Сьогодні присвятимо розмова такому явищу, як тиск світла. Розглянемо передумови відкриття та наслідки для науки.

Світло і колір

Загадка людських здібностей хвилювала людей з давніх часів. Як бачить око? Чому існують кольору? В чому причина того, що світ такий, яким ми його відчуваємо? Наскільки далеко здатний бачити людина? Досліди з розкладанням сонячного променя в спектр виробляв ще Ньютон в 17 столітті. Він же заклав строгу математичну основу в ряд розрізнених фактів, які на той момент були відомі про світлі. І ньютоновская теорія передбачила чимало: наприклад, відкриття, які пояснила тільки квантова фізика (відхилення світла в поле тяжіння). Але точну природу світла фізика того часу не знала і не розуміла.

Хвиля або частка

З тих пір як вчені всього світу стали проникати в суть світу, велася суперечка: що таке випромінювання, або хвиля частка (корпускула)? Одні факти (заломлення, відбивання і поляризація) підтверджували першу теорію. Інші (прямолінійне поширення у відсутності перешкод, тиск світла) – другу. Однак тільки квантова фізика змогла втихомирити цей спір, об'єднавши дві версії в одну загальну. Корпускулярно-хвильова теорія стверджує, що будь-яка мікрочастинка, в тому числі фотон, що володіє властивостями хвилі, так і частки. Тобто квант світла має такі характеристики, як частота, амплітуда і довжина хвилі, а також імпульс і маса. Відразу обмовимося: в фотонів маса спокою відсутня. Будучи квантом електромагнітного поля, вони несуть енергію і масу тільки в процесі руху. Така сутність поняття «світло». Фізика в наші дні пояснила його досить докладно.

Довжина хвилі і енергія

Трохи вище згадувалося поняття «енергія хвилі». Ейнштейн переконливо довів, що енергія і маса – ідентичні поняття. Якщо фотон несе енергію, він повинен мати масу. Однак квант світла – частинка «хитра»: коли фотон стикається з перешкодою, він повністю віддає свою енергію речовини, стає їм і втрачає свою індивідуальну сутність. При цьому певні обставини (сильне нагрівання, наприклад) можуть змусити до того темні і спокійні надра металів та газів випромінювати світло. Імпульс фотона, безпосередній наслідок наявності маси, можна визначити з допомогою тиску світла. Досліди Лебедєва, дослідника з Росії, переконливо довели цей дивовижний факт.

Досвід Лебедєва

Російський вчений Петро Миколайович Лебедєв в 1899 році провів наступний досвід. На тонкої срібної нитки він підвісив поперечину. До кінців поперечини вчений прикріпив дві пластини однакового речовини. Це були і срібна фольга, і золото, і навіть слюда. Таким чином були створені своєрідні терези. Тільки вони вимірювали вагу не вантажу, який тисне зверху, а вантажу, який тисне збоку на кожну з пластин. Всю цю конструкцію Лебедєв помістив під скляну кришку, щоб вітер і випадкові коливання щільності повітря не могли на неї вплинути. Далі, хотілося б написати, що під кришкою він створив вакуум. Але в той час навіть середнього вакууму домогтися було неможливо. Так що ми скажемо, що він створив під скляною кришкою сильно розріджену атмосферу. І поперемінно висвітлював одну пластину, залишаючи іншу в тіні. Кількість світла, спрямованого на поверхні, було визначено заздалегідь. По куті відхилення Лебедєв визначив, який імпульс передав світло пластинок.

Формули для визначення тиску електромагнітного випромінювання при нормальному падінні пучка

Для початку пояснимо, що таке «нормальне падіння»? Світло падає на поверхню нормально, якщо він спрямований строго перпендикулярно поверхні. Це накладає обмеження на задачу: поверхня повинна бути ідеально гладкою, а пучок випромінювання спрямований дуже точно. У цьому випадку обчислюється тиск світла формулою: p=(1-k+?)*I/c, де k – коефіцієнт пропускання, ? – коефіцієнт відбиття, I – інтенсивність падаючого пучка світла, c – швидкість світла у вакуумі. Але, напевно, читач вже здогадався, що такого ідеального поєднання факторів не існує. Навіть якщо не брати в розрахунок ідеальність поверхні, падіння світла строго перпендикулярно організувати досить складно.

Формули для визначення тиску електромагнітного випромінювання при його падінні під кутом

Тиск світла на дзеркальну поверхню під кутом розраховується за іншою формулою, яка вже містить елементи векторів: p= ? ((1-k)i+?i')cos Величини p, i, i' – це вектори. При цьому k ?, як і в попередній формулі, – коефіцієнти пропускання і відбиття відповідно. Нові величини позначають наступне:

? – об'ємна щільність енергії випромінювання;

i і i' – одиничні вектори, які показують напрям падаючого і відбитого пучка світла (вони задають напрямки, за якими слід складати діючі сили);

- кут до нормалі, під яким падає промінь світла (і відповідно, відбивається, так як поверхня дзеркальна).

Нагадаємо читачеві, що нормаль перпендикулярна до поверхні, так що якщо в задачі дається кут падіння світла до поверхні, то - це 90 градусів мінус задана величина.

Застосування явища тиску електромагнітного випромінювання

Школяру, який вивчає фізику, багато формули, поняття і явища здаються нудними. Тому що, як правило, вчитель розповідає теоретичні аспекти, але рідко може навести приклади користі тих чи інших феноменів. Не будемо звинувачувати в цьому шкільних наставників: вони сильно обмежені програмою, за час уроку треба розповісти великий матеріал і ще встигнути перевірити знання учнів. Тим не менш у об'єкта нашого дослідження багато цікавих додатків:

Зараз майже кожен школяр в лабораторії свого навчального закладу може повторити досвід Лебедєва. Але тоді збіг експериментальних даних з теоретичними викладками було справжнім проривом. Зроблений вперше з 20-процентною похибкою досвід дозволив вченим усього світу розвивати новий розділ фізики – квантову оптику.

Отримання протонів з високою енергією (наприклад, для опромінення різних речовин) шляхом прискорення тонких плівок лазерним імпульсом.

Облік тиску електромагнітного випромінювання Сонця на поверхню навколоземних об'єктів, у тому числі супутників і космічних станцій, дозволяє коригувати їх орбіту з більшою точністю і не дає цим пристроям падати на Землю.

Наведені вище застосування існують зараз в реальному світі. Але є й потенційні можливості, які ще не реалізовані, тому що техніка людства поки не досягла потрібного рівня. Серед них:

Сонячне вітрило. З його допомогою можна було б пересувати в навколоземному і навіть околосолнечном просторі досить великі вантажі. Світло дає невеликий імпульс, але при потрібному положенні поверхні вітрила прискорення було б постійним. При відсутності тертя його достатньо для набору швидкості і доставки вантажів в потрібну точку Сонячної системи.

Фотонний двигун. Ця технологія, можливо, дозволить людині подолати тяжіння рідної зірки і полетіти до інших світів. Відміну від сонячного вітрила в тому, що генерувати сонячні імпульси буде штучно створене пристрій, наприклад, термоядерний двигун.