Где же повторения опытов Лебедева?

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}. [7]. Для сравнения: при поточном производстве радиоламп, их колбы откачивали до давления 10^{-7 мм.рт.ст}. [9], 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. Не связано ли это с тем, что, при избавлении от радиометрических сил, пропадает и наблюдаемый эффект?

Впрочем, нам известна одна статья [10], посвящённая демонстрациям давления лазерного света. В первом из описанных там экспериментов, лазерный луч слабо фокусировался в кювете с жидкостью, в которой были взвешены мелкодисперсные полупрозрачные диэлектрические шарики. В створе светового луча наблюдались два типа движений шариков: вдоль луча – сонаправленно с потоком световой энергии – и поперёк луча. Едва ли можно сомневаться в том, что движение шариков вдоль луча не вызывалось световым давлением, а представляло собой фотофорез, обусловленный более высокой температурой жидкости с освещённой стороны шарика – автор [10] и не оспаривает этот тезис. Поперечные же движения шариков считались следствием светового давления, согласно следующей модели. Рассматривался случай, когда шарик находится в створе светового гауссова пучка, на некотором удалении от его центральной оси. Испытывая преломление на поверхностях шарика, лучи света изменяют свои направления, отчего шарику, якобы, передаются импульсы отдачи. Ввиду радиального уменьшения интенсивности в гауссовом пучке, на половину освещённой полусферы шарика, находящейся ближе к центральной оси пучка, падает больший световой поток, чем на другую половину – отчего суммарная отдача в радиальном направлении не равна нулю. Странным образом, в этой модели не учитывается отражение падающих на шарик лучей – а ведь тогда, при тех же исходных предпосылках, суммарная отдача имела бы прямо противоположное направление. Вновь, ни о каком подтверждении наличия светового давления говорить не приходится.

Второй эксперимент, описанный в [10], это «оптическая левитация»: удержание на весу в воздухе крупинки вещества, подсвечиваемой лазерным лучом снизу. Опять же: где доказательства, что крупинка удерживается световым давлением, а не радиометрическими силами? Второй из этих вариантов, на наш взгляд, гораздо правдоподобнее. Плохи дела с экспериментальным подтверждением наличия светового давления, если журнал УФН перепечатывает подобные бездоказательные статьи.

Добавим, что УФН напечатал ещё статью [11] – «Резонансное световое давление». Это многообещающее название обманчиво, т.к. статья [11] имеет чисто теоретический характер.

Давление света - давление, оказываемое светом на отражающие и поглощающие тела, частицы, а также отдельные молекулы и атомы; одно из пондеромоторных действий света, связанное с передачей импульса электромагнитного поля веществу. Гипотеза о существовании давления света была впервые высказана И. Кеплером (J.Kepler) в 17 в. для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Теория давление света в рамках классической электродинамики дана Дж. Максвеллом (J.Maxwell) в 1873. В ней давление света тесно связано с рассеянием и поглощением электромагнитной волны частицами вещества. В рамках квантовой теории давление света - результат передачи импульса фотонами телу.

При нормальном падении света на поверхность твердого тела давление света определяется формулой p = S (1 - R)/ c, где S - плотность потока энергии (интенсивность света), R - коэффициент отражения света от поверхности.

Экспериментально давление света на твердые тела было впервые исследовано П.Н.Лебедевым в 1899. Основные трудности в экспериментальном обнаружении давления света заключались в выделении его на фоне радиометрических и конвективных сил, величина которых зависит от давления окружающего тело газа и при недостаточном вакууме может превышать давление света на несколько порядков. В опытах Лебедева в вакуумированном ( мм рт. ст.) стеклянном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались коромысла крутильных весов с закрепленными на них тонкими дисками-крылышками, которые и облучались. Крылышки изготавливались из различных металлов и слюды с идентичными противоположными поверхностями. Последовательно облучая переднюю и заднюю поверхности крылышек различной толщины, Лебедеву удалось нивелировать остаточное действие радиометрических сил и получить удовлетворительное (с ошибкой %) согласие с теорией Максвелла. В 1907-10 Лебедев выполнил еще более тонкие эксперименты по исследованию давления света на газы и также получил хорошее согласие с теорией.

Давление света играет большую роль в астрономических и атомных явлениях. В астрофизике давление света наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитации. Действием давления света объясняются некоторые формы кометных хвостов. К атомным эффектам относится т. н. световая отдача, которую испытывает возбужденный атом при испускании фотона.

В конденсированных средах давление света может вызывать ток носителей (смотри Светоэлектрический эффект).

Специфические особенности давления света обнаруживаются в разреженных атомных системах при резонансном рассеянии интенсивного света, когда частота лазерного излучения равна частоте атомного перехода. Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбужденное состояние. Далее, спонтанно испуская фотон, атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и, в конечном итоге, резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча резонансное давление света. Сила F резонансного давления света на атом определяется как импульс, переданный потоком фотонов с плотностью N в единицу времени: , где - импульс одного фотона, - сечение поглощения резонансного фотона, - длина волны света. При относительно малых плотностях излучения резонансное давление света прямо пропорционально интенсивности света. При больших плотностях N в связи с конечным () временем жизни возбужденного уровня происходит насыщение поглощения и насыщение резонансного давления света (см. Насыщения эффект). В этом случае давление света создают фотоны, снонтанно испускаемые атомами со средней частотой (обратной времени жизни возбужденного атома) в случайном направлении, определяемом диаграммой испускания атома. Сила светового давления перестаёт зависеть от интенсивности, а определяется скоростью спонтанных актов испускания: . Для типичных значений с^-1 и мкм сила давления света эВ/см; при насыщении резонансное давление света может создавать ускорение атомов до 10⁵ g (g - ускорение свободного падения). Столь большие силы позволяют селективно управлять атомными пучками, варьируя частоту света и по-разному воздействуя на группы атомов, мало отличающиеся частотами резонансного поглощения. В частности, удается сжимать максвелловское распределение по скоростям, убирая из пучка высокоскоростные атомы. Свет лазера направляют навстречу атомному пучку, подбирая при этом частоту и форму спектра излучения так, чтобы наиболее сильное тормозящее действие давления света испытывали наиболее быстрые атомы из-за их большего доплеровского смещения резонансной частоты. Другим возможным применением резонансного давления света является разделение газов: при облучении двухкамерного сосуда, наполненного смесью двух газов, один из которых находится в резонансе с излучением, резонансные атомы под действием давления света перейдут в дальнюю камеру.

Своеобразные черты имеет резонансное давление света на атомы, помещенные в поле интенсивной стоячей волны. С квантовой точки зрения стоячая волна, образованная встречными потоками фотонов, вызывает толчки атома, обусловленные поглощением фотонов и их стимулированным испусканием. Средняя сила, действующая на атом, при этом не равна нулю вследствие неоднородности поля на длине волны. С классической точки зрения сила давления света обусловлена действием пространственно неоднородного поля на наведенный им атомный диполь. Эта сила минимальна в узлах, где дипольный момент не наводится, и в пучностях, где градиент поля обращается в нуль. Максимальная сила давления света по порядку величины равна (знаки относятся к синфазному и противофазному движению диполей с моментом d по отношению к полю с напряжённостью E). Эта сила может достигать гигантских значений: для дебай, мкм и В/см сила эВ/см.

Поле стоячей волны расслаивает пучок атомов, проходящий сквозь луч света, так как диполи, колеблющиеся в противофазе, двигаются по различным траекториям подобно атомам в опыте Штерна-Герлаха. В лазерных пучках на атомы, двигающиеся вдоль луча, действует радиальная сила давления света, обусловленная радиальной неоднородностью плотности светового поля.

Как в стоячей, так и в бегущей волне происходит не только детерминированное движение атомов, но и их диффузия в фазовом пространстве вследствие того, что акты поглощения и испускания фотонов - чисто квантовые случайные процессы. Коэффициент пространственной диффузии для атома с массой M в бегущей волне равен .