Физика света, которой можно удивить друзей
Когда солнечный луч касается кожи, мы чувствуем приятное тепло как мягкое прикосновение невидимой руки. Но задумывались ли вы когда-нибудь: а есть ли у этого луча вес? Может ли сияние, которое кажется абсолютно невесомым, на самом деле иметь хоть какую-то массу?
Этот вопрос звучит почти как поэзия, но за ним стоит настоящая физика удивительная и способная полностью изменить наши представления о свете.
Свет без массы, но с энергией
Свет состоит из мельчайших частиц, фотонов. Это элементарные частицы, у которых нет привычной нам массы той, что мы связываем с весом предметов. Если положить фотон на весы, ничего не изменится. Но у фотонов есть то, что делает их особенными, энергия и импульс. Они могут двигаться, не имея массы покоя, но при этом влиять на окружающий мир.
Энергия фотона может быть выражена как некая «эквивалентная масса». И это значит, что если бы мы могли поймать свет и измерить всю ту энергию, которую он несёт, мы могли бы сказать, сколько он условно весит.
Если пересчитать солнечный свет в вес
На границе атмосферы Земли каждый квадратный метр поверхности получает примерно 1361 ватт солнечной энергии каждую секунду. Это значение даже имеет своё название, солнечная постоянная.
Чтобы понять, насколько это много, представьте, что вы стоите на открытом месте, и ваша ладонь площадью примерно 1 квадратный дециметр ловит солнечный свет. За одну секунду вы «принимаете» на неё микроскопическое количество массы около 0,000000000000015 грамма. Это примерно в миллиард раз меньше, чем пылинка.
Но если объединить весь солнечный свет, который одновременно падает на всю Землю, то получится, что в каждую секунду планета получает примерно 2 килограмма света. Да-да, килограмма. Света. В секунду.
Свет, который умеет толкать
Даже такая эфемерная вещь, как свет, способна оказывать давление. Это называется радиационным давлением. В космосе оно особенно заметно: на лёгкие, отражающие поверхности, например, на так называемые солнечные паруса, свет может действовать как постоянный, но невероятно слабый ветер. Такие паруса применяются в некоторых космических аппаратах, и, несмотря на малость давления, оно способно за месяцы или годы значительно ускорить корабль в вакууме.
А если поймать один-единственный луч?
Допустим, вы поймали рукой солнечный луч, который пробивается сквозь окно или облака. Конечно, в физике «луч» — это условность. Но если мы возьмём маленький кусочек света например, тот, что попадает на пятно размером с копейку за одну секунду, то окажется, что вы «держите» свет весом около 0,15 нанограмма. Это в сотни тысяч раз меньше, чем масса комара.
Зато вместе с этим светом вы «приняли» в ладонь около 30 миллиардов фотонов — крошечных носителей солнечной энергии.
Лёгкий, как свет и столь же могущественный
Так сколько же весит один солнечный луч? Почти ничего. Его нельзя положить на весы или положить в карман. Но при этом он запускает фотосинтез, греет океаны, формирует ветер, питает солнечные батареи и даже может двигать космические корабли.
Этот почти невесомый поток энергии даёт жизнь на Земле. Он прилетает к нам с расстояния в 150 миллионов километров и делает всё возможное, чтобы планета не замёрзла.
Солнечный луч может быть невидимым, неосязаемым, почти невесомым. Но его сила в масштабе, в энергии и в том, какое значение он имеет для всего живого. Он напоминает нам, что даже самое лёгкое может быть жизненно важным.
Физика света, которой можно удивить друзей
Когда мы ощущаем на лице теплое прикосновение солнечного света, редко задумываемся: а есть ли у этого луча вес? Может ли невесомое сияние нести в себе массу? Вопрос кажется почти поэтическим, но за ним скрывается удивительная физика, которая разрушает привычные представления.
Свет: масса без массы?
Для начала разберёмся: солнечный луч это поток фотонов, элементарных частиц света. Фотон не имеет покоящейся массы. Это означает, что в состоянии покоя он как бы «ничего не весит». Однако у фотона есть энергия и импульс. А по знаменитому уравнению Эйнштейна E=mc2E = mc^2E=mc2, энергия может быть выражена в эквивалентной массе. И вот тут начинается интересное.
Если мы поймаем пучок света и измерим его энергию, мы можем сказать, сколько он «весит» не в смысле гравитационной массы, а как эквивалент той энергии, что он переносит.
Один луч: сколько в граммах?
Солнечный свет на Земле приносит примерно 1361 ватт на квадратный метр (на уровне атмосферы, это значение известно как солнечная постоянная). Один ватт — это один джоуль энергии в секунду. А через каждый квадратный метр за секунду проходит 1361 джоуль света.
Энергия одного фотона зависит от его длины волны, но если усреднить по солнечному спектру, средняя энергия фотона составляет около 3.2×10−193.2 \times 10^{-19}3.2×10−19 джоулей.
Значит, за одну секунду через квадратный метр проходит примерно 13613.2×10−19≈4.25×1021\frac{1361}{3.2 \times 10^{-19}} \approx 4.25 \times 10^{21}3.2×10−191361≈4.25×1021 фотонов.
Теперь, по формуле Эйнштейна, мы можем выразить массу этого потока света:
m=Ec2=1361(3×108)2≈1.51×10−14 кгm = \frac{E}{c^2} = \frac{1361}{(3 \times 10^8)^2} \approx 1.51 \times 10^{-14} \text{ кг}m=c2E=(3×108)21361≈1.51×10−14 кг
Или около 15 триллионных долей грамма в секунду на квадратный метр.
Это ничтожно мало. Но если взять весь солнечный свет, который одновременно падает на Землю (а это более 170 петаватт, или 170 с 15 нулями), мы получим уже более 2 кг света в секунду!
Солнечный луч с весом удара
Самое удивительное несмотря на почти призрачную массу, свет может оказывать давление. Это явление называется радиационным давлением. В космосе это давление способно разогнать лёгкие солнечные паруса тонкие отражающие поверхности, которые используются в некоторых космических аппаратах. В открытом космосе, где нет сопротивления воздуха, даже крошечное давление может за месяцы и годы придать заметную скорость.
А если поймать один луч?
Представим, что вы хотите «поймать» один солнечный луч, например, тот, что пробивается сквозь облака и касается ладони. Конечно, в научном смысле "луч" это условное понятие. Но если взять небольшой пучок света диаметром, скажем, 1 см², и принять, что он светит одну секунду, то вы «держите» свет весом в примерно 0.15 нанограмма меньше, чем пылинка. Однако в этот миг к вам прилетело около 30 миллиардов фотонов.
Поэтика физики
Так сколько весит один луч солнца? Если говорить буквально почти ничего. Но если задуматься, этот крошечный, почти невесомый поток частиц согревает планету, запускает фотосинтез, заряжает солнечные батареи и дарит жизнь. Он настолько лёгок, что пролетает сквозь космос, неся в себе энергию звезды, и настолько могущественен, что управляет климатом целой планеты.
Это напоминание о том, как величественны могут быть даже самые незаметные явления. Луч солнца почти ничего не весит но он бесценен.