Этот «цифровой» физический мир (СИ)

3.2. Где же доказательства того, что фотоны переносят импульс?

Первым и весьма наглядным свидетельством о том, что световая энергия передаётся порциями, стало явление фотоэффекта – вылета электронов из металлической пластинки, облучаемой ультрафиолетом. Если бы энергия облучения падала на пластинку «волнами», то энергии фотоэлектронов увеличивались бы по мере увеличения интенсивности облучения. Однако, энергии фотоэлектронов увеличивались лишь по мере уменьшения длины волны облучения. «Это потому, - разъяснил Эйнштейн, - что каждый фотоэлектрон выбивается одним квантом света, энергия которого и превращается в кинетическую энергию электрона – за вычетом потери на работу выхода из пластинки». Впрочем, «выбивается» - это сильно сказано. Фотоэлектроны вылетали из освещённой стороны пластинки – словно их только припекло, но не пнуло! Они вылетали в направлении, противоположном направлению полёта «выбивавших» их квантов света! Как это получалось, даже Эйнштейн объяснить не брался. О законе сохранения энергии здесь можно было говорить уверенно, а вот о законе сохранения импульса… Ну, да чёрт с ним. Для Нобелевской премии и этого хватило!

А уж как хотелось получить свидетельства о том, что кванты света переносят не только энергию, но и импульс! Вон, чем ближе комета к Солнцу, тем сильнее её ядро «пылит и газит», и тем сильнее это пыле-газовое облако (кома) «сметается» в направлении от Солнца – отчего у кометы формируется хвост. Считается, что Кеплер первый высказал в 1619 г. гипотезу о том, что «сметающим» фактором, формирующим хвосты комет, является давление светового излучения Солнца. Впоследствии электромагнитная теория света Максвелла привела к выводу о том, что давление света прямо пропорционально световой энергии, ортогонально падающей на площадку в единицу времени. Например, для давления, оказываемого солнечными лучами на радиусе орбиты Земли, на основе величины солнечной постоянной, ≈1400 Вт/м², получается величина около 5·10^-6 н/м². Лебедев утверждал [Л2], что именно давление солнечного света формирует хвосты комет, но соответствующих расчётов он не привёл – для таких расчётов требовалось знать множество параметров пыле-газовых облаков комет, а этими знаниями наука тогда не располагала.

Сегодня, когда наука такими знаниями располагает, всё так же необоснованно считается, что давление солнечного света является основным фактором, формирующим хвосты комет. Между тем, сегодня известно о потоке плазмы от Солнца – солнечном ветре – частицы которого, несомненно, переносят импульс. При средних значениях параметров солнечного ветра на радиусе орбиты Земли, т.е. при концентрации частиц, равной 10 протонам в 1 см³, и их скоростях, равных 500 км/c [Ф1], для давления солнечного ветра получаем величину ≈4.3·10^-9 н/м². Это на три порядка меньше величины светового давления, полученной на основе солнечной постоянной (см. выше) – и, казалось бы, говорить о действии солнечного ветра применительно к хвостам комет неуместно, поскольку здесь световое давление явно доминирует. Однако, такой подход не учитывает одно важное обстоятельство. А именно: солнечная постоянная характеризует излучение в широком сплошном спектре. Молекулы же газов, из которых состоит кома кометы, рассеивают лишь то излучение (в видимом диапазоне), которое попадает на полосы поглощения. Если учесть этот селектирующий фактор, то доминирующим оказывается действие солнечного ветра [Г4]. Причём, вопрос о том, какое из двух давлений – солнечного света или солнечного ветра – формирует хвосты комет, без особых проблем мог быть разрешён астрономическими наблюдениями. Известно, что в годы активного Солнца солнечный световой поток, практически, постоянен, а вот интенсивность солнечного ветра возрастает на порядок. Значит, если хвосты комет формируются давлением солнечного света, то заметной разницы у хвостов комет при спокойном и активном Солнце не наблюдалось бы, а если они формируются давлением солнечного ветра – разница наблюдалась бы. О недостатке объектов для наблюдения говорить не приходится: «Ежегодно наблюдается около десятка комет. Из них… 4-5 наблюдавшихся ранее, причём об их повторном появлении известно заранее. Две кометы – Швассмана-Вахмана и Отерма – наблюдаются ежегодно» [С2]. Тем не менее, нам удалось найти лишь одно свидетельство по данному вопросу: «Немецкий астроном Бирманн недавно выдвинул предположение, что солнечное корпускулярное излучение, т.е. частицы, вылетающие из Солнца с большими скоростями, тоже могут играть важную роль; он нашёл подтверждение своей теории в изучении влияния солнечных магнитных бурь на комету Уиппла-Федтке» [С3]. Одного этого свидетельства достаточно для вывода о том, что хвосты комет формируются, главным образом, под действием солнечного ветра – и, таким образом, хвосты комет не могут служить доказательством наличия светового давления.

А обнаруживается ли давление света в лаборатории? Считается, что оно обнаружилось в опытах Лебедева [Л3]. В этих опытах свет от электрической дуги направлялся на мишени из фольги, прикреплённые к крылышкам лёгких крутильных маятников разных конструкций. За время освещения с одной стороны, маятнику давали совершить одно полное колебание, замечая при этом три положения максимальных отклонений – по которым вычисляли нулевое положение. Затем свет направляли с другой стороны, и точно так же находили новое нулевое положение. Половина разности между этими двумя нулевыми положениями, как полагали, соответствовала силовому эффекту от светового давления.

Но главным фактором, маскировавшим искомый эффект, являлись радиометрические силы [Л3]. Эти силы обусловлены тем, что, в прилегающем к мишени объёме, температура газа с освещённой стороны выше, чем с неосвещённой – что порождает соответствующую разницу давлений на мишень. Радиометрические силы в значительной степени ослаблялись вакуумированием баллона, в котором помещался крутильный маятник; но полностью эти силы, конечно, не устранялись. Вызывает недоумение тот факт, что величину ожидаемого эффекта из-за действия этих сил – для реальных условий опыта – автор не привёл. Тогда не могло ли оказаться, что этими силами был обусловлен весь наблюдаемый эффект?

В пользу этого подозрения мы усматриваем одно важное свидетельство. Согласно теории Максвелла, давление света зависит от коэффициента отражения поверхности, на которую падает свет: для абсолютно отражающей поверхности давление в два раза больше, чем для абсолютно поглощающей. Поэтому Лебедев и использовал два типа мишеней: сильно поглощающих, покрытых платиновой чернью – и сильно отражающих, имевших зеркальное напыление. Но, вместо ожидавшейся почти двукратной разницы, имело место лишь незначительное превышение наблюдаемого эффекта для зеркальных мишеней по сравнению с чернёными. На основе рядов данных в [Л3], которые имеет смысл сравнивать, т.е. полученных для одного и того же маятника и одного и того же калориметра, измерявшего падавшую энергию, мы получили следующие средние величины эффекта (в условных единицах):

маятник N2 – (чернь) 1.55±0.07, (зеркала) 1.89±0.31;

маятник N3 – (чернь) 1.30±0.18, (зеркала) 1.70±0.24.

Как можно видеть, для маятника N2 отношение средних величин эффектов для чернённых и зеркальных мишеней составило всего-то 1.2, а для маятника N3 – 1.3. Эти цифры говорят о том, что Лебедев имел дело не с давлением света, а, скорее всего, с остаточными радиометрическими силами.

Весьма показательно и следующее обстоятельство. Спустя десятилетия, опыты Лебедева могли быть повторены в условиях, гораздо более благоприятных для устранения радиометрических сил. В баллоне Лебедева давление остаточных газов было несколько ниже, чем 10^-4 мм.рт.ст. [Л3]. Для сравнения: при поточном производстве радиоламп, их колбы откачивали до давления 10^-7 мм.рт.ст. [Е1], а в экспериментальных технических установках достигается давление ещё на несколько порядков ниже. Кроме того, могли быть использованы лазерные источники света, которые не только давали бы гораздо более мощный, чем у Лебедева, поток световой энергии, но и, при подходящем выборе рабочей длины волны, практически исключали бы действие света на остаточные газы. Однако, про сообщения о подобных опытах нам неизвестно. Трудно поверить в то, что никто не пытался ставить эти опыты. Проще поверить в то, что, после устранения радиометрических сил, пропадал и наблюдаемый силовой эффект. А чтобы публика-дура об этом не догадалась, придумали игрушку с замечательным названием: «радиометрическая вертушка». Светишь на её крыльчатку, а она и вертится! «Пусть вас не смущает название вертушки, - разъяснили публике, - она вертится из-за давления света!»