Optica: 实验研究固体电介质中光力的角对称性

导读

研究背景

一百多年来，Lorentz力被认为是经典电动力学的支柱之一。然而，该力学形式被人质疑存在致命的缺陷。上世纪六十年代，Shockley首次指出Lorentz公式违背动量守恒定律。近十年，亚利桑那大学的物理学家M. Mansuripur指出Lorentz公式与狭义相对论不兼容。为了弥补Lorentz公式的缺陷，有人提出一种隐动量理论，但至今未获得实验验证。早在二十世纪初，Einstein和Laub提出了另一种电磁力的理论及相应的公式，在理论界也被广泛采用。人们发现Einstein–Laub公式不仅符合已有的大多数实验，也不违背动量守恒定律和狭义相对论。但由于缺乏进一步的实验证据，关于采用Lorentz还是Einstein–Laub公式理论学界一直存在着激烈的争论。

近年来，物理学家们理论上发现，虽然根据Lorentz和Einstein–Laub公式计算的光场对物质施加的合力是一致的，但是在电介质内部它们具有不同的局部力场分布。于是可以利用这一差别设计实验来检验这两个理论的正确性。然而，这一差别仅存在于电介质材料的内部，信号微弱难以探测，因此迟迟没有相关的实验 道。

创新研究

图1.(a) 实验装置示意图。(b) Lorentz公式给出的光纤截面上光力场的分布图。(c) Einstein–Laub公式给出的光纤截面上光力场的分布图。(d) 光纤特制瓶状结构的机械模式模场图。

图2.对角模式数为2的机械模式的测量结果。

图3.对角模式数为0的机械模式的测量结果。

总结

关于光力理论及公式的争论已持续了一百多年，而相关的实验却进展缓慢。以往的实验绝大多数只能测量光作用于物体上合力的性质。本工作首次研究了光力在一个固体系统内部的微观分布及角对称性，这给相关的理论研究提供了全新的视角。此外，本工作中设计并使用的实验装置也为解决经典电动力学里的其他议题（例如Abraham–Minkowski争论）提供了新的方案。

论文信息

Xiang Xi, Jingwen Ma, Zhong-HaoZhou, Xin-Xin Hu, Yuan Chen, Chang-Ling Zou, Chun-Hua Dong, and Xiankai Sun, “Experimentalinvestigation of the angular symmetry of optical force in a solid dielectric,” Optica8 (11): 1435–1441, Nov. 2021.