С первого взгляда вопрос абсурден: тень — это отсутствие света, у пустоты нет массы. Но если под «весом» понимать силу, с которой предмет давит на опору, тень действительно меняет показания весов. Всё дело в том, что свет — это не просто сияние, а поток фотонов, каждый из которых несёт крошечный импульс.
Когда фотоны поглощаются поверхностью или отражаются от неё, они передают этой поверхности свой импульс — возникает давление света. На орбите Земли солнечный свет давит с силой около 9 микроньютонов на квадратный метр. Освещённый лист бумаги испытывает это давление, а такой же лист в глубокой тени — нет. Разница сил эквивалентна исчезающе малому, но вполне реальному «весу»: теневая сторона буквально легче освещённой на несколько миллиардных долей грамма.
Эффект можно было бы увидеть на сверхчувствительных весах. Представьте тончайшую пластину на торсионных весах в вакуумной камере. Если направить на неё мощный лазер, крутильные весы отклонятся — свет давит. Передвиньте непрозрачный экран так, чтобы он отбросил тень на часть пластины, — баланс нарушится, и весы зафиксируют, что освещённая сторона тяжелее. Это реальный эксперимент, который ставят в лабораториях для калибровки оптических пинцетов и измерения силы света.
Многие вспомнят радиометр Крукса — стеклянную колбу с вертушкой, у которой лопасти с одной стороны чёрные, с другой блестящие. На свету она вращается. Долгое время прибор ошибочно объясняли давлением света, но на самом деле эффект вызван тепловым движением молекул остаточного газа: чёрная сторона нагревается сильнее, молекулы отталкиваются от неё быстрее, и возникает реактивная сила. Тем не менее, радиометр — изящный прибор, демонстрирующий превращение света в движение, пусть и не прямое.
Итак, тень «легче» потому, что в область тени попадает меньше фотонов, и давление света там ниже. На этом принципе работают солнечные паруса межпланетных станций — гигантские зеркальные полотна, которые разгоняются давлением фотонов. А в повседневности разница давлений рождает слабые тепловые потоки в воздухе, формируя едва заметный ветерок вблизи границы тени.
С квантовой точки зрения каждый фотон — квант электромагнитного поля — обладает импульсом, пропорциональным его частоте. Меньше фотонов — меньше импульса — «меньше вес». Так тень, будучи отсутствием материи, обретает измеряемую физическую характеристику.
Проведите простой эксперимент дома. В солнечный день возьмите тонкий листок алюминиевой фольги, подвесьте его на паутинке или длинной шёлковой нити в закрытом от сквозняков помещении. Посветите на фольгу ярким фонариком. Затем аккуратно перекройте половину листа непрозрачным экраном. Хотя движения вы скорее всего не заметите из-за тепловых потоков, представьте, что вы только что создали разность сил в одну миллиардную долю грамма. Физика тени — это напоминание о том, что даже свет обладает тяжестью, а пустота — это не ничто, а лишь меньшее количество летящих фотонов.
#физика #тень #свет #фотоны #наука #эксперимент #квантоваяфизика #исследования