19
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА
С. В. ГРЫЗЛОВ
Средневековые учены, наблюдающие за движением комет, пыталиспонять, почему в зависимости от положения комет относительно Солнца формы их хвостов изменяются. В 1604 году Иоганн Кеплер предложил, что форма хвостов комет определяется действием светового давления. С тех пор многие исследователи пыталиспонять это давление (средние них были и один из создаелей волновой теории света О. Френель). Но все эксперименты были безрезультатны. И почти 300 лет световое давление оставалось лишь гипотезой.
Эта грабора — фронтиспис французского издания 1648 года книги Ф. Годвина «Человек на Луне». Может быть, художник считал, что в небе Луны подобный летательный аппарат будет движаться за счет давления солнечного света?
19
20
В 1865 году Дж. К. Максвелл создал электромагнитную теорию света. Согласно этой теории светыные волны имеют электромагнитную природу, т. е. световые явления можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Из основных уравнений теории Максвелла как абсолотно точный факт следовало существование светового давления. Максвелл вычислил это давление. По расчетам получалось, что в солнечный полдень на поверхности, полностью отражающей световые лучи, создается давление, равное всего 4,7×10⁻⁶ Н/м².
Долго время учебы спорили о правильности уравнения Максвелла. Вновь предпринимались попытки обнаружить эфект светового давления. И вновь — безупресно.
Трудность в измерениях давления света заключалась не только и не столько в том, что сила давления света очень мала. Главные осложнения проискодили из-за того, что экспериментатор мешал… сам свет. Причем создаемые им помехи по «эффективности» во много раз превосходили давление света.
В 1899 году замечательный русский физик Петр Николаевич Лебедев впервые измерил давление света. Ему удалось быстрошие справиться с трудностями, которые мешали другим исследовать.
Основной частью прибора Лебедева были плоские легчайшие крыльшки из различных (в основном) металлических материалов. Поверхность одинки крыльше была зачерененной, а других — зеркальной. От зеркальной поверхности свет практическими полностью отражался, а зачеренная поверхности поглощала свет. В результате сила давления света на зеркальные крыльшки оказалась почти вдвое большие, чем сила давления на зачеренные. За счет этого возникалвращающий момент сил, система крыльше начинала поворачивать, закручивая нить. По углу закручивания нити оценивалось давление света.
Какие же помехи возникали при измерении?
Первая заключалась в том, что свет, падая на крыльшки, нагревал и окружающий воздух. Возникающие конвекционные потоки воздуха, подобно ветру, приводили в движение крыльшки. И когда ученый проводил измерения, неизвестно было, от чего перемешались крыльшки — то ли от светового давления, то ли от потоков воздуха.
Это была не единственная помеха. Под действием света возникает еще один эффект, который получил название радиометрического. Суть его в том, что разные стороны крыльщика нагревались по разному (ведь свет падает только с одной стороны) и отдавали разное количество энергии соприкасающимся с ними молекулам воздуха. Ту сторону, где эта энергия больше (более теплая сторона), молекули покидали с большей скоростью, т. е. с большим импульсом. А по закону сохранения импульса, улетая, они с большей силой отталкивают крыльщика, чем молекули противоположной «холодной» стороны. Оказалось, что радиометрические силы действуют в том же направлении, что и давление света, а величина их, как уже говорилось, на несколько порядков превосходит величины светового давления.
Чтобывести эти «вредные» силы к минимуму, прежде всего потребовать создать вакуум. Чем меньше молекул остается в сосуда, тем слабее помехи.
Неспростая Лебедев выбрал в качестве материалов крыльщик тонкие металлические пленки. Во-первых, такие пленки прекрасно проводили тепло, и перепад температур на разных сторонах крыльщика становились меньше — уменьшался и радиометрический эффект. Кроме того, их маленькая масса определяла небольшой момент инерции все подвижной системы, что в условиях вакуума также позволяет увеличить точность эксперимента.
Много еще различных устройств и приспособлений придумал П. Н. Лебедев. Перебрали много вариантов условия опыта и испытал различные изменения, пока его труд не приведен к успеху.
21
В результате своих экспериментов он изменил давление света; полученное им значение с точностью 20 % совпадало со значением, предсказанным теорией Максвелла. Лебедев показал, что световой поток обладает не только энергией, но и импульсом.
Долго время использовать световое давление не представлялось возможным из-за его небольшой мощности. Только появление лазеров — устройств, способных концентрировать светового энергию в очень узкий и мощный пучок, — позволило применить открытые Лебедева.
Например, можно удерживать маленькие частицы в воздухе, уравновешивая силу тяжестей силой светового давления, и перемешать их. Под действием силы светового давления частицы, имеющие разные массы, разогнются по-разному. Следовательно, можно с помощью специальных ловушек сортировать очень маленькие частицы.
Световое давление можно использовать для разделения смеси двух газов. Такое разделение может быть реализовано в случае, если частота лазерного излучения (которым облучают смесь) совпадает с частотой перехода atomов одного из газов из невозбужdenного состояния в воздухе.
Поглошая фoton, atom такого газа получает импульс по направлению лазерного пучка. При обратном переходе atomа из возбужdenного состояния в невозбужdenное вектор импульса испускаемого фотана имеет произвольное направление. При последующих поглощениях и испусканиям импульсы «испускания» взаимно газятся, а импульсы «поглошения» суммируют, и в конечном итоге резонансный atom получает общий импульс, направленный вдоль лука лазера. Таким образом, луч лазера, проходя последовательно через камеры, в период из которых находится смесь газов, увлекает за собой во вторую камеру atoms одного из них.
Световое давление можно использовать и для ускорения части в вакууме (в воздухе слишком велiko сопротивление). Этим можно воспользоваться, например, для моделирования взаимно-