管克英 2025年11月
在最近的读者讨论中，有朋友提到：克鲁克斯辐射计（Crookes Radiometer）叶片的旋转是否由光压引起，还是由气体的热对流造成？这个看似简单的问题，其实是一个跨越一个多世纪的物理难题。在此，我希望借此契机，对这一问题的历史、实验与物理内涵做一个简要说明。
一、历史回顾：光的推动力之谜1873 年，英国化学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）在研究稀薄气体放电现象时，意外地发现：当阳光或灯光照射到他设计的微小桨叶（叶片一面黑、一面白）上时，桨叶开始旋转。他最初认为这是光的压力——即“辐射压力（radiation pressure）”——所致。
然而不久之后，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）与巴托里（Bartoli）等人分析指出，克鲁克斯实验中的压力主要来源于气体分子的热迁移效应，而非光子动量本身。后来，人们提出了几种解释模型：热对流、热迁移（thermal transpiration）以及光致气体流动（photophoretic flow）等。这些模型的共同前提是：辐射计内仍存在一定量的稀薄气体。
因此，十九世纪末的主流观点认为：光压确实存在，但克鲁克斯辐射计的旋转主要不是由光压引起，而是由叶片两侧温度差产生的分子流推动。
二、现代实验：真空与激光的新证据随着真空技术与激光技术的出现，这个问题再次被提出。在高真空条件下（真空度约 10−410^{-4}10−4 – 10−510^{-5}10−5 Pa），传统的热对流效应基本消失。实验表明，在普通光照条件下，辐射计叶片确实几乎不再旋转。这似乎支持“气体动能说”的结论。
但现代实验也提供了新的线索：当使用强相干激光（特别是高功率准直光束）照射时，叶片会重新产生明显的即时旋转反应。北京科学馆曾展示过类似实验，证明在高真空下，强激光照射仍能驱动辐射计叶片旋转。这一现象表明，在“干净”实验（即无气体热流干扰）中，光压或辐射动量转移效应可能重新显现。
这种即时响应的旋转现象，其力的数量级远高于热迁移模型可解释的范围，也说明我们今天重新研究光压效应，仍然具有重要意义。
三、理论思考：光压与气体效应的关系在克鲁克斯辐射计的研究中，“光压说”与“气动说”其实并非互相排斥。在不同气压、不同光强下，两种效应可能共存。关键在于如何区分主导机制。
热对流模型需要温度梯度与稀薄气体存在；光压模型则依赖光子动量的直接传递。在强相干光场中，后者的瞬时动量效应更为显著。因此，随着实验条件的改进——尤其是真空度与光强的提升——重新检验光压的作用已成为可行的研究方向。
早在 1988 年，匈牙利光学学者曾建议重做“干净实验”，利用激光在高真空中检测辐射计叶片的力矩变化。可惜当时的设备条件尚不足。今天，这样的实验已具备技术可行性。
四、科学的本质：未完的实验与新的思路科学史上的许多“旧问题”，常常因新的技术与理论而被重新激活。辐射计旋转现象正是如此：它不仅关乎光压的验证，也触及能量、功率与力之间更深的关系。
在我与 ChatGPT 合著的英文著作New Inspiration of Light Pressure: The Principle of Force–Power Equivalence中，我们进一步提出：辐射动量传递可以从功率–力等价原理的角度得到更自然的解释。换言之，辐射的“推力”不仅是动量守恒的体现，也是功率连续输出在空间中的几何表现。
因此，克鲁克斯辐射计并非一个过时的玩具，而是一个仍在启发物理思维的模型。
五、结语：科学的尊重与延续科学的发展从来离不开质疑与再验证。我非常感谢在讨论中提出不同看法的同行与朋友。他们的疑问推动我们重新检视实验、思考假设、更新理论。“光压说”与“气动说”之争，实质上是一个关于能量传递机制的更深层讨论。
科学不是为了立场而争论，而是为了理解自然。正如克鲁克斯自己在 1873 年所写：
附：进一步阅读“每一个实验，不论是否支持假说，都将为真理的光芒添上一道新的反射。”
W. Crookes, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1873.
J. C. Maxwell, Nature, 1873.
P. Lebedew, Annalen der Physik, 1901.
E. F. Nichols & G. F. Hull, Physical Review, 1903.
H. Bartoli, Il Nuovo Cimento, 1876.
K. Y. Guan, New Inspiration of Light Pressure: The Principle of Force–Power Equivalence, BookBaby, 2025.
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