下产生的力是传统光压的千倍以上。通过计算，500公斤的负载，如果利用基于这种石墨烯材料制备的驱动帆板，理论上获得的驱动力至少能使其达到0.09米每秒的加速度。（——以上内容摘自《新华网》）

由文中介绍以及各界人士的反响来看，陈教授的观点和发现受到了一部分人的认可和赞赏，对陈教授的《Macroscopic and direct light propulsion of bulk graphene material》一文中对光压在航天科技方面的应用的展望表示认可。

反方观点：

……首先要说的是，这里所说的光驱动和真正的光压驱动是两码事情。光压是射在物体上的光所产生的压强，也称为辐射压强，传统上说的光驱动就是指利用太阳帆等设备，收集太阳光的光压而产生的驱动力。而这篇文章中所说的光驱动则是指光打在石墨烯上，然后激发出俄歇电子，反冲的电子对石墨烯产生一个推动力。这与传统的光压驱动完全是两码事。endprint

……光不可能无限制地打出俄歇电子来，这种光驱动现象肯定会越来越弱的。

……结论太过离奇，违背基本物理原理。有基本物理知识的人，都不会相信电子发射驱动能够持续进行。受到广泛质疑就是证据。

……作为一篇學术论文，如此重大的突破，在结论中不讨论原理，而是讨论伟大的应用前景，如具体到多大的空间飞行器能够获得多大的加速度。这也是很奇怪的……

……论文的联系作者和创意人陈永胜教授是化学家，但是化学家也应该具备基本的物理知识，“动能相等”无法理解。（——以上内容摘自《知乎网》）

在很多学者眼中，这篇文章有很多漏洞，甚至有学者要求主动撤稿。可见，在光压驱动是否切实可行方面还存在很大争议。

其实在我们在这场“风波”这么久之后，以旁观者的身份再去分析观察，可以得出，争论双方在观点和结论上都有些片面。陈教授避重就轻，阐述含糊不清；而反方的只是一味地指出自己认为的不合理的地方，却没与对“俄歇电子”驱动的应用前景进行评估；我们不要盲目追捧，也不要矫枉过正，更不可以偏概全。

目前市面上有很多声称制作的光压风车装置，是一种由玻璃罩体内装有黑、白亮色叶片组成的风车。其设计原理如下：首先我们认为风车的转动是由于“光压”产生的。那么强光照射到这些玻璃罩层内的黑、白叶片上，由于光粒子对叶片产生的光压差作用，把光能转换为机械能，从而推动叶片旋转。白色那面光子被反射，光子动量变化为，ΔP=-mc-mc=-2mc=-2hν/c，黑色那面光子被吸收，光子动量变化量为：ΔP=0-mc=-mc=-hν/c，根据动量守恒定理，白色那边风扇页的动量增加的动量要比黑色那边的多，风车应该是黑色那面向前，白色面向后的转动方式。

可实际上转动方向与预期的方向完全相反，由此可见，这样子的风车并不是利用了光压原理中的“光压差”来进行推动风车扇叶，所以不能称之为光能风车。

经过观查，给风车提供光照的光源为大功率的白炽灯，辐射大量的红外线成分。涂成黑色和白色的两面对红外线的吸收能力不同，黑色的吸收能强，白色的吸收能力弱。而红外线在被吸收后，会产生热。而且上述的光能风车设备中，所谓的真空玻璃瓶并不是真的绝对真空。设备只是具有一定的真空度，但其实还是有少量空气残留在玻璃瓶内的。因此，黑色叶片吸收的红外线多，温度升得快，周围的空气膨胀速度快，空气膨胀对叶片产生推动力，黑色叶片向后转。而在理论上因热辐射所引起的风车扇叶转动的方向与实际观察到的方向一致。可见这一所谓的“光压风车”并不是真正的光压风车，它叫做“热风车”会更贴切。

对此，我们在经过长期探究之后提出了数条理论上的方案来对光能风车进行优化，减少其热作用，使其向“光能风车”的方向靠拢，从而更具有科学性。

优化方案：

（1）在制作风车扇叶时，使用轻型导电材料，如此便于扇叶连接导线补充电子。

（2）采用反光率更高的材料制作扇页，从而获得更多因光子碰撞产生的冲力。

（3）增大真空度，从而进一步减小空气热传导和空气阻力对光压作用测量产生的影响。

（4）因为光压力很微弱，难以在宏观状态下观察到，所以我们可以继续减小装置的尺寸。

（5）使用始终正对扇面的强光源，持续对装置输送能量。

（6）可以考虑利用楞次定律实现装置的磁悬浮，从而减少重力的影响。

（7）在装置连接处可采用较为光滑的材料和润滑技

术，并且同时减少轴之间的接触面积，以此减少摩擦力对转动的影响。

准确的说，以上所有的改进方案并不能完全运用光压原理来推动风车运转，无法达到真正意义上的光能风车的程度。但是在改进下，可以极大地减少如热传递、空气阻力等各种对光压作用有较大影响的因素。在改进之后，热风车的主要驱动方式将不再单单以“热驱动”占主导地位，而是将“光压驱动”放大后，实现的两种驱动方式并驾齐驱的一种模式。所以这时候称之为“光能——热风车”，将更妥帖。

在这场“大战”中，我们要取其精华，不仅要藉此让“光压”应用的视野和思维更开阔，也要在合理可利用性上进行深入讨论。一方面我们在未来的应用领域内进行探索和假设，一方面可以在实际生活中尝试去发现新的理论和概念，就像特殊的石墨烯中“俄歇电子”的应用一样；大胆假设，小心求证。如果科学界可以少一些无端的争执，而是大家在一个圈子里理性竞争，互相协助，不仅“光压驱动”的问题，还有未来可能的种种奇迹，我们都可以慢慢创造。

参考文献：

[1]许冬保.光压问题的分析及探究[J].物理教学，2011（12）.

[2]宋贯一.（光压）斥力相互作用在自然界客观存在的宏观证据[J].地球物理学进展，2012（02）.endprint