透明介质中单光子态动量的实验验证

介质中尤其是透明介质中的光动量问题是百年物理学难题。在折射率为n的透明介质中，对波长为λ的单光子态，有人认为其动量取Abraham值 h/(n×n×λ)；又有人认为应取Minkowski值h/λ，h为普朗克常数。有大量的理论工作就此展开激烈的争论，也有一些实验力图给出问题之判断，但理论争论和实验检验延续了近一个世纪，介质中的光子动量仍然是个谜。2008年我们利用纳米光纤观察了透明介质中的光动量。实验结果看起来支持Abraham，但目前仍有不同看法，所以需要进一步确认。本项目在我们原来纳米直径光纤实验的基础上开展新的实验研究，利用微米直径光纤和透明粘性液体进行表面光压实验，进一步确认透明介质中的光子动量。此项研究在基础物理方面的意义是显然的。如果Abraham动量被确认，除了作为激光表面破坏新机制外，Abraham动量形成的光压又可望在激光诱导惯性约束受控聚变方面有重要的应用。

一个世纪以前，Minkowski 和Abraham几乎同时地提出了两个完全不同的关于介质中光动量的理论。对折射率为n 的透明非磁性介质，光动量的Minkowski 公式是nE/c而Abraham公式是E/(nc)。这里E 和 c分别是能量和真空中的光速。理论家们为了澄清这两个不同的光动量而努力工作并发表了许多理论。可是这些理论存在着巨大的分歧并产生长期的争论。相应的检验实验则很少。水面光压实验,两束连续激光拉伸细胞以及聚焦激光束诱导液－液界面形变的实验起初看似有利于Minkowski理论，但因为人们对Gaussian 光束的横向梯度力影响的质疑而变得不确定。水中悬镜实验也曾经被认为是支持Minkowski理论，但未观察到的光传输到镜子周围液体的动量又使得该实验暧昧不清。我们的研究动机基于水面光压实验和相关理论。Ashkin 和 Dziedzic 在他们的实验中观察到，当一个紧聚焦的60 ns 光脉冲进入或立刻水面时，在光束入射点会产生一个向上的凸包。Gordon 提出一个理论，它认为实验观察与Minkowski 动量在空气和水的界面上的改变相一致。Brevik 又提出另一个所谓Abraham-Minkowski 表面力机制。该理论也导出一个朝上的力。我们的实验表明，当一个聚焦的连续532 nm光束入射进入处于纯水面的弱吸收白矿油膜时，一个向上凸包真的出现，但是，当入射光非聚焦时，它在油面诱导出一个凹坑。前者很像Ashkin 和Dziedzic的观察而后者完全不同。凹坑的形成显然不能用Minkowski动量和Abraham-Minkowski 表面力解释。我们尝试用聚焦Gaussian光束横向梯度力和Abraham动量解释所观察到的现象。