Где наблюдается явление давления света
Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения звучит так: электромагнитное излучение (и в частности свет) – это поток частиц, называемых фотонами. Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения взаимодействия, с = 3·10 8 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю, энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой
 | (2.7.1) |
Обратите внимание: формула (2.7.1) связывает корпускулярную характеристику электромагнитного излучения, энергию фотона, с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. Она представляет собой мостик между корпускулярной и волновой теориями. Существование этого мостика неизбежно, так как и фотон, и электромагнитная волна – это всего-навсего две модели одного и того же реально существующего объекта – электромагнитного излучения.
Всякая движущаяся частица (корпускула) обладает импульсом, причём согласно теории относительности энергия частицы Е и ее импульс p связаны формулой
 | (2.7.2) |
где 
– энергия покоя частицы. Так как энергия покоя фотона равна нулю, то из (2.7.2) и (2.7.1) следуют две очень важные формулы:
 , | (2.7.3) |
 . | (2.7.4) |
Обратимся теперь к явлению светового давления.
Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу (рис. 2.10).
Рис. 2.10
Вычислим величину светового давления.
На тело площадью S падает световой поток с энергией 
, где N – число квантов (рис. 2.11).
Рис. 2.11
KN квантов отразится от поверхности; (1 – K)N– поглотится (рис. 2.10), K– коэффициент отражения.
Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:
 . | (2.7.5) |
Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:
 , | (2.7.6) |
т.к. 
.
В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р:
 . | (2.7.7) |
Т.к. фотон обладает импульсом, то импульс, переданный телу за одну секунду, есть сила давления – сила, отнесенная к единице поверхности.
Тогда давление 
, или
где J – интенсивность излучения. Т. е. давление света можно рассчитать:
 , | (2.7.8) |
· если тело зеркально отражает, то K = 1 и 
· если полностью поглощает (абсолютно черное тело), то K = 0 и 
, т.е. световое давление на абсолютно черное тело в два раза меньше, чем на зеркальное.
Итак, следующее из корпускулярной теории заключение, что световое излучение оказывает давление на материальные предметы, причем величина давления пропорциональна интенсивности излучения, прекрасно подтверждается в экспериментах.
Одним из следствий давления солнечного света, является то, что кометы, пролетающие вблизи Солнца, имеют «хвосты» (рис. 2.12).
Рис. 2.12
4. 3. 022 Давление света П. Н. Лебедева
Основатель первой русской научной школы физиков, член-корреспондент Российской АН, почетный член Британского Королевского института, профессор Московского университета — Петр Николаевич Лебедев (1866—1912) в историю естествознания вошел как непревзойденный экспериментатор, решивший ряд труднейших проблем современной физики.
Главным трудом ученого, количественно подтвердившим электромагнитную теорию света Дж.К. Максвелла и заложившим фундамент успешного решения многих физических проблем XX в., стало открытое и измеренное им давление света на твердые тела (1900) и газы (1908).
Небезызвестный в кругу физиков Остап Бендер в житейской суете постоянно ощущал на себе давление атмосферного столба. А вот давления света этот тонкий лирик не замечал, хотя оно в ту пору было хорошо известно не только в научных, но и в литературных кругах.
Впрочем, ничего странного в том не было, т.к. по сравнению с атмосферным световое давление солнечных лучей на земной поверхности в миллиарды раз меньше. Первым же это давление обнаружил русский физик Петр Николаевич Лебедев на своих сверхминиатюрных установках, которым позавидовал бы сам левша.
К своему открытию Лебедев пришел в молодые годы в Страсбурге, где он занимался двумя научными проблемами. Одна из них стала диссертацией — «Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса», за которую ученый получил степень доктора философии (1891), а вторая — разработка теории кометных хвостов — оказалась непосредственно связанной с делом всей его жизни — измерением давления света.
Отклонения от Солнца кометных хвостов интересовали еще Кеплера и Ньютона. Позднее ученые объясняли это явление тепловыми и другими процессами, но о давлении света не шло речи до середины XIX в., пока английский физик Дж.К. Максвелл в своей электромагнитной теории света не указал на его величину, столь микроскопическую, что подтвердить ее в опыте не было никакой технической возможности.
Разнообразные эксперименты физиков на протяжении десятилетий заканчивались ничем, и только в 1888 г. немецкий ученый Г. Герц доказал, что электромагнитные колебания материальны и распространяются в пространстве без каких-либо проводов со скоростью света.
Принадлежа к числу сторонников теории электромагнетизма, Лебедев в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел» (1891) причину отклонения кометных хвостов объяснил тем, что «отталкивательная сила светового давления» превосходит ньютоновское притяжение.
Мало кто из естествоиспытателей предполагал тогда, что эта работа станет этапной не только для автора статьи, но и для астрофизики и физики в целом. Лебедев же, убежденный, что он сделал «очень важное открытие в теории движения светил», поставил себе задачу — определить величину давления света на тела.
Приняв после защиты диссертации приглашение профессора А.Г. Столетова, Лебедев поступил лаборантом на кафедру физики Московского университета, и за 10 лет сделал удивительную научную карьеру.
С большим трудом устроив собственную лабораторию, ученый провел сложнейшие эксперименты, которые историки науки любят сравнивать со «световой вертушкой Крукса». Под стеклянный колпак английский физик помещал крохотный пропеллер, и когда рядом включали лампу — пропеллер под воздействием света начинал безостановочно вращаться — якобы из-за теплового воздействия световых лучей на его лопасти.
Этой «забавой» занимались многие физики, предварительно откачивая воздух из-под колпака, но каждый раз его остаточное давление значительно превышало силу светового давления. Лебедев для экспериментов сам конструировал установки и приборы. Надо сказать, что Петр Николаевич был кудесником по части их миниатюризации. Так, например, взяв для исследования преломления электромагнитных волн за образец 600-килограммовую призму Герца, Лебедев изготовил эбонитовую призму весом всего 2 г!
В чем же состояли трудности экспериментов? Для определения светового давления на тело Лебедев создал крутильные весы — систему платиновых сверхтонких и сверхлегких дисков на закручивающемся подвесе. Точности измерений препятствовали помехи. Не объясняя физики процессов, укажем лишь, что надо было избавиться от конвекционных потоков газа под колпаком и от неодинакового нагрева двух сторон дисков при падении на них света, вследствие чего возникал дополнительный крутящий момент.
Петр Николаевич с этими препятствиями справился блестяще. В качестве примера, взять хотя бы его остроумное решение по созданию в стеклянном баллоне, где размещались крутильные весы, нужного разрежения воздуха. В баллоне Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и остаточное давление достигало величин на два порядка меньших, чем в установках других экспериментаторов.
На рубеже XIX—XX вв. развитие физики требовало нового взгляда на ее основы. В преддверии мировых потрясений естествознанию нужен был мощный рывок. И многие ученые надеялись получить его, развивая электромагнитную теорию Максвелла.
Интерес к этой проблеме был настолько велик, что когда Лебедев сделал доклад о своих экспериментах на Первом Международном конгрессе физиков в Париже (1900) и опубликовал в немецком журнале «Анналы физики» (1901) работу «Опытное исследование светового давления», как стал тут же знаменит — даже в салонах, где его открытие со знанием дела обсуждали дамы света.
Господа же ученые считали полученный Лебедевым результат «одним из важнейших достижений физики за последние годы», а самого физика — самым «искусным экспериментатором» того времени.
Законодатель науки У. Томсон (лорд Кельвин) — ярый противник Максвелла, «вынужден был сдаться перед опытами» Лебедева и признать электромагнитную теорию света.
Из открытия русского физика следовало, что электромагнитные волны обладают массой (m) и механическим импульсом (p), а электромагнитное поле наравне с формой вещества является формой материи, и его энергия (Е) выражается формулой:
где v — скорость света
Лебедеву без защиты магистерской диссертации (редчайший случай в университетской практике!) присудили степень доктора наук, премию АН и избрали членом-корреспондентом АН.
В 1901 г. новоиспеченному профессору дали кафедру Московского университета.
Продолжив свои изыскания по световому давлению на газы, которое было во много раз меньше, чем на твердые тела, (в связи с чем и сложность эксперимента возросла на порядок), Лебедев успешно разрешил трудности теоретического и экспериментального характера и о полученных результатах впервые сообщил в «Анналах физики» в 1910 г.
Новые опыты Лебедева были встречены мировой физической общественностью с восторгом. Британский Королевский институт избрал Лебедева своим почетным членом.
В 1912 г. Лебедев был назван кандидатом на Нобелевскую премию, но, увы, повторилась история с Д.И. Менделеевым. Петр Николаевич скоропостижно скончался в возрасте 46 лет — во многом из-за серьезной драмы в его карьере ученого.
В 1911 г. Лебедев вместе с ректором и рядом других профессоров оставил Московский университет в знак протеста против действий министра просвещения Л.А. Кассо, направленных на ограничение автономии университета.
На частные пожертвования в наемном помещении была организована физическая лаборатория, куда и перешел Лебедев со своими 30 учениками, многие из которых — П.П. Лазарев, С.И. Вавилов, В.К. Аркадьев, Т.П. Кравец и др. стали всемирно известными учеными, а сама лаборатория — прообразом коллективной научной работы XX в.
Продолжать свои уникальные эксперименты на новом месте Лебедеву было очень сложно. Институт Нобеля в Стокгольме дважды приглашал физика на должность директора лаборатории, но он остался верен своим ученикам.
Все это привело к трагическому концу. Всей России стали известны слова физиолога И.П. Павлова: «Когда же Россия научится беречь своих выдающихся сынов — истинную опору Отечества?»
Опыты Лебедева открыли столбовую дорогу физикам, давшим миру квантовую и гравитационную теории, физику элементарных частиц и Вселенной. Главное уравнение теории относительности воспроизводило формулу русского ученого, с той лишь разницей, что скорость света была обозначена не буквой v, а c: E = mc2.
В середине XX в. были созданы атомная и водородная бомбы, в которых использовано именно давление света, но уже чудовищной величины. Пришла новая эпоха, поставившая перед физикой не только задачи созидания, а больше — разрушения.
У Лебедева не много работ, посвященных другим аспектам физики, но все они вошли в историю науки.
Так, в 1895 г. он создал тончайшую установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длиной волны 6 и 4 мм, исследовал на ней отражение, преломление, поляризацию, интерференцию этих волн и другие явления.
Ученый глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в Международном Союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся дисперсии межзвездной среды.
В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Исследовал физик также роль вращения Земли в возникновении земного магнетизма. Принцип термоэлемента в вакууме, выдвинутый Лебедевым, ныне нашел широкое применение в военной технике
Давление света
Как и любая материальная сущность, свет воздействует на объекты окружающего мира, например, оказывает давление. Но как же так, ведь фотон – это безмассовая частица? В чем заключается физическая суть давления света и вообще, любого электромагнитного излучения? Давайте рассмотрим более детально этот и другие, связанные с давлением света, вопросы.
Суть явления
Несмотря на то, что фотон не имеет массы покоя, у него есть энергия, а значит и импульс. Логично предположить, что передавая этот импульс объектам, свет может оказывать на них давление. Но тут сразу следует отметить, что на массивные тела оно будет ничтожно мало, поэтому и зарегистрировать явление сложно.
Физическую суть давления света можно вывести и из корпускулярного, и из волнового подхода к природе света. Так, если рассматривать свет, как поток частиц, то давление можно объяснить тем, что фотоны ударяясь о поверхность тела, передают ему часть своего импульса, а значит оказывают давление. По волновому подходу – электромагнитная волна воздействует на заряженные частицы тела и, отражаясь, передает им часть своей энергии. Итог – тот же самый.
Именно исходя из этих двух логических цепочек, на рубеже 19 и 20 веков физики начали активно изучать давление света на поверхность, ставить эксперименты и проводить опыты.
Изучение и открытие давления света
Первым предположил существование давления света Иоганн Кеплер еще в середине 17 века. Однако, из-за неточности приборов того времени, экспериментально обнаружить явление не удавалось.
Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории
Чтобы исключить воздействие упругих сил воздуха, экспериментаторы поняли, что нужно добиться максимально возможного низкого давления газа. Сто лет назад еще не умели создавать вакуум, но первым догадался откачать насосами воздух из камер для этого эксперимента – русский физик Петр Николаевич Лебедев.
Он в камере с очень низким давлением воздуха подвесил крутильные весы на тонкой металлической струне. К каждой чаше была жестко прикреплена пластина зеркального металла или слюды. Эту конструкцию Лебедев попеременно облучал светом то с одной, то с другой стороны. В эксперименте удалось получить результаты, согласующиеся с теорией электромагнетизма Максвелла, правда и погрешность была на уровне 15-20%. Но через 8 лет Лебедев смог провести повторный эксперимент, получив отклонение от теории на уровне 0,5%. Явление было официально открыто.
Расчеты и формула
Самая простая формула давление света выглядит так:
Здесь р – это искомое давление света, І – интенсивность излучения, с – скорость распространения световых волн в вакууме, k – показатель пропускания, р – показатель отражения. Таким образом, мы видим, что чем больше отражение света – тем давление больше, и наоборот, чем больше пропускание – тем давление света меньше. Это знание нам пригодится дальше.
Эта формула применима к любым поверхностям, на которые свет падает строго перпендикулярно. Например, по ней можно вычислить, что давление света Солнца на поверхность вблизи Земли, если свет падает не под углом – будет равняться 9 х 10⁻¹¹ атмосфер.
В более сложных случаях, когда свет частично рассеивается, а частично отражается, применима следующая формула вычисления давления:
Здесь К – коэффициент пропускания, А – альбедо небесного тела.
Применение на практике
Еще в самом начале 20 века, как только Лебедев открыл давление световых волн, активно заговорили о практическом применении этого явления. Многие умы того времени, в частности ракетостроитель Цандер предлагали использовать давление света в межпланетных перелетах и космонавтике.
Идея была следующая – раз давление света не требует внешней энергии (топлива), ведь в космосе полно фотонов и вакуум, нет сопротивления воздуха – значит это надо использовать для конструкции космических кораблей. Загвоздка в том, что цифры давления очень малы, а вес, который нужно “передвинуть” – большой.
Исследователи взялись за эти две проблемы и предложили как решение прототип так называемого солнечного паруса. Суть в том, чтобы использовать большую отражаемую поверхность, но в то же время, чтобы она была сверхлегкой. Первой решение предложила Япония – был разработан аппарат IKAROS, парус которого имел площадь 196 квадратных метров, при стороне 14 метров, толщина паруса всего 7 микрон. Он предназначается для исследования Венеры и уже успешно выполняет свою миссию.
Дальнейшее развитие технологии космических парусников включает модификацию в так называемый лазерный парус, когда аппарат направляется мощным лазером. Кроме того, разрабатываются новые материалы, которые позволяет делать еще более тонкие и прочные отражающие поверхности, например графен.
Кроме космонавтики, явление давления света используется в физике элементарных частиц для разгона сверхмалых зеркальных поверхностей до субсветовых скоростей.