Механика

Световое давление

Мы знаем, что свет поглощается веществом и передает ему свою энергию. Но оказывает ли световой поток на тело механическое воздействие? Еще в давние времена неоднократно высказывались предположения о существовании светового давления. В 1604 г. немецкий астроном Кеплер объяснил форму хвоста кометы влиянием светового давления. Однако теоретически доказать существование светового давления удалось лишь 250 лет спустя английскому физику Максвеллу. Он вычислил световое давление, исходя из теории электромагнитного поля. По расчетам Максвелла получалось, что если за 1 с на единицу площади падает и полностью поглощается световая энергия Е, то световое давление q равно E/c . При полном отражении света давление будет вдвое больше:2E/c.

Если представить себе свет, падающий на какую-то отражающую поверхность, как поток частиц-фотонов, то фотоны можно рассматривать как обычные мячики. Когда фотон падает перпендикулярно к идеальной отражающей поверхности, его вектор количества движения меняет свое направление на противоположное. Полное изменение Др этого вектора равно 2р. Величина Др есть давление на поверхность, на единицу площади которой падает один фотон ежесекундно.

Сравним полученный результат с формулой Максвелла. По этой формуле

если на поверхность падает в секунду один фотон с энергией E_ф. Из предыдущей формулы следует: E_ф = рс, где р — количество движения фотона. Но количество движения частицы равно ее массе, умноженной на скорость. Скорость фотона — это скорость света. Отсюда можно прийти к выводу: Е_ф = т_фс². Если этот вывод обобщить, то энергия любой частицы массы т равна Е = mc²!

На 1 м² площади поверхности в солнечный полдень световые лучи действуют с силой около 0,00039 Н. Это небольшая сила, и поэтому ее не удавалось долгое время измерить опытным путем. Ученые стали сомневаться в результатах, полученных Максвеллом. Важно было подтвердить их опытами.

Существование светового давления впервые установил русский физик П. Н. Лебедев в 1899 г. На тонкой нити он подвесил пару черных и пару блестящих зеркальных крылышек (рис. 28).

Все устройство было помещено в вакуум. Свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности крылышка, и его давление на это крылышко было вдвое большим, чем на зачерненное. Благодаря этому устройство поворачивалось, и по углу поворота можно было определить силу, действующую на крылышки, а значит, и давление света.

На первый взгляд опыт кажется простым. Однако такое впечатление обманчиво. «Я всю свою жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его световое давление, и вот опыты Лебедева заставили меня сдаться», — сказал английский физик Томсон, познакомившись с опытами русского ученого.

Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Великий ученый-физик; до 1933 г. жил в Германии, затем в США; член многих академий наук, почетный член Академии наук СССР, лауреат Нобелевской премии (1921). Выдающийся вклад Эйнштейна в науку - создание теории относительности. В 1905 г. им была опубликована в почти законченном виде специальная, или частная, теория относительности.

В 1907 - 1916 гг. создана общая теория относительности, которая объединяет современное учение о пространстве и времени с теорией тяготения. Кроме того, Эйнштейн дал объяснение закономерностям фотоэлектрического эффекта, разработал теорию броуновского движения, провел важные исследования в области квантовой теории света, развил основы квантовой статистики. По масштабу переворота, совершенного Эйнштейном в физике, его часто сравнивают с Ньютоном. Не случайно В. И. Ленин назвал Эйнштейна одним из великих преобразователей естествознания.