1626435886-1cce6bde8b5ee3bdaa35d7367a651ad8 (844327), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Естественно, что изменение взгляда на лабораторную роль светового давления привело также к глубокому изменению целей и задач исследований. В современных исследованиях в качестве важнейших выдвинуты цели разработки на основе давления лазерного излучения методов управления двиясепием атомов и атомных ионов. В соответствии с такой постановкой проблемы основным содержанием современных исследований является изучение характера движения атомных частиц в световых полях различных конфигураций. С современной точки зрения, изменения, происшедшие после изобретения лазеров, позволяют говорить о двух этапах в исследованиях давления света па вещество.
Первый из них, его можно назвать классическим, охватывает значительный исторический период — с начала ХУП века до шестидесятых годов нашего столетия. В течение этого периода фундаментальными исследованиями Кеплера, Максвелла, Лебедева и Эйнштейна были заложены основы теории светового давления и был экспериментально установлен сам факт существования давления света на вещество. Современные исследования давления лазерного излучения составляют второй крупный этап развития проблемы светового давления. Характерными отличительными чертами этого второго периода являются перенесение «центра тяжести» исследований на изучение законов движения атомных частиц в световых полях и развитие на этой основе прикладных исследований, использующих давление лазерного излучения для управления движением частиц. Ниже, в $$ 1.1 — 1.3, дан краткий обзор идей и работ, относящихся к каждому этапу изучения светового давления.
з 1 1. Ранние исследования светового давления Первой крупной вехой классического периода в изучении давления света на вещество явилась гипотеза Кеплера, выдвинутая в 1619 г. в сочинении «Пе Соше11з«, о том, что причиной отклонения кометных хвостов от Солнца является давление солнечных лучей. Впоследствии данная гипотеза неоднократно привлекала внимание исследователей, получив особенно детальное развитие в работах русских ученых Бредихина и Лебедева. Не останавливаясь на истории этой чрезвычайно интересной гипотезы, отметим, что более поздние исследования установили, что одним только давлением света на частицы, составляющие кометные хвосты, невозможно объяснить наблюдаемые отклонения.
Тем не менее данная гипотеза сыграла значительную роль в установлении космической роли светового давления. В частности, опа привела к установлению факта, что давление звездного излучения является одним из важных механизмов, ответственных за динамику частиц межзвездной среды. 10 Следующей важной вехой классического периода было предсказание Максвеллом величины светового давления, явившееся одним из следствий созданной им теории электромагнитных явлений. В фундаментальном исследовании «Трактат об электричестве и магнетизме» Максвелл писал: «...в среде, в которой распространяются волны, в направлении их распространения возникают силы давления, которые в каждой точке пространства чпслепно равны величине энергии в единице объема» [1]. Утверждение Максвелла сыграло основополагающую роль в макроскопической теории светового давления, впервые дав оценку количественному значению давления света.
В современных обозначениях плотность потока импульса, переносимого плоской световой волной (т. е. импульс, переносимый волной в единицу времеви через единицу площади), совпадающая с плотностью злектромапштной энергии волны, записывается в виде Е -~-Н Е (1 1) где В и гт' (Я=о) — напряженности соответственно электрического и магнитного поля волны. Давление р, производимое световой волной па площадку, расположенную нормально к волновому вектору, определяется плотностью потока импульса ю и коэффициентом отражения гт поверхности, р = ю (1+ гт'), (1.2) изменяясь от ю для черной поверхности (гг =О) до 2ю для случая идеально отражающей поверхности (В=1). Наглядное количественное представление о значении светового давления может быть получено ~а примере давления, производимого солнечным светом на поверхность Земли, которое составляет несколько десятков нанограмм на квадратный сантиметр (порядка Ю ' Па). Брайне малые значения светового давления, создаваемого солнечными лучами на земной поверхности, или достигаемого при использовании тепловых ламп (бывших ранее единственными доступными экспериментатору источниками излучения) в течение длительного времени делали практически невозможным опытное исследование светового давления.
В связи с этим, новым крупным шагом явилось прямое экспериментальное доказательство факта существования светового давления на твердые тела, сделанное впервые Лебедевым (2) в России и впоследствии подтвержденное Николсон и Хаком (3] в США. Анализируя раннюю историю изучения светового давления, следует особо отметить пионерские исследования Лебедева, оказавшие громадное влияние на все последующее развитие проблемы светового давления. Выполненные в начале нашего столетия, эти последования впервые показали возможность экспериментально~о научения светового давления и привели к осознанию значительности ролл светового давления как в лабораторных исследозаппях, так п в задачах астрофизического масштаба.
11 Прежде всего, совпадение значения светового давления, измеренного Лебедевым, со значением, предсказанным теориеи Максвелла, явилось убедительным подтверждением новой электромагнитной теории света. Далее, благодаря исследованиям Лебедева было получено первое доказательство заметного влияния светового давления на движение макроскопических частиц мех<звездной среды, что явилось, в частности, решающим аргументом в пользу гипотезы Кеплера [4].
Любопытен наглядный пример, приведенный Лебедевым для иллюстрации силы сгетового давления. Оказывается, сила светового давления, расталкивающая две макроскопические частицы (имеющие температуру 0 С, плотность 10 г/сьг' и размеры около 4 мм), совпадает с силой их гравитационного притяжения [5]. Если к тому же учесть, что сила светового давления пропорциональна площади поверхности, а сила гравитационного пригни<ения — объему тела, то станет понятным резкое преобладапне силы светового давления пад гравитационной силой в случае пылинок микронного размера. Еще одним вагиным результатом Лебедева было данное пм прямое экспериментальное доказательство существования давления света па газы [6]. Непосредственным астрофизическим следствием этого результата стало поннмапне необходимости учета влияния давления звездного излучения на движение атомньь< частиц мен<звездпой среды.
Другим важным следствием явилось развитие представлений о принципиальной роли светового давления в ограничении предельного размера звезд. Согласно современной астрофизике невозможность образования ел<инком больших звезд связана с тем, что излучение звезды сбрасывает избыток ее газообразного вещества силой светового давления [7]. Наконец, следует отметить пророческое предсказание Лебедева [5, 6] о возможности резкого увеличения светового давления па газы в условиях резонанса излучения с атомами илн молекуламн, явившееся но существу предсказанием развития современных нсследовашгй резонансно< о светового давления.
Можно отметить также несколько предсказаний Лебедева, еще пе получив<них своего развития, например предположение о возмоя<ности влияния светового давления па силу межатомного илп межмолекулярпого взаимодействия [5]. Отметим, что превосходное изложение основных исследований Лебедева было дано в обзоре Фабри«апта [8]. Стедующпм важным вкладом в развитие проблемы светового ;швлепия явплпсь последования Зй<ннтейна, Уже в работе 1909 г.
Ойпп<тейп [0], анализируя гипотезу Планка о дискретности излучения черного тела, поставил вопрос о существовании флуктуаций светового давления. Последние обусловлены тем, что атомы испускают и поглощают излучение квантами света, имеюшизш дискретные значения импульса. Позднее, в классической работо [10], посвященной квантовой теории излучения, Эй<нштейп установил величину флуктуаций атомного импульса в случае взаимодействия атомов с излучением черного тела. Оп также показал, 12 что флуктуации импульса являются причиной установления максвелловского распределения атомов по скоростям в условиях термодипамического равновесия с излучением. В этой же работе Эйнштейн установил пространственную направленность олементарпых процессов светового давления, сформулировав данное утверждение фразами, ставшими классическими: «Если пучок лучей воздействует па встретившуюся ему молекулу так, что она посредством элементарного процесса получает пли отдает в форме излучения некоторое количество энергии Ьэ (индуцированпое излучение), то молекула всегда будет получать и импульс Ьм/с прп поглощении энергии — в направлении движения пучка, а при испускании — в противоположном направлении...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
