Писатели-фантасты в своих произведениях описывают космические путешествия на кораблях, приводимых в движение солнечным ветром. На самом деле, это не такая уж и фантастика. Свет действительно способен оказывать давление на предметы, на которые он падает.
Что значит давление света
Если на лист бумаги направить струю воздуха, легко увидеть, что поток газа оказывает давление на поверхность. Если на бумагу или любую другую поверхность направить световой поток, то и в этом случае будет оказываться давление, хотя и намного меньшее.
Объяснить это можно с точки зрения двух теорий.
В современной физике считается, что частицы света – фотоны – имеют дуальные свойства:
- Свойства электромагнитной волны (волновая теория света).
- Свойства материальной частицы (корпускулярная теория).
Согласно первой теории, электромагнитные волны, попадая на поверхность предметов (или в толщу газов), возбуждает в ней токи. Эти токи взаимодействуют с магнитной составляющей волны. Возникающие при этом силы Лоренца складываются, создавая воздействие на облучаемый предмет.
Согласно корпускулярной теории, фотоны бомбардируют поверхность, подобно летящим мячам. Частицы передают свой импульс облучаемому предмету. Таким образом создается давление.
Кто первый измерил силу давления света
Считается, что давление света открыл русский физик Петр Николаевич Лебедев. На самом деле, это явление предсказал еще в 17 веке Иоганн Кеплер по результатам своих астрономических наблюдений. Создатель классической электродинамики Максвелл теоретически обосновал, что световой поток может оказывать давление, и объяснил это с точки зрения волновой теории света.
Величайшая заслуга Лебедева перед мировой физикой в том, что он экспериментальным путем доказал, что давление света существует, а также смог измерить величину этого давления. До этого ученый мир был разделен на две группы:
- одни считали, что подобное явление существует, но с помощью технических средств того времени доказать это было невозможно;
- другие (включая авторитетнейшего Уильяма Томсона) считали, что свет давления не производит.
И у той, и у другой стороны были весомые на то время аргументы. Разрешить спор мог только удачный эксперимент, результаты которого признали бы все.
Формула для расчета
В 1873 году Максвелл в своем «Трактате по электричеству и магнетизму» вывел теоретическую формулу давления света:
, где:
- E – энергия светового потока за единицу времени, отнесенная к площади поверхности;
- R – коэффициент отражения;
- с – скорость света в вакууме.
Задачей экспериментаторов стало измерить величины, входящие в эту формулу и подтвердить или опровергнуть выводы Максвелла.
Опыты Лебедева
Попытки провести опыты, доказывающие правоту той или иной стороны, заканчивались неудачей, хотя идея была проста. На легкое крылышко, подвешенное в вакууме, надо было направить световой поток, а по углу отклонения крылышка вычислить искомую величину.
При облучении светом поверхностей возникали иные силы, искажавшие результаты экспериментов. Например, часть излучения поглощалась, что вызывало нагрев освещаемого предмета. Этот нагрев практически всегда носил неравномерный характер, поэтому окружающий газ также нагревался неравномерно. Возникающие при этом конвекционные явления вызывали дополнительное воздействие, превышающее силу светового потока. Для этого приходилось помещать облучаемый предмет в прозрачный сосуд, из которого откачивался воздух. При этом возникала еще одна проблема – неравномерный нагрев стенок сосуда, вызывавший дополнительные конвекционные явления, ведь создавать глубокий вакуум при существовавшем тогда уровне техники было крайне сложно.
Эти побочные эффекты значительно искажали результаты опытов, так как сила светового давления очень мала. На это резонно указывали научные оппоненты.
Лебедев смог решить все проблемы, хотя для этого понадобилось 4 года напряженной работы. Сначала он научился эффективно, для того времени, удалять воздух из сосуда. Чтобы снизить конвекцию, он применил сосуды большого объема, что привело к практическому устранению влияния движения разреженного воздуха. Нагрев сосуда удалось нивелировать, благодаря применению светофильтров, «вырезающих» часть светового спектра, наиболее поглощаемую стеклянными стенками. Удалось побороть и другие факторы, влияющие на точность измерения.
Лебедев облучал видимым светом «вертушку» из крылышек из платиновой фольги различной толщины. Часть поверхностей была отполирована до зеркального состояния, часть – зачернена. Посредством этого приема можно было проверить гипотезу о том, что при отражении свет оказывает большее давление, чем при поглощении.
«Вертушки» подвешивались внутри сосуда на нити. По углу закручивания этой нити можно было определить силу светового давления. Для измерения этого угла использовалось зеркальце со шкалой.
На тот момент доминирующей являлась электромагнитная теория света, давление объяснялось с максвелловской точки зрения. Из этой теории следует, что сила давления пропорциональна энергии светового пучка. Чтобы измерить эту энергию физик применил калориметр, который временно помещался на место вертушки. Опыты Лебедева доказали верность Максвелловских взглядов, и результаты экспериментов совпали с расчетными данными в пределах 20%. На тот момент это был прорыв.
Через несколько месяцев русский ученый усовершенствовал экспериментальную установку, получив расхождение с теорией менее 1%.
Через короткое время в мире физики получила распространение и подтверждение теория и корпускулярной (наряду с электромагнитной) природы света. Опыты Лебедева ей не противоречили, и во многом ее подтверждали.
Для наглядности видео.
Вывод
Существование давления света, как физического явления, давно никем не оспаривается. При точных расчетах траекторий спутников, например, учитывается величина давления солнечного света.
Практическое же применение этого эффекта достаточно ограничено. Хотя мечты фантастов о космических путешествиях под солнечным парусом, приводимым в движение давлением солнечного света, остаются пока мечтами, экспериментальный исследовательский объект к Венере, движущийся по подобному принципу, уже запущен. Для дальнейшего развития таких движителей придется подождать появления легких, но прочных материалов.
Еще это физическое явление применяется в ядерной физике для разгона мельчайший объектов до подсветовых скоростей. Перспективным, но не очень широко применимым, выглядит и изобретение «светового пинцета» для микроскопических объектов. Но ведь и электричество, и телевидение, и многое другое, что прочно вошло в жизнь современного человека, тоже сначала выглядело бесполезными игрушками. Подождем развития технологий.
