Давление света

Как и любая материальная сущность, свет воздействует на объекты окружающего мира, например, оказывает давление. Но как же так, ведь фотон – это безмассовая частица? В чем заключается физическая суть давления света и вообще, любого электромагнитного излучения? Давайте рассмотрим более детально этот и другие, связанные с давлением света, вопросы.

Суть явления

Несмотря на то, что фотон не имеет массы покоя, у него есть энергия, а значит и импульс. Логично предположить, что передавая этот импульс объектам, свет может оказывать на них давление. Но тут сразу следует отметить, что на массивные тела оно будет ничтожно мало, поэтому и зарегистрировать явление сложно.

Физическую суть давления света можно вывести и из корпускулярного, и из волнового подхода к природе света. Так, если рассматривать свет, как поток частиц, то давление можно объяснить тем, что фотоны ударяясь о поверхность тела, передают ему часть своего импульса, а значит оказывают давление. По волновому подходу – электромагнитная волна воздействует на заряженные частицы тела и, отражаясь, передает им часть своей энергии. Итог – тот же самый.

Именно исходя из этих двух логических цепочек, на рубеже 19 и 20 веков физики начали активно изучать давление света на поверхность, ставить эксперименты и проводить опыты.

Изучение и открытие давления света

Первым предположил существование давления света Иоганн Кеплер еще в середине 17 века. Однако, из-за неточности приборов того времени, экспериментально обнаружить явление не удавалось.

Чтобы исключить воздействие упругих сил воздуха, экспериментаторы поняли, что нужно добиться максимально возможного низкого давления газа. Сто лет назад еще не умели создавать вакуум, но первым догадался откачать насосами воздух из камер для этого эксперимента – русский физик Петр Николаевич Лебедев.

Он в камере с очень низким давлением воздуха подвесил крутильные весы на тонкой металлической струне. К каждой чаше была жестко прикреплена пластина зеркального металла или слюды. Эту конструкцию Лебедев попеременно облучал светом то с одной, то с другой стороны. В эксперименте удалось получить результаты, согласующиеся с теорией электромагнетизма Максвелла, правда и погрешность была на уровне 15-20%. Но через 8 лет Лебедев смог провести повторный эксперимент, получив отклонение от теории на уровне 0,5%. Явление было официально открыто.

Расчеты и формула

Самая простая формула давление света выглядит так:

Здесь р – это искомое давление света, І – интенсивность излучения, с – скорость распространения световых волн в вакууме, k – показатель пропускания, р – показатель отражения. Таким образом, мы видим, что чем больше отражение света – тем давление больше, и наоборот, чем больше пропускание – тем давление света меньше. Это знание нам пригодится дальше.

Эта формула применима к любым поверхностям, на которые свет падает строго перпендикулярно. Например, по ней можно вычислить, что давление света Солнца на поверхность вблизи Земли, если свет падает не под углом – будет равняться 9 х 10⁻¹¹ атмосфер.

В более сложных случаях, когда свет частично рассеивается, а частично отражается, применима следующая формула вычисления давления:

Здесь К – коэффициент пропускания, А – альбедо небесного тела.

Применение на практике

Еще в самом начале 20 века, как только Лебедев открыл давление световых волн, активно заговорили о практическом применении этого явления. Многие умы того времени, в частности ракетостроитель Цандер предлагали использовать давление света в межпланетных перелетах и космонавтике.

Идея была следующая – раз давление света не требует внешней энергии (топлива), ведь в космосе полно фотонов и вакуум, нет сопротивления воздуха – значит это надо использовать для конструкции космических кораблей. Загвоздка в том, что цифры давления очень малы, а вес, который нужно “передвинуть” – большой.

Исследователи взялись за эти две проблемы и предложили как решение прототип так называемого солнечного паруса. Суть в том, чтобы использовать большую отражаемую поверхность, но в то же время, чтобы она была сверхлегкой. Первой решение предложила Япония – был разработан аппарат IKAROS, парус которого имел площадь 196 квадратных метров, при стороне 14 метров, толщина паруса всего 7 микрон. Он предназначается для исследования Венеры и уже успешно выполняет свою миссию.

Дальнейшее развитие технологии космических парусников включает модификацию в так называемый лазерный парус, когда аппарат направляется мощным лазером. Кроме того, разрабатываются новые материалы, которые позволяет делать еще более тонкие и прочные отражающие поверхности, например графен.

Кроме космонавтики, явление давления света используется в физике элементарных частиц для разгона сверхмалых зеркальных поверхностей до субсветовых скоростей.