Давление света. Минковский и Абрахам

1. Две противоположные идеи Минковского и Абрахама. На чьей стороне правда?

В 1908 году Минковский высказал мысль о том, что импульс света пропорционален индексу преломления среды, через которую он проходит, создает на нее отрицательное давление, т.е. импульс направлен навстречу лучу. В 1909 Макс Абрахам, следуя в русле Максвелла-Лебедева предположил совершенно противоположное: среда под действием луча света должна прогибаться, т.е. импульс должен быть направлен в том же направлении.


По Минковскому.

                                                                                                                                  (1)

По Абрахаму.

                                                                                                                                  (2)

Где h – постоянная Планка, v – частота света, с – скорость света в вакууме.

Должен сказать, что за столетие относительно противоположных подходов Минковского и Абрахама было накручено много умных идей и мыслей. Приведу две цитаты из источника [1]. «В разрешении Барнетта версия Абрахама – это кинетический импульс, а версия Минковского – канонический импульс; «кинетический импульс тела – это просто произведение его массы и скорости», а «канонический импульс тела – это просто постоянная Планка, деленная на длину волны де Бройля».

«Шеппард и Кемп по-разному идентифицировали разницу между каноническими (Минковским) и кинетическим (Авраамом) импульсами, объясняя, что канонический импульс или импульс волны представляет собой комбинацию значений поля и материального импульса, а кинетический импульс представляет собой импульс фотона, лишенного материальных вкладов».

Все смешалось в Датском королевстве физика с религией, физика с лирикой (шутка). Обозреть все количество полемических статей по данной теме не представляется возможным, т.к. для этого потребуется отдельная книга. Да и зачем проделывать рутинную работу, т.к. спор между математиком и физиком до сих пор не разрешен. Ничья! Но я не согласен на ничью.

В данной статье остановлюсь только на двух последних экспериментах [2, 3] по данной проблеме, которые фактически аккумулируют опыт предшественников (Кэмбела, Леонхарда, Барнета и др.). Одним из первых в этом списке должен быть Ашкин, о его экспериментах говорилось в статье «Лазерный пинцет».

2. Эксперимент №1

Давление света Минковский и Абрахам

Рис. 1. Схема двухлазерной установки для измерения поверхностной деформации воды от воздействия излучения. Зеленый лазер фокусировался на поверхности воды. Красный луч второго лазера – измерительный. Рисунок позаимствован с сайта [2].

В 2014 году в журнале «Nature Communications» была опубликована статья «Unravelling the effects of radiation forces in water» (Раскрытие влияния радиационных сил в воде) [2]. Эксперимент заключался в непрерывном и импульсном лазерном возбуждении на границе воздух-вода, с последующим измерением поверхностной деформации. В эксперименте использовался метод фотомеханического зеркала для регистрации изменений подъема поверхности с помощью двух независимых лазеров. Основной лазер облучал образец, нормально к его поверхности, а второй лазер, с низкой освещенностью, зондировал деформацию образца. В экспериментах использовалась чистая вода в цилиндрической кварцевой кювете с радиусом 30 мм и высотой 8 мм. Температура образца составляла (298,15 ± 0,01) К, длиной волны лазерного облучения 532 нм. В обеих настройках пучки возбуждения фокусировались на поверхности образца с использованием объектива с фокусным расстояния f= 0,75 м (L 1). 30 мВт.

Результаты измерений показаны на рис. 2 и 3

Рис. 2. Временная эволюция измерения деформации поверхности воды от непрерывного воздействия лазером от 60 мкс до 1740 мкс. Рисунок позаимствован с сайта [2].

Рис. 3. Временная эволюция измерения деформации поверхности воды при импульсном возбуждении. Рисунок позаимствован с сайта [2].

Рисунки наглядно демонстрируют подъем воды в фокусе лазерного излучения. При непрерывном возбуждении (рис. 2) поверхность жидкости поднимается со временем, достигая максимальной деформации около 30 нм в центре пучка возбуждения. При импульсном возбуждении острый пик появляется через несколько микросекунд после облучения и затем диспергируется на поверхности. В эксперименте с непрерывным облучением поверхностное искажение, показанное на рис. 2. всегда выпукло. При импульсном облучении поверхность сначала создает выпуклую колонну, затем, после окончания импульса, она разрушается, вызывая колебательное поверхностное возмущение (рис. 3).

Данный эксперимент наглядно демонстрирует правоту Минковского.

3. Эксперимент №2

В 2015 году в журнале «New Journal of Physics» появилась статья на тему: «Eksperimental'noye dokazatel'stvo davleniya sveta Avraama» (Экспериментальное доказательство давления света Абрахама) [3]. В данной публикации международная команда физиков из Университета Гуанчжоу в Китае и Института Вейцмана в Израиле, работающая во главе с Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) продемонстрировала толкающее давление света на жидкость. Физики продолжили разбираться в вековом разногласии на природу света между двумя немцами Германом Минковским и Максом Абрахамом. Судя по аннотации, авторы статьи были удивлены: «Удивительно, это просто научный вопрос не был решен в течение более ста лет» [3].

Да, вот так, когда физики касаются вопроса давления света начинают удивляться, что, казалось бы, такой простой вопрос: давит на нас свет, после чего мы становимся тяжелее и нам нет смысла садиться на низкокалорийную диету для похудения, или нам нужно худеть, т.к. свет не оказывает на нас никакого давления. Видимо этим вопросом двигало любопытство 100 лет назад Минковского и Абрахама. Но где же все-таки истина?

Когда я коснулся темы давления света, то тоже удивился, как же так, неужели за 100 лет наука эксперимента так и не нашла правильный ответ на природу давления света. По мере изучения различных материалов, я разобрался и высказал свое отношение к данной проблеме в двух предыдущих статьях о давлении света. Мое доказательство свелось к тому, что давление света не существует в природе, а в данном случае хочу вступить в полемику с китайскими и израильскими физиками, разбиравшимися с этой проблемой.

4. Суть проблемы

Рис. 4. Под действием расфокусированного пучка света поверхность жидкости прогибается, образуя конусообразную воронку. Подтверждение гипотезы Абрахама. Изображение сильно преувеличено, максимальная глубина воронки составляет порядка 20 нм. Мощность света (максимально 1 Вт / 2,1 Вт для предотвращения нагрева. Большой контейнер глубиной 10 см. Рисунок позаимствован с сайта «New Journal of Physics» [3].

Итак, в чем суть эксперимента? Идея состояла в точном измерении колебаний поверхности жидкости, на которую было направлено излучение лазера, т.е. визуализация того – вдавливается или поднимается поверхность в освещенном пятне.

Сразу скажу, что международная команда экспериментаторов пришла к ничейному результату. Были проведены два варианта экспериментов и получены противоположные результаты. 1) Удалось подтвердить теорию Абрахама, т.е. было обнаружено «толкающее давление света» проявляющееся, как в воде, так и в масле, которые имеют различные показатели преломления. 2) Экспериментаторы использовали узкий луч и малый контейнер, в результате, «проявилось тянущее давление света» (повторили  эксперимент №1). После чего было сделано заключение: «характер давления зависит не только от света, но и от самой жидкости».

  1. Леонхардт, объясняя природу импульса света, сравнивает это явление с игрой в бильярд. По его словам, импульс света отличается от него только энергией. «Представьте себе игру в бильярд. Игрок берёт кий и ударяет по белому шару, который, в свою очередь, должен толкнуть шар цветной, а он может толкнуть ещё несколько шаров. Во всей этой цепочке толкающих движений передается импульс, изначально сообщенный игроком кию. Свет также может толкать материю, хотя эти толчки будут микроскопическими, почти незаметными. В некоторых случаях, впрочем, толчки света могут быть очень значительными для среды. К примеру, вспомним хвосты комет. Великий астроном Иоганн Кеплер предположил сотни лет назад, что хвост кометы — это материя, вытолкнутая с поверхности ее ядра светом, поскольку он смотрит всегда в противоположную сторону от Солнца. Сегодня мы знаем, что Кеплер был отчасти прав, так как материя сталкивается солнечным ветром с ядра кометы и формируется хвост»[1] [1]. (О кометных хвостах и Кеплере, читаем статью: «Комета и хвост») ( Леонхардт очевидно еще не познакомился с данной статьей).

5. Результат

Так что же все-таки выяснили авторы эксперимента? Они выяснили, что давление света на жидкие среды – это «двуликий янус», «тяни-толкай» и т.п. Это притяжение и отталкивание, ну как гравитация и давление света одновременно. Ранее я уже упоминал, что природа не так умна, чтобы действовать в двух направлениях одновременно. Либо должно быть притяжение либо отталкивание. Опять встает вопрос: что исключать? А как исключать, если поставлены такие замечательные эксперименты, в которых выявлены два противоположные явления?

Выше было отмечено, что давление света не существует, тогда что-то нужно поставить под сомнение. Несмотря на изящность опытов и, казалось бы, очевидность полученных результатов, но интерпретированы они не совсем корректно. Здесь я полностью на стороне Минковского. Дело в том, «вмятина» в жидкости была получена при несколько расфокусированном луче света. Луч фокусировался под поверхностью, внутри объема жидкости. В результате в фокусе происходил локальный нагрев и к нему жидкость стягивалась, образуя воронку. Похожая картина возникает в лазерном пинцете (см. предыдущую статью). В то же время, если фокус луча сконцентрировать на самой поверхности жидкости, то жидкость потечет к этой точке и она приподнимется, притянется, образовав небольшой горб, как на рис. 2, 3.

А как влияет объем кюветы в указанных экспериментах? Ситуация следующая (см. рис. 2). Когда объем маленький, а луч фокусируется на поверхности жидкости, то возникает локальное тяготение к фокусу луча, и мы видим горб. В малом объеме жидкость циркулирует по всей кювете. Когда объем большой, то энергии не хватает для быстрого течения жидкости и она не может концентрированно подняться и сформировать этот горб.

Опустив фокус луча света под поверхность в малом объеме, жидкость начинает стягиваться к нему со всего пространства, занятой этой жидкостью, поэтому течение фактически останавливается, поэтому мы не видим ни горба ни вмятины на ее поверхности. При большом объеме, опустив фокус под поверхность, жидкость начинает движение к этому пятну теплоты. Прежде всего, стягиваются близлежащие молекулярные объемы жидкости. Над фокусом образуется разрежение и жидкость образует воронку. Этому способствует луч, падающий через это пространство, дополнительно нагревая этот столбик жидкости.

Заключительная фраза авторов статьи. «В заключение мы получили экспериментальные данные, подтвержденные гидродинамической теорией, что передача импульса света в жидкости поистине связана с Янусом: импульс Минковского или Абрахама может возникнуть в подобных экспериментах. Импульс Абрахама, уравнение (2), появляется как оптико-механический импульс, когда жидкость движется, и импульс Минковского, уравнение (1), когда свет слишком сфокусирован или контейнер слишком мал, чтобы привести жидкость в движение. Импульс света продолжает удивлять».

Поведение импульса света удивила экспериментаторов своей двуликостью.

Выводы ученых в экспериментах №1 и №2 сошлись во мнении, что Минковский и Абрахам оба правы. То тогда уравнения (1) и (2) следует приравнять! Но как приравнять два противоположных уравнения – это приводит к парадоксу. Возникла новая коллизия!

Мое мнение, следует оставить только уравнение Минковского и тогда коллизия исчезнет!

Выводы

  1. Давление света не участвует в формировании воронки или горба на поверхности испытываемой жидкости, это делает гравитация.
  2. Свет не двулик, он однолик, наука не знает, как рождается гравитация.

Источники

  1. Abraham–Minkowski controversy, From Wikipedia, the free encyclopedia / URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Abraham%E2%80%93Minkowski_controversy
  2. Nelson G. C. Astrath, Luis C. Malacarne, Mauro L. Baesso, Gustavo V. B. Lukasievicz & Stephen E. Bialkowski, Unravelling the effects of radiation forces in water, Nature Communications volume5, Article number: 4363, 2014 / URL: https://www.nature.com/articles/ncomms5363
  3. Li Zhang, Weilong She, Nan Peng Ulf Leonhardt, Экспериментальное доказательство давления света Абрахама, New Journal of Physics? 2015 IOP Publishing Ltd и Deutsche Physikalische Gesellschaft Новый журнал физики, том 17, май 2015 г. / URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/17/5/053035/meta

[1] Моя точка зрения не совпадает с кеплеровской, что толкает кометные хвосты читаем статью: «Кометы летят хвостом вперед».

Назад Вперед

Один отзыв

  1. deedly:

    Произведите тот же опыт в вакууме на космической станции, тогда обсудим

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.


Ваш комментарий на модерации.