CC BY
57
УДК 535.214
Федоровский В. Е.
Пенсионер, физик, бывш. раб. УЭХК, г. Новоуральск, Р.Ф.
О ДАВЛЕНИИ СВЕТА Аннотация
В статье говорится о том, как развивались научные представления о природе и свойствах света; приводится информация об экспериментах, в которых изучалось механическое действие света; делается вывод о том, что свет не оказывает давление на поверхность, на которую падает.
Ключевые слова: энергия, импульс, фотон, волна, частица, давление.
V. E. Fedorovsky
Retired, physicist, former employee of UECC,
Novouralsk, R.F.
ON THE PRESSURE OF LIGHT
Abstract
The article describes how scientific ideas about the nature and properties of light developed; provides information about experiments, that studied the mechanical action of light; and concludes that light does not exert pressure on the surface it falls on.
Keywords:
energy, momentum, photon, wave, particle, pressure.
Изучение свойств света проводилось с давних времён многими учёными. Впервые гипотезу о давлении света на предметы выдвинул в начале 17 века И. Кеплер при наблюдении ряда комет, хвост которых располагался дальше от Солнца, чем ядро. Он объяснил такое расположение хвостов давлением на частицы хвоста солнечного света.
Но когда предположили и позже обнаружили, что от Солнца идёт так называемый «солнечный ветер» - поток протонов, электронов и других частиц, которые обладают способностью передавать импульс другим телам, гипотеза о давлении света осталась под вопросом.
В 17 веке господствовала идея И. Ньютона, что свет - это поток частиц, поскольку свет отражается от поверхности так же, как и шарики.
Но после опыта Т. Юнга в 1803г, который показал, что свет испытывает интерференцию и дифракцию, решили, что свет - это волна. На волновую природу света указывает и тот факт, что два пересекающихся пучка света никак не влияют друг на друга.
В 1862г Дж. Максвелл, исходя из своей теории классической электродинамики, предположил, что свет обладает импульсом и оказывает давление на предметы. Он вывел формулу для вычисления светового давления: P=E(1+r)/c, где P - давление света, Е - энергия, падающая на единицу поверхности за 1сек, с - скорость света, r - коэффициент отражения (меняется от 0 - для абсолютно чёрного тела до 1 -для идеально отражающего).
По расчётам Максвелла солнечный свет должен оказывать давление на площадку, расположенную перпендикулярно к направлению света Солнца, равное примерно 0,5 мг/м2.
В 1887 - 1888 г.г. Г. Герц открыл явление фотоэффекта, а А.Столетов сформулировал его законы. В этом явлении фотон вёл себя как частица. Но при изучении фотоэффекта возник вопрос.
- 7 -
Энергия выбитого фотоэлектрона рассчитывается как разность энергии фотона и работы выхода электрона из металла. Закон сохранения энергии выполняется.
Но фотоэлектрон выбивается из металла не в направлении падения фотона. Это значит, что закон сохранения импульса в явлении фотоэффекта не выполняется. И возникает сомнение - а имеет ли фотон импульс?
Поскольку в экспериментах свет проявлял свойства и частицы, и волны, сделали вывод о том, что свет излучается порциями - фотонами, которые обладают корпускулярно-волновыми свойствами.
Поэтому фотон наделили свойствами и волны, и частицы - частотой, энергией, массой и импульсом: E=mc2, E=hf, p=mc, E=pc, где E - энергия, m - масса, p - импульс, f - частота, h - постоянная Планка, c -скорость света. После чего последовал окончательный вывод: если фотон проявляет свойство частицы, то он должен оказывать давление на поверхности, на которые падает.
В 1874г. англичанин У. Крукс, проводя опыты по точному взвешиванию веществ, обнаружил, что падающий на вещество солнечный луч уменьшает вес вещества. В процессе изучения этого эффекта он создал прибор, который был назван его именем - радиометр (вертушка) Крукса [1].
Радиометр состоит из стеклянной колбы, внутри которой на вертикальной оси расположена сбалансированная лёгкая крыльчатка с четырьмя симметрично расположенными металлическими лопастями. Каждая лопасть с одной стороны - серебристого цвета, с другой - чёрного. В колбе может создаваться вакуум разной величины.
Если направить на этот радиометр свет, то крыльчатка начинает вращаться. Вывод, который сделал Крукс и другие его последователи, - вращение крыльчатки происходит за счёт сил, возникающих при давлении света на лопасти. Нет света - лопасти неподвижны, есть свет - начинают вращаться.
Никто сначала подробно не стал разбираться в этом вопросе, поскольку вывод о давлении света поддерживал сам Максвелл, предложивший формулу для вычисления величины этого давления.
Но вот в 1876г. соотечественник Крукса А. Шустер при изучении радиометра обнаружил, что лопасти вращаются не так, как предсказано теорией.
Поясним, как начинают движение лопасти радиометра.
Когда свет одновременно попадает на чёрную и светлую поверхность двух лопастей (две другие лопасти обращены к свету ребром), импульс, передаваемый светлой поверхности, должен быть вдвое больше, чем чёрной.
Поэтому лопасть с обращённой к свету светлой поверхностью должна начать движение «от света». А с чёрной поверхностью - «к свету». Но лопасти начинают вращаться в обратном направлении.
Среди учёных развернулась большая дискуссия, чтобы объяснить этот «феномен», хотя ничего загадочного, как потом оказалось, в нём не было.
Свет, обладая энергией, поглощается чёрной поверхностью и нагревает её сильнее, чем светлую. Температура лопасти с чёрной поверхностью повышается, что вызывает повышение температуры и давления воздуха около этой лопасти в большей мере, чем у светлой лопасти. Поэтому чёрная пластина начинает движение «от света».
Исследования также показали, что вращение лопастей происходит только при некотором среднем давлении воздуха в колбе. При атмосферном давлении и в высоком вакууме вертушка не работает. Это говорит о том, что главными «действующими лицами» в этом эксперименте являются не фотоны, а молекулы воздуха. По сути, на пластину действует известная всем радиометрическая сила, которая возникает из-за разной величины давления воздуха около лопастей.
В конце 19 века русский учёный П. Лебедев поставил эксперимент, по результатам которого сделал вывод о том, что свет давит на поверхность тел, на которые он падает [2]. Этот результат был им доложен в августе 1900г. на Всемирном конгрессе физиков в Париже и в 1901г. опубликован в виде статьи в журнале «Annalen der Physik».
Научная общественность согласилась с таким выводом Лебедева, тем более что этот вывод подтверждал гипотезу Дж. Максвелла о том, что свет должен давить на поверхность, на которую он падает.
О результатах опыта Лебедева и утверждение, что свет давит на поверхность тел, написано во всех учебниках физики, чему всех нас научили в школе. Лебедев изготовил крутильный маятник, в котором на вертикальной нити было подвешено равноплечее коромысло. На концах коромысла располагались лёгкие плоские крылышки, которые освещались светом лампы. При падении света на эти крылышки-пластины коромысло немного поворачивалось.
Целью эксперимента Лебедева было подтверждение правильности формулы Максвелла по вычислению величины давления света.
В главе «Опыты» статьи Лебедева приводятся результаты экспериментов, из которых следует, что измеренное давление света составляет лишь 20% от величины, предсказанной формулой Максвелла. А давление света на зеркальную поверхность, хоть и оказалось больше, чем на зачернённую, но не в два раза, а только на 30 - 50% с большим разбросом экспериментальных данных.
В 2006 г. В. Костюшко повторил опыт Лебедева на более совершенной установке [3]. Он изготовил тоже крутильный маятник, габариты которого были больше, чем у Лебедева. Нить подвеса была длиннее в 5 раз, размер коромысла - в 50 раз, глубина вакуума в корпусе, где находился маятник, - на порядок. По оценкам автора его крутильный маятник был более чем в 100 раз чувствительней, чем у Лебедева. В этом эксперименте Костюшко не обнаружил давление света.
При освещении пластин маятника появлялась какая-то неизвестная сила, которая являлась главной причиной поворота коромысла и была больше радиометрической силы и предполагаемой силы давления света. Он предположил, что причиной возникновения такой силы могло быть неодинаковое изменение гравитационной и инерционной масс пластин при нагреве их светом, что вызывало из-за вращения Земли разное поведение маятника в зависимости от расположения коромысла - вдоль меридиана или поперёк.
Поэтому, заключил Костюшко, опыты Лебедева не являются доказательством того, что свет давит на поверхность, на которую он падает. Если такое давление и есть, то оно значительно меньше величины, предсказанной теорией. А «Радиометры Крукса», как сувенирные физические модели, продаются по всему миру и как бы «демонстрируют» давление света. А вот «Радиометров Лебедева», которые бы действительно демонстрировали давление света, нет даже в физических лабораториях технических вузов. И это при современном высоком уровне развитии техники!
Официальная наука почему-то не приемлет никаких других идей, кроме той, что у фотона есть импульс, поэтому свет оказывает давление на предметы. Тем не менее, учёные-энтузиасты продолжали и продолжают экспериментировать со светом.
В 1906г. русский профессор Н. Мышкин, проводя опыты с подвешенным на нити диском, сделал вывод, что свет не давит, а притягивает [4]. Аналогичный результат получил в 70-е годы инженер В. Беляев [5]. Его крутильный маятник, защищённый экранами из разных материалов, поворачивался к свету, когда в комнате включалась лампа.
В начале 90-х годов москвич Е. Дёмин проводил подобные эксперименты и по их результатам подал заявку на открытие эффекта притяжения света [6].
В одном из опытов эксперимента Костюшко, описанного выше, тоже был сделан вывод о том, что свет обладает свойством притяжения.
Подтверждением гипотезы о том, что свет не оказывает давление на предметы, является изобретение инфракрасного лазерного пинцета, с помощью которого можно захватывать, удерживать и перемещать микрообъекты без нарушения их целостности.
Этот эффект обнаружил в 1970г. А. Ашкин из компании Bell Telephone Laboratories (США) и назвал его «отрицательным давлением излучения» [7]. За это открытие ему в 2018г. была присуждена Нобелевская премия.
Если бы существовало давление света, то луч лазера выталкивал бы все частицы по направлению луча, и ни о какой ловушке не было бы и речи.
Создание лазерного пинцета говорит ещё и о том, что электромагнитные волны, возможно, являются переносчиками гравитационных взаимодействий.
Если фотон - частица, то он должен иметь массу покоя и такую же массу движения. Но в покое масса фотона равна нулю, значит, и в движении его масса тоже равна нулю, и он не может передавать импульс телам.
Если фотон - волна, то электромагнитная волна, как и любая другая волна, характеризуется только энергией. У волны нет массы, масса есть только у частиц среды, в которой распространяется волна.
Тот факт, что при фотоэффекте закон сохранения импульса не соблюдается, говорит о том, что частицы и волны могут обмениваться между собой только энергией. Закон сохранения импульса при взаимодействиях волн и частиц применять нельзя, он там не работает.
Подвешенная на тонкой нити папиросная бумага под действием направленной на неё перпендикулярно её поверхности звуковой волны не движется в сторону распространения волны, а совершает только колебательные движения около вертикального положения равновесия.
Первая полуволна - сжатого воздуха - сообщает бумаге импульс в одну сторону, а вторая половина волны - разрежённого воздуха - возвращает бумагу на место таким же обратным импульсом. При большом звуковом давлении бумага может порваться. Тогда целостность бумаги не восстановится, и будет ощущение, будто бумагу порвала пролетевшая через неё частица.
По аналогии можно предположить, что электромагнитная волна (фотон), как сложная волна в эфире, не может ускорить условно неподвижную частицу.
Волна, передавая частице энергию, может заставить частицу или «дрожать», или выбить её с «насиженного места», если энергия первой полуволны сжатой среды эфира больше энергии связи частицы в системе, где она находится, как это происходит в фотоэффекте.
Любопытно, что в Физической энциклопедии [8] в статье «Давление света» приводится формула Максвелла для вычисления давления света, но со знаком минус перед коэффициентом отражения: Р=Е(1-г)/с. То есть, при г=1 (полное отражение) давление света равно нулю.
Это означает, что свет (фотоны, электромагнитные волны) не оказывает давление на объекты, которые полностью его отражают. А парадокс состоит в том, что в тексте статьи утверждается, что давление света существует. Заключение.
1. Закон сохранения импульса применим только для материальных тел. Его нельзя распространять на взаимодействие волн, не имеющих массы, и частиц (тел), имеющих массу, - это разные среды
2. Свет - это электромагнитные волны в эфире, которые при взаимодействии с веществом, передавая ему энергию, проявляют свойство частиц.
3. Свет не обладает импульсом и свойством давить на поверхность, на которую падает. Более того, возможно, что свет проявляет свойство притяжения.
Список использованной литературы:
1. Г. Ершов, «Радиометр Крукса», 2015 (электронный ресурс).
2. П. Лебедев, «Опытное исследование светового давления» в книге «Избранные сочинения» под. ред. А. Тимирязева, 1949г.
3. В.Костюшко, «Экспериментальная ошибка П. Лебедева - причина ложного вывода о существовании давления света», 2006 (электронный ресурс).
4. Н. Мышкин, «Движение тела, находящегося в потоке лучистой энергии», ж. ФХО, т.38, вып.3, 1906.
5. В. Беляев, «Дельта - паучья нить», «Техн. молодёжи», 9, 1980.
6. Е. Дёмин, «Шестая сила таится в тени», «Техн. молодёжи», 12, 1992.
7. А. Эшкин, «Давление лазерного излучения», УФН, 110, 1, 1973.
8. «Физич. энциклопедия» в 5 томах под ред. А.М.Прохорова, т.1, 1988.
© Федоровский В.Е, 2020
