[Jan 05, 2009]
物理：光動量增加?還是減少?
編輯 tslim 報導
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。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。
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