Кванты и музы

Радунская Ирина Львовна

Лебедев изготавливает прибор за прибором, служащие одной цели — уменьшить, подавить радиометрические силы, маскирующие действие световых лучей. Заглянем внутрь одного из них: мы увидим легчайшее слюдяное крылышко на коромысле, подвешенном на тончайшей нити. Вот крылышка коснулся луч света. И крылышко дрогнуло, повернулось, потянуло за собой коромысло. Угол его поворота должен быть пропорционален давлению света. Но… этому мешают радиометрические силы, приводящие к много большему повороту.

Откуда они взялись? Их создаёт сам же луч света. Он не только давит на крылышко, но и нагревает его поверхности. Причём неодинаково с обеих сторон.

Что же дальше? Молекулы воздуха, оставшиеся внутри прибора (тогда

не умели получать хороший вакуум), наталкиваются на крылышко и отскакивают от него, словно мячи, брошенные на стенку. Причём от более тёплой стороны крылышка молекулы отлетают с большей скоростью, а значит, силы отдачи здесь больше. Вот крылышко и поворачивается, увлекая за собой коромысло.

Этот поворот «паразитный», незапланированный, поэтому путает карты экспериментатора. Лебедев сумел отделаться от этого явления. Он ввёл в прибор простые, но решающие по своим результатам усовершенствования. Мы расскажем лишь о главных, обеспечивших успех. Для ослабления радиометрических сил нужно было уменьшить разность температур освещённой и неосвёщенной стороны крылышка. Значит, следовало крылышки делать возможно более тонкими и применять материалы, хорошо проводящие тепло. Выбор пал на платину, алюминий и никель. Серебро, медь и ряд других металлов отпали, ибо их разрушают пары ртути, неизбежные в вакуумных установках того времени, когда откачка проводилась ртутными насосами, а криогенная техника была недоступна.

Лебедев сделал четыре совершенно одинаковых прибора — только лепестки в них были из разных металлов. В трёх — из платины, алюминия, никеля. А в четвёртом — из слюды. Он хотел сравнить работу этих четырёх приборов с целью тщательной проверки, исключающей всякие неожиданности. Но даже для самых тонких металлических лепестков радиометрические силы не падали до нуля. Не хватало разрежения, даваемого самым лучшим из существующих насосов. Работа, казалось, зашла в тупик.

В этом безвыходном положении ещё раз проявились талант экспериментатора и изобретательская жилка Лебедева. Он поместил в баллон экспериментального прибора каплю ртути. Включив насос, осторожно нагревал её всего на пять градусов выше комнатной температуры. Пары ртути помогли вытеснить остаток воздуха и увлечь его в насос. Затем Лебедев отделил свой прибор от насоса специальным затвором. Теперь в приборе остались практически лишь пары ртути и совсем, совсем мало молекул воздуха. Лебедев предпринимает последний шаг. Охлаждает прибор смесью льда и соли. Пары ртути конденсируются, и в приборе достигается вакуум такой степени разрежения, о которой его современники не могли и мечтать.

Радиометрические силы стали совсем малыми. Но не исчезли полностью. Теперь надо точно учесть их возможный вклад в результаты опыта.

Лебедев показал расчётом, что в лепестках, отличающихся только толщиной, радиометрические силы пропорциональны ей.

Он изготавливает платиновые лепестки толщиной в одну десятую миллиметра. И даже в пять раз более тонкие, всего в две сотые миллиметра. Проведя измерения с этими лепестками, он может вычислить, как велико было бы отклонение, вызываемое светом для лепестка нулевой толщины, когда радиометрические силы равны нулю. Это была бы величина светового давления.

Ещё один контроль. Лебедев знает, что, согласно теории, световое давление на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на чёрную. И он полирует часть своих лепестков до зеркального блеска, а остальные покрывает платиновой чернью. Полученные результаты отличаются вдвое! Значит, измеряется именно давление света.

Однако Лебедеву мало доказать, что он наблюдает именно давление света. Нужно измерить его величину и сопоставить с величиной, получаемой из теории Максвелла. Для этого необходимо превратить измерительный прибор в подобие весов: точно откалибровать

его, установить упругость нити подвеса, размеры коромысла и другие характеристики. Необходимо не менее точно измерить энергию пучка света, давление которого он определяет в своём приборе. Лебедев изготовил для этой цели и откалибровал два специальных калориметра и светоделительную пластинку, позволившую проводить измерения давления света и его энергии одновременно, чтобы исключить нестабильность источника света — вольтовой дуги.

Наконец предварительные опыты закончены. Начинается решающий эксперимент. Но перед этим Лебедев оценивает погрешности, вносимые его приборами. В сумме они могут достигать двадцати процентов искомой величины. Ведь давление, которое он хочет измерить, может составлять около трёх стотысячных дины. Такую силу испытывают весы под действием гирьки в три стотысячных миллиграмма. Для того чтобы в этих условиях получить достоверный результат, нужно провести множество измерений с лепестками различных типов, при нескольких режимах горения дуги, с различными линзами и зеркалами. Наконец, надо при этом достаточно точно учесть, насколько устойчив вакуум в результате манипуляций с каплей ртути. А как оценить его? Ведь ни один из существовавших тогда приборов не мог измерить величину достигнутого Лебедевым разрежения — столь малым получалось остаточное давление.

Удивительные, остроумнейшие решения позволили учёному совершить подвиг, сравнимый разве что с подвигом сказочного Левши, подковавшего блоху: он сумел измерить давление луча света, равное давлению пылинки весом в три стотысячные доли миллиграмма!

Первое сообщение о предварительных результатах своих опытов Лебедев сделал 17 мая 1899 года на заседании Естественно-научного общества в Лозанне в Швейцарии, куда ему срочно пришлось уехать для лечения болезни сердца, обострившейся в связи с непомерным напряжением этих лет. Более полный доклад прочитан им в августе 1900 года на Международном конгрессе в Париже и кратко опубликован в трудах конгресса и в «Журнале русского физико-химического общества». Основной текст, напечатанный позже в этом журнале, был переведён и опубликован рядом иностранных журналов. О Лебедеве стали говорить как о короле эксперимента.

Патриарх английских физиков, уважаемый всеми лорд Кельвин сказал на одном из съездов Тимирязеву: «…Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Не менее знаменитый английский физик, лорд Рэлей, откликнулся на эксперименты Лебедева теоретической работой, показавшей универсальное значение результатов, полученных Лебедевым.

Известный немецкий астроном и математик Шварцшильд строго решил задачу, ранее поставленную Лебедевым (о давлении света на небольшие шарики), и обнаружил максимум давления при определённом соотношении длины волны света и диаметра шарика. Он сделал вывод, что давление света на молекулы, рассматриваемые как чрезвычайно малые шарики, будет ничтожно мало. Лебедев разъяснил, что возникновение максимума связано с резонансом, и ещё раз обратил внимание на то, что резонансы молекул обусловлены их внутренней структурой, а не простыми геометрическими размерами.

Выдающийся немецкий физик Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы. Я оцениваю трудность Ваших опытов тем более, что я сам несколько времени тому назад задался целью доказать существование светового давления и проделывал подобные же опыты, которые, однако, не дали положительного результата».

Здесь не хватило бы места для приведения подобных оценок со стороны крупнейших учёных того времени: многие безуспешно пытались измерить давление света, а ещё большее число учёных интересовались этой труднейшей задачей.