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光速这么快,为什么撞向人类或者其他物体没有产生撞击力?

光速很快没错,但光量子所具有的动量很小,在撞击过程中所能产生的光压极小,我们几乎没法感受到。光子的能量为:

E=hf

其中h是普朗克常数,f是频率。另一方面,光子的频率f和波长λ的关系如下:

f=c/λ

其中,c是光子的速度,即光速。据此,光子的能量表达式可改写为:E=hc/λ

又根据质能方程,光子的能量又存在如下的关系式:E=mc^2

从而可得:E=hc/λ=mc^2

化简可得:m=h/(cλ)

所以光子的动量为:P=mc=h/λ

可以看到,虽然光子不具有静止质量,但具有运动质量,只不过非常的小。以可见光为例,可见光的波长范围为380至780纳米,对于波长为500纳米的光子,其运动质量仅为4.42×10^-36 kg,而动量仅为1.325×10^-27 kg·m/s。这是单个光子的情况,如果光子数量很多的时候,它们所能产生的光压会有多大呢?下面以太阳为例做个简单估算。

在地球的运行轨道上,太阳的辐射通量为1361 W/m^2,所以地球上每平方米在每秒内接收到的太阳能为1361 J。假设光子与物体发生了正面的弹性碰撞,根据动量守恒定律可以得到如下的关系:

P=2E/c=Ft,即F=2E/(ct)

代入数值可以计算出每平方米在每秒内所受到的光压为0.000009 N,或者相当于9 μN,这么小的压力,我们根本无法感受到。不过,我们会通过另一种方式感受到太阳光——热量。太阳光照射到我们的皮肤上,光子的动能将会转化成热量,所以我们会感觉太阳光很暖和甚至很热。

此外,虽然太阳光的光压很小,但这种微弱的推力可以推动太空中的太阳帆前进。只要太阳帆具有足够大的面积,并且加速足够长的时间,太阳帆就能获得很高的速度。例如,对于800 m×800 m的太阳帆,它在地球附近能够获得大约5.8 N的推力,经过连续3年的加速之后,速度可达45 km/s(旅行者1号的飞行速度为17 km/s),以这个速度飞向太阳系深处所需的时间将会大大缩短。

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