Давление света

Давление света,

давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые  было экспериментально открыто и  измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см. Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Д. с. Для обнаружения Д. с. Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги В. Перемещение зеркал S₁, S₄ давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследователей полностью согласуются со значением  Д. с., определённым на основе электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873), что явилось ещё одним важным подтверждением теории электромагнитного поля Фарадея — Максвелла. Согласно электромагнитной теории света, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электромагнитной энергии (энергии, заключённой в единице объёма) около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на 1 см²поверхности тела, равна S эрг/см²( сек), коэффициент отражения электромагнигной энергии от поверхности тела равен R, то вблизи поверхности плотность энергии u = S• (1+R)/c (с — скорость света). Этой величине и равно Д. с. на поверхность тела: р = S (1 + R)/c (эрг/см³ или дж/м³). Например, мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4•10⁶ эрг/(см²(сек) или 1,4•10³ вт/м², следовательно, для абсолютной поглощающей поверхности (когда R = 0) р = 4,3 •10^-5lдин/см² = 4,3•10^-6 н/м². Общее давление солнечного излучения на Землю равно 6•10¹³ дин (6•10⁸ н), что в 10¹³ раз меньше силы притяжения Солнца.

Изотропное равновесное излучение  также оказывает давление на систему (тело), с которой оно находится  в термодинамическом равновесии:

р = u/3=1/3•sT⁴ ,

где s — постоянная Стефана —  Больцмана, Т — температура излучения. Существование Д. с. показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.

С точки зрения квантовой теории, Д. с. — результат передачи телам импульса фотонов (квантов энергии электромагнитного поля) в процессах поглощения или отражения света. Квантовая теория даёт для Д. с. те же формулы.

Особо важную роль Д. с. играет в двух противоположных по масштабам областях явлений — в явлениях астрономических и явлениях атомарных. В астрофизике Д. с. наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия (при температуре ~ 10⁷ градусов в недрах звёзд Д. с. достигает десятков млн. атмосфер). Д. с. существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа; действием Д. с. объясняются некоторые формы кометных хвостов (см. Кометы). Д. с. вызывает возмущение орбит искусственных спутников Земли (особенно лёгких спутников-баллонов типа "Эхо" с большой отражающей поверхностью). К атомарным эффектам Д. с. относится "световая отдача", которую испытывает возбуждённый атом при испускании фотона. К Д. с. близко явление передачи гамма-квантами части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются (см. Комптон-эффект), или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения (см. Мёссбауэра эффект).

Не вызывает сомнений то, что световая энергия передаётся порциями, или квантами – о чём с очевидностью свидетельствует хотя бы явление фотоэффекта. Но сам процесс передачи кванта энергии допускает различные представления.

Согласно традиционному подходу, световую энергию переносят фотоны – самодостаточные стабильные частицы, существующие независимо от излучателя и поглотителя и движущиеся в пространстве со скоростью света c. Из этих представлений следует, что каждый фотон переносит не только энергию hf, где h – постоянная Планка, f – частота, но и импульс hf/c – т.е. свет должен оказывать давление на вещество.

Согласно же нашему подходу, фотонов  – в традиционном понимании –  не существует, поскольку физической энергией, в самых разнообразных  её формах, обладает только вещество. По логике «цифрового» мира, кванты световой энергии перебрасываются непосредственно с атома на атом, без прохождения по разделяющему атомы пространству – причём, такой переброс осуществляется, практически, мгновенно. Об этой мгновенности свидетельствует эффект, впервые обнаруженный Басовым с сотрудниками (см. обзор [1]): «выпадение» групповой задержки на прохождение лазерного импульса между генератором и нелинейной ячейкой – при совпадении их спектральных линий. Таким образом, передача кванта световой энергии представляет собой цепочку его мгновенных перебросов с атома на атом. Конечность же скорости света обусловлена, на наш взгляд, конечным быстродействием алгоритма, называемого нами «навигатором квантовых перебросов энергии» [2], который осуществляет поиск атомов-получателей, т.е. прокладывает путь кванту световой энергии и, в итоге, отвечает за геометрические и волновые эффекты при распространении света. Согласно этим представлениям, при передаче кванта световой энергии не происходит передача импульса, т.е. свет не должен оказывать давление на вещество.

Данная статья представляет собой  критический обзор ключевых экспериментов, которые, как обычно полагают, доказывают наличие давления света. Мы увидим, что эти «доказательства» основаны либо на недоразумениях, либо на сознательном искажении фактической экспериментальной картины. Между тем, эта фактическая картина допускает более разумную и правдоподобную интерпретацию, основанную на наших представлениях – согласно которым, при передаче кванта световой энергии не происходит передача импульса.  

О хвостах комет.

Известно, что чем ближе комета находится к своему перигелию, тем  сильнее её ядро «пылит и газит», и тем сильнее это пыле-газовое  облако (кома) «сметается» в направлении  от Солнца – отчего у кометы формируется  хвост. Считается, что Кеплер первый высказал в 1619 г. гипотезу о том, что «сметающее» действие, формирующее хвосты комет, является давлением светового излучения Солнца. Впоследствии электромагнитная теория света Максвелла привела к выводу о том, что давление света прямо пропорционально световой энергии, ортогонально падающей на площадку в единицу времени. Например, для давления, оказываемого солнечными лучами на радиусе орбиты Земли, на основе величины солнечной постоянной, »1400 Вт/м², получается величина около 5×10^-6 н/м². Лебедев утверждал [3], что именно давление солнечного света формирует хвосты комет, но соответствующих расчётов он не привёл – для таких расчётов требовалось знать множество параметров пыле-газовых облаков комет, а этими знаниями наука тогда не располагала.

Сегодня, когда наука такими знаниями располагает, всё так же необоснованно  считается, что давление солнечного света является основным фактором, формирующим хвосты комет. Между  тем, сегодня известно о потоке плазмы от Солнца – солнечном ветре – частицы которого, несомненно, переносят импульс. Оценим результирующее давление при ортогональном падении этих частиц на площадку. При средних значениях параметров солнечного ветра на радиусе орбиты Земли, т.е. при концентрации частиц, равной 10 протонам в 1 см³, и их скоростях, равных 500 км/c [4], для искомого давления получаем величину »4.3×10^-9 н/м². Это на три порядка меньше величины светового давления, полученной на основе солнечной постоянной (см. выше) – и, казалось бы, говорить о действии солнечного ветра применительно к хвостам комет неуместно, поскольку здесь световое давление явно доминирует. Однако, такой подход не учитывает одно важное обстоятельство. А именно: солнечная постоянная характеризует излучение в широком сплошном спектре. Молекулы же газов, из которых состоит кома кометы, рассеивают, согласно квантовой теории, лишь то излучение (в видимом диапазоне), которое попадает на узкие линии поглощения. При этом, для грубой оценки можно считать, что результирующая «рабочая» доля световой энергии уменьшена в V_эфф/c раз, где V_эфф – эффективная скорость газовых молекул в коме кометы. Ясно, что V_эфф не может превышать космические скорости, с которыми движутся кометы, иначе кома не могла бы формироваться. И тогда, даже при V_эфф в десяток километров в секунду, поправочный коэффициент V_эфф/c для светового давления имеет порядок 10^-4 – и, таким образом, даже если световое давление имеет место, доминирующим оказывается действие солнечного ветра. Это сравнение было сделано для удаления от Солнца, равного радиусу орбиты Земли, но и на меньших удалениях картина принципиально не меняется.

Подчеркнём, что вопрос о том, какое  из двух давлений – солнечного света  или солнечного ветра – является доминирующим при формировании хвостов  комет, без особых проблем мог быть разрешён астрономическими наблюдениями. Известно, что в годы активного Солнца интенсивность солнечного ветра возрастает на порядок, тогда как солнечный световой поток, практически, постоянен. Таким образом, при доминировании давления солнечного света, заметной разницы у хвостов комет при спокойном и активном Солнце не наблюдалось бы, а при доминировании давления солнечного ветра – разница наблюдалась бы. О недостатке объектов для наблюдения говорить не приходится: «Ежегодно наблюдается около десятка комет. Из них… 4-5 наблюдавшихся ранее, причём об их повторном появлении известно заранее. Две кометы – Швассмана-Вахмана и Отерма – наблюдаются ежегодно» [5]. Тем не менее, нам удалось найти лишь одно свидетельство по данному вопросу: «Немецкий астроном Бирманн недавно выдвинул предположение, что солнечное корпускулярное излучение, т.е. частицы, вылетающие из Солнца с большими скоростями, тоже могут играть важную роль; он нашёл подтверждение своей теории в изучении влияния солнечных магнитных бурь на комету Уиппла-Федтке» [6]. Одного этого свидетельства достаточно для вывода о том, что хвосты комет формируются, главным образом, под действием солнечного ветра – и, таким образом, хвосты комет не могут служить доказательством наличия светового давления.

Добавим, что специалисты по космонавтике говорят о влиянии давления солнечного света на движение космических аппаратов. Едва ли можно сомневаться в том, что и в данном случае проявляется, в действительности, давление солнечного ветра.  

Опыты Лебедева по исследованию светового давления.

Считается, что первым лабораторным подтверждением наличия светового  давления являются опыты Лебедева [7].

В этих опытах свет от электрической  дуги направлялся на мишени из фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников разных конструкций. Часто встречается неверное изложение процедуры: Лебедев, якобы, направлял световой поток попеременно то на одну поверхность мишени, то на другую – с периодичностью, соответствующей периоду собственных колебаний крутильного маятника – и, таким образом, раскачивал его. Судя по описанию [7], попеременность направления света на ту или иную сторону мишени использовалась не для раскачки маятника, а для смещения его нулевого положения. За время освещения с одной стороны, маятнику давали совершить одно полное колебание, замечая при этом три положения максимальных отклонений – по которым вычисляли нулевое положение. Затем свет направляли с другой стороны, и точно так же находили новое нулевое положение. Половина разности между этими двумя нулевыми положениями, как полагали, соответствовала силовому эффекту от светового давления.

Одним из главных  факторов, маскировавших искомый  эффект, являлись радиометрические силы [7]. Эти силы обусловлены тем, что, в прилегающем к мишени объёме, температура газа с освещённой стороны выше, чем с неосвещённой – что порождает соответствующую разницу давлений на мишень. Радиометрические силы в значительной степени ослаблялись вакуумированием баллона, в котором помещался крутильный маятник; но полностью эти силы, конечно, не устранялись. Вызывает недоумение тот факт, что величину ожидаемого эффекта из-за действия этих сил – для реальных условий опыта – автор не привёл. Тогда не могло ли оказаться, что этими силами был обусловлен весь наблюдаемый эффект?

В пользу этого подозрения мы усматриваем одно важное свидетельство. Согласно теории Максвелла, давление света зависит от коэффициента отражения r поверхности, на которую падает свет: p=(E/c)(1+r), где E – световая энергия, падающая ортогонально на единицу поверхности в единицу времени, r=0 для абсолютно поглощающей поверхности, и r=1 – для абсолютно отражающей. Для проверки этого вывода Лебедев использовал два типа мишеней: сильно поглощающих, покрытых платиновой чернью – и сильно отражающих, имевших зеркальное напыление. По сравнению с первыми, для вторых эффект от светового давления ожидался почти в два раза большим – но этого не обнаружилось. Имело место лишь незначительное превышение наблюдаемого эффекта для зеркальных мишеней по сравнению с чернёными. На основе рядов данных в [7], которые имеет смысл сравнивать, т.е. полученных для одного и того же маятника и одного и того же калориметра, измерявшего падавшую энергию, мы получили следующие средние величины эффекта (в условных единицах):

маятник N2 – (чернь) 1.55±0.07,  (зеркала) 1.89±0.31;

маятник N3 – (чернь) 1.30±0.18,  (зеркала) 1.70±0.24.

Как можно видеть, для маятника N2 отношение средних величин эффектов для чернённых и зеркальных мишеней составило всего-то 1.2, а для маятника N3 – 1.3. Эти цифры говорят о том, что Лебедев имел дело не с «максвелловским давлением», а, по-видимому, с остаточными радиометрическими силами.

Ещё более странное впечатление  производит работа Лебедева [8], в которой  он исследовал «давление света» на газы.  

Где же повторения опытов Лебедева?

Спустя десятилетия, опыты Лебедева могли быть повторены  в условиях, гораздо более благоприятных  для устранения радиометрических сил. В баллоне Лебедева давление остаточных газов было несколько ниже, чем 10^-4 мм.рт.ст. [7]. Для сравнения: при поточном производстве радиоламп, их колбы откачивали до давления 10^-7 мм.рт.ст. [9], а в экспериментальных технических установках достигается давление ещё на несколько порядков ниже. Кроме того, могли быть использованы лазерные источники света, которые не только давали бы гораздо более мощный, чем у Лебедева, поток световой энергии, но и, при подходящем выборе рабочей длины волны, практически исключали бы действие света на остаточные газы. Однако, про сообщения о подобных опытах нам неизвестно. Не связано ли это с тем, что, при избавлении от радиометрических сил, пропадает и наблюдаемый эффект?