Сьогодні ми розповімо про досвід Лебедєва по доведенню тиску фотонів світла. Ми розкриємо важливість цього відкриття і передумови, які призвели до нього.

Знання – це цікавість

Про феномен цікавості існує дві точки зору. Одна виражається приказкою «цікавій Варварі на базарі носа відірвали», а інша – приказкою «цікавість – не порок». Цей парадокс легко вирішується, якщо розмежувати області, в яких інтерес не вітається або, навпаки, потрібен.


Йоганн Кеплер не був народжений, щоб стати вченим: його батько воював, а мати тримала трактир. Але він володів неабиякими здібностями і, звичайно, був цікавий. Крім того, Кеплер страждав від серйозного дефекту зору. Але саме він зробив відкриття, завдяки яким наука і весь світ знаходяться там, де вони зараз. Йоганн Кеплер знаменитий тим, що уточнив планетарну систему Коперника, але поговоримо ми сьогодні про інших звершення вченого.

Інерція і довжина хвилі: середньовічна спадщина

Півтисячі років тому математика і фізика ставилися до розділу «Мистецтво». Тому Коперник займався механікою і руху тіл (у тому числі небесних), і оптикою, і гравітацією. Саме він довів існування інерції. З висновків цього вченого виросла сучасна механіка, поняття про взаємодіях тіл, наука про обмін швидкостями дотичних об'єктів. Також Коперник розробив струнку систему лінійної оптики. Він увів такі поняття, як:

«заломлення світла»;

«рефракція»;

«оптична вісь»;

«повне внутрішнє відбиття»;

«освітленість».

І його дослідження в підсумку довели хвильову природу світла і призвели до досвіду Лебедєва по вимірювання тиску фотонів.

Квантові властивості світла

Для початку варто визначити сутність світу та розповісти про те, що це таке. Фотон – квант електромагнітного поля. Він являє собою пакет енергії, який рухається в просторі як єдине ціле. Від фотона не можна «відкусити» трохи енергії, але його можна перетворити. Наприклад, якщо світло поглинається речовиною, то всередині тіла його енергія здатна перетерпіти зміни і излучить назад фотон з іншого енергією. Але це формально буде не той ж квант світла, який поглотился.


Прикладом цього може бути твердий металевий кулька. Якщо з його поверхні вирвати шматок матерії, то форма зміниться, перестане бути сферичної. Але якщо весь об'єкт розплавити, взяти трохи рідкого металу, а потім створити з залишків кулька трохи менше, то це буде знову сфера, але інша, не така, як раніше.

Хвильові властивості світла

Фотони мають властивості хвилі. Базові параметри – це:

довжина хвилі (характеризує простір);

частота (характеризує час);

амплітуда (характеризує силу коливання).

Однак як квант електромагнітного поля, фотон має ще і напрямком розповсюдження (позначається як хвильовий вектор). Крім того, вектор амплітуди здатний обертатися навколо хвильового вектора і створювати поляризацію хвилі. При одночасному випущенні декількох фотонів важливим фактором також стає фаза, вірніше різниця фаз. Нагадаємо, фаза – це та частина коливання, яку фронт хвилі має в конкретний момент часу (підйом, максимум, спуск або мінімум).

Маса і енергія

Як дотепно довів Ейнштейн, маса – це енергія. Але в кожному конкретному випадку пошук закону, за яким одна величина перетворюється в іншу, буває важким. Всі перераховані вище хвильові характеристики світла тісно пов'язані з енергією. А саме: збільшення довжини хвилі і зменшення частоти означає меншу енергію. Але раз є енергія, то у фотона повинна бути маса, отже, має існувати світлове тиск.

Структура досвіду

Однак так як фотони дуже маленькі, то й маса у них повинна бути невеликою. Побудувати прилад, який з достатньою точністю міг би визначити її, було складною технічною задачею. Російський вчений Лебедєв Петро Миколайович першим з нею впорався. Сам досвід був заснований на конструкції ваг, які визначали момент кручення. На срібної нитки підвішувалася поперечина. До її кінців прикріплювалися однакові тонкі пластинки з різних матеріалів. Найчастіше в досвіді Лебедєва використовувалися метали (срібло, золото, нікель), але була і слюда. Вся ця конструкція містилася в скляну посудину, в якому створювався вакуум. Після цього одна платівка висвітлювалася, а інша залишалася в тіні. Досвід Лебедєва довів, що освітлення одного боку призводить до того, що ваги починають крутитися. По куті відхилення вчений судив про силу світла.

Складності досвіду

На початку двадцятого століття досить поставити точний експеримент було важко. Кожен фізик умів і створювати вакуум, і працювати зі склом, і полірувати поверхні. Фактично знання здобувалися вручну. Не існувало тоді ще великих корпорацій, які виробляли б потрібне обладнання сотнями штук. Прилад Лебедєва був створений вручну, тому вчений зіткнувся з низкою труднощів. Вакуум у той час був навіть не середнім. Вчений відкачував повітря з-під скляного ковпака спеціальним насосом. Але експеримент проходив у кращому випадку в розрідженій атмосфері. Відокремити тиск світла (передачу імпульсу) від нагрівання освітленої сторони приладу було складно: основною перешкодою виступало наявність газу. Якби експеримент проводився в умовах глибокого вакууму, то не було б молекул, броунівський рух яких на освітленій стороні було б сильніше.
Чутливість кута відхилення залишала бажати кращого. Сучасні гвинтові визначники можуть виміряти кут до мільйонних часток радиана. На початку дев'ятнадцятого століття шкалу можна було розгледіти неозброєним оком. Техніка того часу не могла забезпечити ідентичний вага і розмір пластинок. Це, в свою чергу, не давало можливості рівномірного розподілу маси, що також створювало труднощі при визначенні крутного моменту. Ізоляція і структура нитки сильно впливає на результат. Якщо один кінець металевої деталі був нагрітий сильніше з якоїсь причини (це називається температурний градієнт), то дріт могла почати скручуватися і без тиску світла. Незважаючи на те, що прилад Лебедєва був досить простим і давав велику похибку, факт передачі імпульсу фотонами світла був підтверджений.

Форма освітлення пластин

У попередньому розділі перераховано безліч технічних складнощів, які існували в досвіді, але не торкнулися головного світла. Чисто теоретично ми уявляємо собі, що на пластину падає пучок монохроматичних променів, які строго паралельні один одному. Але на початку двадцятого століття джерелом світла були сонце, свічки і простенькі лампи розжарювання. Щоб зробити пучок паралельних променів, будувалися складні системи лінз. І в такому випадку найважливішим чинником була крива сили світла джерела. На уроках фізики часто кажуть, що промені виходять з однієї точки. Але реальні генератори світла мають певні розміри. Крім того, середина нитки розжарювання може випускати більше фотонів, ніж краї. У підсумку лампа освітлює деякі області навколо себе краще, ніж інші. Лінія, яка огинає весь простір з однаковим освітленням від даного джерела, і називається кривою сили світла.

Кривава місяць і часткове затемнення

Вампірські романи рясніють страшними перетвореннями, які трапляються з людьми та природою в кривавий місяць. Але там не написано, що явища цього не варто боятися. Тому що воно – результат великого розміру Сонця. Діаметр нашої центральної зірки становить приблизно 110 діаметрів Землі. При цьому до поверхні планети доходять фотони, випущені як з одного, так і з іншого краю видимого диска. Таким чином, коли Місяць потрапляє в півтінь Землі, то вона не затуляється повністю, а як би забарвлюється в червоний колір. В цьому відтінку винна і атмосфера планети: вона поглинає всі видимі довжини хвиль, крім помаранчевих. Згадайте, Сонце на заході теж червоніє, а все саме тому, що воно проходить крізь товстий шар атмосфери.

Як створюється озоновий шар атмосфери Землі?

Допитливий читач може запитати: «При чому тут взагалі тиск світла, досліди Лебедєва?» Хімічна дія світла, між іншим, теж пов'язано з тим, що фотон несе імпульс. А саме це явище відповідально за деякі шари атмосфери планети. Як відомо, наш повітряний океан в основному поглинає ультрафіолетову складову сонячного світла. Мало того, життя у відомій формі була б неможлива, купайся кам'яниста поверхня землі в ультрафіолеті. Але на висоті приблизно 100 км атмосфера ще не настільки товста, щоб поглинати все. І ультрафіолет одержує можливість взаємодіяти з киснем безпосередньо. Він розбиває молекули Про 2 на вільні атоми і сприяє їх з'єднанню в іншу модифікацію – Про 3 . У чистому вигляді цей газ смертельно небезпечний. Саме тому його використовують для дезинфекції повітря, води, одягу. Але як частина атмосфери землі він захищає все живе від дії шкідливого випромінювання, адже озоновий шар дуже ефективно поглинає кванти електромагнітного поля з енергією вище видимого спектру.