Сегодня мы расскажем об опыте Лебедева по доказательству давления фотонов света. Мы раскроем важность этого открытия и предпосылки, которые привели к нему.
Знание – это любопытство
О феномене любопытства существует две точки зрения. Одна выражается поговоркой «любопытной Варваре на базаре нос оторвали», а другая – присказкой «любопытство – не порок». Этот парадокс легко разрешается, если разграничить области, в которых интерес не приветствуется или, наоборот, нужен.
Иоганн Кеплер не был рожден, чтобы стать ученым: его отец воевал, а мать содержала трактир. Но он обладал незаурядными способностями и, конечно, был любопытен. Кроме того, Кеплер страдал от серьезного дефекта зрения. Но именно он сделал открытия, благодаря которым наука и весь мир находятся там, где они сейчас. Иоганн Кеплер знаменит тем, что уточнил планетарную систему Коперника, но поговорим мы сегодня об иных свершениях ученого.
Инерция и длина волны: средневековое наследство
Полтысячи лет назад математика и физика относились к разделу «Искусство». Поэтому Коперник занимался и механикой движения тел (в том числе небесных), и оптикой, и гравитацией. Именно он доказал существование инерции. Из заключений этого ученого выросла современная механика, понятие о взаимодействиях тел, наука об обмене скоростями соприкасающихся объектов. Также Коперник разработал стройную систему линейной оптики.
Он ввел такие понятия, как:
- «преломление света»;
- «рефракция»;
- «оптическая ось»;
- «полное внутреннее отражение»;
- «освещенность».
И его исследования в итоге доказали волновую природу света и привели к опыту Лебедева по измерению давления фотонов.
Квантовые свойства света
Для начала стоит определить сущность света и рассказать о том, что это такое. Фотон – квант электромагнитного поля. Он представляет собой пакет энергии, который движется в пространстве как единое целое. От фотона нельзя «откусить» немного энергии, но его можно преобразовать. Например, если свет поглощается веществом, то внутри тела его энергия способна претерпеть изменения и излучить обратно фотон с другой энергией. Но это формально будет не тот же квант света, который поглотился.
Примером этого может быть твердый металлический шарик. Если с его поверхности вырвать кусок материи, то форма изменится, перестанет быть сферической. Но если весь объект расплавить, взять немного жидкого металла, а затем создать из остатков шарик поменьше, то это будет опять сфера, но другая, не такая, как прежде.
Волновые свойства света
Фотоны имеют свойства волны. Базовые параметры – это:
- длина волны (характеризует пространство);
- частота (характеризует время);
- амплитуда (характеризует силу колебания).
Однако как квант электромагнитного поля, фотон обладает еще и направлением распространения (обозначается как волновой вектор). Кроме того, вектор амплитуды способен вращаться вокруг волнового вектора и создавать поляризацию волны. При одновременном испускании нескольких фотонов важным фактором также становится фаза, вернее разность фаз. Напомним, фаза – это та часть колебания, которую фронт волны имеет в конкретный момент времени (подъем, максимум, спуск или минимум).
Масса и энергия
Как остроумно доказал Эйнштейн, масса – это энергия. Но в каждом конкретном случае поиск закона, по которому одна величина превращается в другую, бывает трудным. Все перечисленные выше волновые характеристики света тесно связаны с энергией. А именно: увеличение длины волны и уменьшение частоты означает меньшую энергию. Но раз есть энергия, то у фотона должна быть масса, следовательно, должно существовать световое давление.
Структура опыта
Однако так как фотоны очень маленькие, то и масса у них должна быть небольшой. Построить прибор, который с достаточной точностью мог бы определить ее, было сложной технической задачей. Российский ученый Лебедев Петр Николаевич первым с ней справился.
Сам опыт был основан на конструкции весов, которые определяли момент кручения. На серебряной нити подвешивалась перекладина. К ее концам прикреплялись одинаковые тонкие пластинки из различных материалов. Чаще всего в опыте Лебедева использовались металлы (серебро, золото, никель), но была и слюда. Вся эта конструкция помещалась в стеклянный сосуд, в котором создавался вакуум. После этого одна пластинка освещалась, а другая оставалась в тени. Опыт Лебедева доказал, что освещение одной стороны приводит к тому, что весы начинают крутиться. По углу отклонения ученый судил о силе света.
Сложности опыта
В начале двадцатого века поставить достаточно точный эксперимент было трудно. Каждый физик умел и создавать вакуум, и работать со стеклом, и полировать поверхности. Фактически знания добывались вручную. Не существовало тогда еще больших корпораций, которые производили бы нужное оборудование сотнями штук. Прибор Лебедева был создан вручную, поэтому ученый столкнулся с рядом трудностей.
Вакуум в то время был даже не средним. Ученый откачивал воздух из-под стеклянного колпака специальным насосом. Но эксперимент проходил в лучшем случае в разреженной атмосфере. Отделить давление света (передачу импульса) от нагрева освещенной стороны прибора было сложно: основным препятствием выступало наличие газа. Если бы эксперимент проводился в условиях глубокого вакуума, то не было бы молекул, броуновское движение которых на освещенной стороне было бы сильнее.
Чувствительность угла отклонения оставляла желать лучшего. Современные винтовые определители могут измерить угол до миллионных долей радиана. В начале девятнадцатого века шкалу можно было разглядеть невооруженным глазом. Техника того времени не могла обеспечить идентичный вес и размер пластинок. Это, в свою очередь, не давало возможности равномерного распределения массы, что также создавало трудности при определении крутящего момента.
Изоляция и структура нити сильно влияет на результат. Если один конец металлической детали был нагрет сильнее по какой-то причине (это называется температурный градиент), то проволока могла начать скручиваться и без давления света. Несмотря на то что прибор Лебедева был достаточно простым и давал большую погрешность, факт передачи импульса фотонами света был подтвержден.
Форма освещения пластин
В предыдущем разделе перечислено множество технических сложностей, которые существовали в опыте, но не затронули главного – света. Чисто теоретически мы представляем себе, что на пластину падает пучок монохроматических лучей, которые строго параллельны друг другу. Но в начале двадцатого века источником света были солнце, свечи и простенькие лампы накаливания. Чтобы сделать пучок лучей параллельным, строились сложные системы линз. И в таком случае важнейшим фактором была кривая силы света источника.
На уроках физики часто говорят, что лучи исходят из одной точки. Но реальные генераторы света имеют определенные размеры. Кроме того, середина нити накаливания может испускать больше фотонов, чем края. В итоге лампа освещает некоторые области вокруг себя лучше, чем другие. Линия, которая огибает все пространство с одинаковым освещением от данного источника, и называется кривой силы света.
Кровавая луна и частичное затмение
Вампирские романы изобилуют страшными превращениями, которые случаются с людьми и природой в кровавую луну. Но там не написано, что явления этого не стоит бояться. Потому что оно – результат большого размера Солнца. Диаметр нашей центральной звезды составляет примерно 110 диаметров Земли. При этом до поверхности планеты доходят фотоны, испущенные как с одного, так и с другого края видимого диска. Таким образом, когда Луна попадает в полутень Земли, то она не заслоняется полностью, а как бы окрашивается в красный цвет. В этом оттенке виновата и атмосфера планеты: она поглощает все видимые длины волн, кроме оранжевых. Вспомните, Солнце на закате тоже краснеет, а все именно потому, что оно проходит сквозь более толстый слой атмосферы.
Как создается озоновый слой атмосферы Земли?
Дотошный читатель может спросить: «При чем здесь вообще давление света, опыты Лебедева?» Химическое действие света, между прочим, тоже связано с тем, что фотон несет импульс. А именно это явление ответственно за некоторые слои атмосферы планеты.
Как известно, наш воздушный океан в основном поглощает ультрафиолетовую составляющую солнечного света. Мало того, жизнь в известной форме была бы невозможна, купайся каменистая поверхность земли в ультрафиолете. Но на высоте примерно 100 км атмосфера еще не настолько толстая, чтобы поглощать все. И ультрафиолет получает возможность взаимодействовать с кислородом напрямую. Он разбивает молекулы О2 на свободные атомы и способствует их соединению в другую модификацию – О3. В чистом виде этот газ смертельно опасен. Именно поэтому его используют для дезинфекции воздуха, воды, одежды. Но как часть атмосферы земли он защищает все живое от воздействия вредного излучения, ведь озоновый слой очень эффективно поглощает кванты электромагнитного поля с энергией выше видимого спектра.
