§ 29. Ціск святла. Карпускулярна-хвалевы дуалізм

Слоўца гучнае заўсёды
З цяжкасці вас выводзіць!
І. Гётэ."Фауст"

Пасля адкрыцця фатона ў навуковым свеце з новай сілай «успыхнула» старая дыскусія: так што ж такое святло — хваля ці паток часціц? Як «пагадніць» адно з адным гэтыя супярэчлівыя ўяўленні? Якія з гэтага вынікаюць высновы?

Ціскам называецца скалярная фізічная велічыня, лікава роўная адносіне модуля сілы, якая дзейнічае па нармалі да плошчы, да яе плошчы . У СІ адзінкай ціску з’яўляецца паскаль (Па): .

З законаў механікі вынікае, што цела пры ўдары аб некаторую паверхню аказвае на яе механічны ціск, абумоўлены змяненнем імпульсу цела. Прычым ціск цела на паверхню аказваецца ў выпадку як пругкага, так і няпругкага ўдару. А ці будзе ўзнікаць падобны эфект пры адбіцці і паглынанні святла некаторай паверхняй? Інакш кажучы, ці аказвае святло ціск на паверхню, з якой узаемадзейнічае? Пасля завяршэння пабудовы Максвелам хвалевай тэорыі святла адказы на гэтыя пытанні сталі відавочнымі. Святло як электрамагнітная хваля мае энергію і імпульс, таму аказвае ціск на паверхню, на якую яно падае.

Растлумачыць ціск святла можна наступным чынам (мал. 178-5). Электрычнае поле напружанасцю  электрамагнітнай хвалі, падаючай на паверхню правадніка, выклікае рух электронаў рэчыва пад дзеяннем электрычнай сілы ў напрамку, процілеглым . Магнітнае поле той жа хвалі індукцыяй  дзейнічае на часціцы, якія рухаюцца, з сілай Лорэнца , што ў дадзеным выпадку будзе накіравана ўнутр рэчыва (гл. мал. 178-5) і супадае з напрамкам распаўсюджвання святла. Сумарная сіла, якая дзейнічае на ўсе электроны з боку электрамагнітнай хвалі, і ёсць сіла ціску святла.

У 1873 г. Максвел вылічыў светлавы ціск, выкарыстаўшы распрацаваную ім тэорыю электрамагнітнага поля. Ён паказаў, што калі святло, якое падае перпендыкулярна да люстраной паверхні плошчай S=1м², прыносіць за прамежак часу Δt=1c  энергію , то яно аказвае на дадзеную паверхню ціск:

,

(1-1)

дзе c - хуткасць распаўсюджвання святла.

Ціск святла можна растлумачыць і з квантавага пункта гледжання. Разгледзім святло як паток фатонаў энергіяй hν, што падаюць нармальна на люстраную паверхню (мал. 178-6, а) і прыносяць за прамежак часу Δt=1c на плошчу  S=1м² энергію, роўную W .

Лік n гэтых фатонаў вызначаецца з умовы nhν=W : 

.

Адбіццё фатона ад люстра можна лічыць пругкім ударам, пры якім адбываецца змяненне напрамку імпульсу фатона на процілеглы (мал. 178-6, б). Модуль гэтага змянення:

.

Значыць, ціск святла на люстра:

,

што супадае з вынікам, атрыманым Максвелам.

Адзначым, што пры падзенні святла на чорную паверхню (якая цалкам паглынае) змяненне імпульсу будзе ў 2 разы меншым, паколькі:

.

Значыць, ціск святла на чорную паверхню:

.

Рускі фізік Пётр Мікалаевіч Лебедзеў у 1899 г. упершыню вымераў светлавы ціск. Ён падвесіў на тонкай нітцы каромысел з парай крылцаў на канцах (мал. 179): паверхня ў аднаго з іх была зачэрненай, забяспечваючы амаль поўнае паглынанне, а ў другога — люстраной, забяспечваючы поўнае адбіццё. Падвес з крылцамі ўтварыў адчувальныя круцільныя вагі, змешчаныя ў пасудзіну, паветра ў якой было адпампавана.
Святло практычна цалкам адбівалася ад люстраной паверхні, і яго ціск на люстраное крылца быў удвая большы, чым на зачэрненае. З прычыны гэтага ствараўся момант сіл, які паварочваў каромысел (гл. мал. 179). Вымяраючы вугал павароту каромысла, можна было меркаваць аб сіле, якая дзейнічала на крылцы, а такім чынам, вызначыць светлавы ціск.

Вымярэнні Лебедзева далі велічыню светлавога ціску, якая стасуецца з тэорыяй Максвела з хібнасцю да 20 %. У 1923 г. нямецкі фізік Вальтэр Герлах, выкарыстаўшы больш дасканалыя метады атрымання вакууму, паўтарыў доследы Лебедзева. Яму ўдалося атрымаць вынікі, якія ўзгадняліся з тэарэтычнымі значэннямі з хібнасцю да 2 %.

Факт існавання светлавога ціску мае вялікае значэнне, паколькі даказвае наяўнасць у святла не толькі энергіі, але і імпульсу. Гэта сведчыць аб матэрыяльнасці электрамагнітнага выпраменьвання, якое ўяўляе сабой яшчэ адну форму існавання матэрыі — у выглядзе электрамагнітнага поля.
Да таго ж з часоў І. Ньютана і Х. Гюйгенса (XVII ст.) уяўленні аб прыродзе святла былі супярэчлівыя. Адны вучоныя на чале з Ньютанам лічылі святло патокам часціц — карпускул (ад лац. corpusculum — маленькая часціца), іншыя следам за Гюйгенсам меркавалі, што святло ўяўляе сабой не што іншае, як хвалі.
Да пачатку XIX ст. абодва пункты гледжання адстойваліся са зменным поспехам. Так, зыходзячы з гіпотэзы аб карпускулах, можна было растлумачыць законы прамалінейнага распаўсюджвання і адбіцця святла, а такія з’явы, як інтэрферэнцыя, дыфракцыя святла, тлумачыліся толькі яго хвалевымі ўласцівасцямі.
Аднак у XX ст. было вызначана, што ў цэлым шэрагу з’яў, такіх, напрыклад, як фотаэфект, святло паводзіць сябе як сукупнасць часціц з пэўнай энергіяй і імпульсам. Адначасовая наяўнасць у аб’екта хвалевых і карпускулярных уласцівасцей атрымала назву карпускулярна-хвалевага дуалізму.
У адных працэсах у большай меры праяўляюцца хвалевыя ўлас­цівасці святла, у іншых — карпускулярныя. Доўгі час прырода гэтага дуалізму была зусім незразумелай, і ён здаваўся штучным аб’яднаннем супярэчлівых уласцівасцей матэрыі.

Толькі пасля стварэння квантавай механікі высветлілася, што «раздвойванне асобы» святла заканамерна і ўяўляе сабой праяву спецыфічных уласцівасцей, характэрных мікрасвету ў цэлым.
Французскі фізік Луі дэ Бройль у 1923 г. выказаў адважную здагадку, што карпускулярна-хвалевы дуалізм павінен мець месца для ўсіх мікрааб’ектаў.
У 1927 г. гіпотэза дэ Бройля аб наяўнасці хвалевых уласцівасцей у электрона і іншых мікрачасціц была праверана эксперыментальна, калі амерыканскія фізікі Клінтан Дэвісан
і Люстэр Джэрмер упершыню назіралі дыфракцыю электронаў на крышталі нікелю. На малюнку 180 прадстаўлена сучасная фатаграфія дыфракцыі электронаў на слюдзе.Сучасныя эксперыменты дазваляюць пасля­доўна назіраць працэс утварэння дыфракцыйнай карціны пры павелічэнні ліку электронаў, якія праходзяць праз шчыліну. Камп’ютарнае мадэляванне гэтага працэсу прадстаўлена на малюнку 181. З яго відаць, што пры павелічэнні ліку электронаў усё больш выразна фарміруюцца дыфракцыйныя максімумы (гл. мал. 181, в).
Здольнасць да інтэрферэнцыі і дыфракцыі была выяўлена не толькі ў электронаў, але і ў іншых часціц — пратонаў, нейтронаў і альфа-часціц.
Хвалевыя ўласцівасці часціц знайшлі сваё прымяненне ў электроннай оптыцы, якая займаецца даследаваннем, пабудовай і выкарыстаннем электронных пучкоў для атрымання відарысаў.
Так выкарыстанне хвалевых уласцівасцей пучка электронаў дазволіла стварыць новае пакаленне мікраскопаў — электронныя мікраскопы (мал. 182), якія значна перавышаюць па ступені павелічэння аптычныя мікраскопы.
Такім чынам, карпускулярна-хвалевы дуалізм уласцівы не толькі святлу, але і любым часціцам. У адпаведнасці з ім выкарыстоўваюцца як хвалевыя, так і карпускулярныя ўяўленні, у залежнасці ад пэўнай сітуацыі.

Нягледзячы на параўнальна малое значэнне светлавога ціску пры звычайных умовах, ён адыгрывае істотную ролю ў прыродзе. У 1604 г. нямецкі астраном Іаган Кеплер растлумачыў выгнутую форму хваста каметы (мал. 183) дзеяннем сіл светлавога ціску з боку Сонца (мал. 184). Акрамя таго, менавіта ціск святла «знутры» перашкоджвае гравітацыйнаму сцісканню зорак, ён скарачае тэрмін службы штучных спадарожнікаў Зямлі з прычыны паступовага памяншэння радыусу іх арбіты. У наш час актыўна абмяркоўваюцца і рэалізуюцца праекты касмічных караблёў — «паруснікаў», якія рухаюцца дзякуючы «сонечнаму ветру». Ужо першы электронны прасвечваючы мікраскоп (Э. Руска, 1933 г.) дазваляў вывучаць дэталі, у дзесяць разоў драбнейшыя, чым тыя, якія можна было адрозніваць праз самыя «магутныя» аптычныя мікраскопы. Далейшыя даследаванні дазволілі супрацоўнікам лабараторыі фірмы IBM у Цурыху (Швейцарыя) Г. Бінінгу і Г. Рорэру ў 1981 г. стварыць электронны сканіруючы тунэльны мікраскоп, які дазваляе разгледзець нават «асобны» атам. Група спецыялістаў Такійскага ўніверсітэта 4 лістапада 2010 г. упершыню ў гісторыі пры дапамозе электроннага мікраскопа здолела «сфатаграфаваць» самы лёгкі і самы маленькі атам — атам вадароду (мал. 185).

У 1929 г. Луі дэ Бройль за адкрыцце хвалевай прыроды электрона быў узнагароджаны Нобелеўскай прэміяй па фізіцы. У 1986 г. Герду Бінінгу і Генрыху Рорэру разам з Эрнстам Руска была прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за стварэнне электроннага мікраскопа.

Пытаннi да параграфу

1. Як электрамагнітная тэорыя тлумачыць ціск святла?
2. Апішыце сутнасць эксперыменту Лебедзева па вымярэнні светлавога ціску.
3. У чым заключаецца карпускулярна-хвалевы дуалізм святла? Пералічыце з’явы, у якіх праяўляюцца хвалевыя ўласцівасці святла; карпускулярныя (квантавыя) уласцівасці святла?4. Чаму хвост каметы заўсёды накіраваны ў процілеглы бок ад Сонца? Чаму даўжыня хваста адной і той жа каметы не заўсёды аднолькавая?
5. Як растлумачыць светлавы ціск на аснове квантавых уяўленняў аб свеце?