В этой статье маг Ольга Васильева отвечает на вопрос «Кто теоретически предсказал давление света?».
Оказывается, давление могут создавать не только твёрдые тела, жидкости и газы. Пáдая на поверхность тела, световое электромагнитное излучение также оказывает на неё давление.
Впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером в XVII веке. Изучая поведение комет, пролетающих вблизи Солнца, он обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что каким-то образом это отклонение вызывается воздействием солнечных лучей.
Теоретически существование светового давления было предсказано в XIX веке британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, создавшим электромагнитную теорию и утверждавшим, что свет — это также электромагнитные колебания, и он должен оказывать давление на препятствия.
Джеймс Клерк Максвелл
Свет — это электромагнитная волна. Она создаёт электрическое поле, под действием которого электроны в теле, встречающемся на её пути, совершают колебания. В теле возникает электрический ток, направленный вдоль напряжённости электрического поля. Со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца. Её направление совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила и есть сила светового давления.
По расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину, расположенную на Земле, давление определённой величины (р = 4 ·10 -6 Н/м 2 ). А если вместо чёрной пластины взять светоотражающую, то световое давление будет в 2 раза больше.
Но это было всего лишь теоретическое предположение. Чтобы доказать его, нужно было подтвердить теорию практическим экспериментом, то есть измерить величину светового давления. Но так как его величина очень мала, то практически сделать это чрезвычайно сложно.
Пётр Николаевич Лебедев
На практике это осуществил русский физик-экспериментатор Пётр Николаевич Лебедев. Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.
Схематичное изображение эксперимента Лебедева
Для проведения своего опыта Лебедев создал специальный прибор, который представлял собой стеклянный сосуд. Внутрь сосуда помещался лёгкий стерженёк на тонкой стеклянной нити. По краям этого стерженька были прикреплены тонкие лёгкие крылышки из различных металлов и слюды. Из сосуда выкачивался воздух. С помощью специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.
Но этот эксперимент не давал точных результатов. При его проведении существовали свои сложности. Так как вакуумных насосов в те времена не существовало, пользовались обычными механическими. А с их помощью в сосуде невозможно было создать абсолютный вакуум. Даже после откачивания в нём оставалось некоторое количество воздуха. Крылышки и стенки сосуда нагревались неодинаково. Сторона, обращённая к световому лучу, нагревалась быстрее. И это вызывало движение молекул воздуха. Наверх поднимались потоки более нагретого воздуха. Так как абсолютно вертикально крылышки установить невозможно, то эти потоки создавали дополнительные крутящие моменты. Кроме того, сами крылышки нагревались неодинаково. Сторона, обращённая к источнику света, нагревалась сильнее. В результате оказывалось дополнительное воздействие на угол поворота нити.
Чтобы сделать эксперимент более точным, Лебедев взял сосуд очень большого объёма. Крылышко он сделал из двух пар очень тонких кружочков из платины. Причём толщина кружочков одной пары отличалась от толщины кружочков другой пары. По одну сторону стерженька кружочки были блестящими с обеих сторон, по другую — одну из сторон покрыли платиновой чернью. Пучки света направлялись на них то с одной, то с другой стороны, чтобы уравновесить силы, действующие на крылышки. В результате давление света на крылышки было измерено. Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл.
В 1907 — 1910 г.г. с помощью более точных экспериментов Лебедев измерил давление света на газы.
Свет, как любое электромагнитное излучение, обладает энергией Е.
где v — скорость электромагнитного излучения,
С появлением квантовой теории свет стали рассматривать как поток фотонов — элементарных частиц, квантов света. Ударяясь о тело, фотоны передают ему свой импульс, то есть оказывают давление.
Фридрих Артурович Цандер
Хоть величина светового давления очень мала, тем не менее, оно может принести пользу человеку.
Ещё в 1920 г. советский учёный и изобретатель Фридрих Артурович Цандер, один из создателей первой ракеты на жидком топливе, выдвинул идею полетов в космос с помощью солнечного паруса. Она была очень проста. Солнечный свет состоит из фотонов. А они создают давление, передавая свой импульс любой освещённой поверхности. Следовательно, для того чтобы привести в движение космический аппарат, можно использовать давление, создаваемое солнечным светом или лазером на зеркальной поверхности. Такой парус не нуждается в ракетном топливе, и время его действия не ограничено. А это позволит взять больше груза по сравнению с обычным космическим кораблём с реактивным двигателем.
Но пока что это только проекты по созданию звездолётов с солнечным парусом в качестве основного двигателя.
Когда свет падает на поверхность жидкости, часть света отражается, а оставшийся пучок проходит внутрь среды. Новый эксперимент показал, что поверхность жидкости может изгибаться вовнутрь, а значит, свет толкает среду, в соответствии с теорией Абрахама
(иллюстрация Zhang, et al.).
(А) Импульс света Минковского: поверхность выпирает под тянущим воздействием света. (B) Импульс света Абрахама: поверхность прогибается под толкающим воздействием пучка излучения
(иллюстрация Zhang, et al.).
Международная команда физиков из Университета Гуанчжоу в Китае и Института Вейцмана в Израиле, работающая во главе с Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) впервые продемонстрировала толкающее давление света на жидкость. Результаты исследования и выводы из своей работы учёные изложили в статье, опубликованной в издании New Journal of Physics.
Дискуссия о природе давления или, как его ещё называют физики, импульса света, восходит к 1908 году. Тогда знаменитый немецкий учёный Герман Минковский выдвинул гипотезу о том, что свет воздействует на жидкости, такие как масло или вода, притягивая их на себя. Однако в 1909 году физик Макс Абрахам (Max Abraham) опроверг эту гипотезу и теоретически доказал, что свет оказывает толкающее давление на жидкости.
«Учёные спорили на протяжении столетия о природе импульса света и его воздействия на среду. Мы обнаружили, что импульс света не является основной физической величиной, но она проявляется во взаимодействии между светом и материей и зависит от способности света деформировать материю.
Если среда движется под воздействием пучка излучения, то прав Минковский, и свет оказывает тянущее давление. Если же среда неподвижна, то прав Абрахам, и свет оказывает толкающее давление на жидкости», — рассказывает Леонхардт.
Два различных типа давления могут быть идентифицированы экспериментально, путём освещения поверхности жидкости световым лучом. Необходимо только проследить за тем, как ведёт себя жидкость — поднимается или опускается. В первом случае окажется, что свет тянет жидкую среду на себя, а во втором — наоборот. Добавим, что обе теории согласуются в пустом пространстве (когда показатель преломления среды эквивалентен единице), но расходятся в том случае, если показатель преломления больше 1.
В своём эксперименте Леонхардт и его коллеги продемонстрировали, что поверхность жидкости можно заставить изогнуться внутрь, что будет соответствовать толкающему давлению света, и сделать это при помощи относительно широкого пучка излучения в относительно крупном контейнере. Эти два фактора заставляют свет формировать структуру потока в жидкости.
Исследователи показали, что толкающее давление света проявляется как в воде, так и в масле, которые имеют различные показатели преломления. Таким образом им удалось подтвердить теорию Абрахама.
Авторы нового исследования отмечают, что в предыдущих экспериментах их коллеги доказывали лишь правоту Минковского, демонстрируя тянущее давление света. Однако, по их словам, прежде учёные использовали более узкие световые лучи и небольшие контейнеры с жидкостью.
Леонхардт и его команда решили повторить свой эксперимент и, как только они использовали узкий луч и малый контейнер, проявилось тянущее давление света. Это означает, что характер давления зависит не только от света, но и от самой жидкости, поясняют исследователи.
Чтобы понять природу импульса света, Леонхардт предлагает провести аналогию с игрой в бильярд. По его словам, импульс света несколько отличается от него по энергии, и это различие имеет важные аспекты.
«Представьте себе игру в бильярд. Игрок берёт кий и ударяет по белому шару, который, в свою очередь, должен толкнуть шар цветной, а он может толкнуть ещё несколько шаров. Во всей этой цепочке толкающих движений передаётся импульс, изначально сообщённый игроком кию.
Свет также может толкать материю, хотя эти толчки будут микроскопическими, почти незаметными. В некоторых случаях, впрочем, толчки света могут быть очень значительными для среды. К примеру, вспомним хвосты комет.
Великий астроном Иоганн Кеплер предположил сотни лет назад, что хвост кометы — это материя, вытолкнутая с поверхности её ядра светом, поскольку он смотрит всегда в противоположную сторону от Солнца. Сегодня мы знаем, что Кеплер был отчасти прав, так как материя сталкивается солнечным ветром с ядра кометы и формируется хвост.
Так вот, импульсом мы называем способность света приводить материю в движение, и это понятие действительно тесно связано с энергией света, хотя и отличается от него», — поясняет Леонхардт.
Результаты данного исследования имеют как фундаментальное, так и практическое значение для науки. С точки зрения фундаментальных теорий, физики теперь лучше будут понимать природу света. Леонхардт и его коллеги ответили на вопрос о том, увеличивается или уменьшается импульс света с увеличением показателя преломления среды: результат зависит от способности свет привести в механическое движение жидкость, и если пучок света на это способен, то импульс уменьшается, а если нет — то увеличивается.
Что же касается практического значения нового исследования, то оно может пригодиться в развитии инновационной технологии инерциально удерживаемого термоядерного синтеза, которая подразумевает использование силы светового импульса для инициации ядерного синтеза.
Последняя работа также повлияет на оптические технологии в целом, в том числе и на развитие оптических пинцетов и наноинженерии.
Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия. Замерил давление света П. Н. Лебедев.
Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания. Образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля (рис. 162). На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца F со стороны магнитного ноля, направленная в сторону распространения волны. Это и есть сила светового давления.
Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало. В яркий солнечный день на поверхность площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4×10 -8 Н. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г.
Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки (рис. 163). Весь прибор помещался в сосуд, из которого был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить но углу закручивания нити. Трудности точного измерения давления света были связаны с невозможностью выкачать из сосуда весь воздух (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов). Кроме того, на закручивание нити влияет неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.
Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, несмотря на низкий уровень тогдашней экспериментальной техники, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. В конце концов существование светового давления на твердые тела было доказано и оно было измерено. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.
Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить, причину светового давлении. Фотоны подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.
Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом.
Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие тем не менее может оказаться существенным. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвездных процессах.
Давление света согласно электродинамике Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется благодаря передаче телу импульсов фотонов при их поглощении.
Читайте также:
Загрузка...