Из электромагнитной теории света Максвелла следует, что в электромагнитной волне кроме энергии присущ еще и импульс. Поэтому световые волны, падающие на любое тело, передавая ему свой импульс, должны оказывать на него давление. В случае полного поглощения света телом световые волны просто отдают ему свой импульс. При полном отражении света от тела, как в случае упругого удара шары, световые волны придают телу двойного импульса.

Еще со времен И. Кеплера с помощью представлений о световое давление объясняли формы хвостов комет. Однако ньютонівська теория истечения, что царила в то время, давала неправильное значение для светового давления. В волновой теории света эффект давления становится менее наглядным и характерно, что этот эффект до появления электромагнитной теории вообще не обсуждался с волновой точки зрения. Дж. Максвелл на основе электромагнитной теории вычислил значение светового давления. Однако его подсчеты имели абстрактный и не совсем строгий характер, а потому не сразу приобрели общего признание.

Рассмотрим действие электромагнитной (световой) волны на поверхность тела. Для упрощения будем считать, что световые лучи перпендикулярны к поверхности (а фронт волны параллелен ей). Действие электрического поля волны окажется в том, что в теле возникнут токи, параллельные поверхности. Взаимодействие этих токов с магнитным полем световой волны приведет к возникновение силы, действующей на поверхность тела в направлении движения фронта волны, т.е. перпендикулярно к поверхности. Исходя из таких соображений, можно получить формулу для определения светового давления:

где Е - энергетическая освещенность поверхности, т.е. плотность потока световой энергии, падающий на данную поверхность; с - скорость света; ρ - коэффициент отражения. Числовое значение светового давления очень малое. Так, давление солнечных лучей, что падает перпендикулярно на черную поверхность, составляет около 4,7 ∙ 10^-6 Па.

Экспериментально существование светового давления впервые установил 1900 г. русский физик П. М. Лебедев (1866-1912). Опыты П. М. Лебедева полностью подтвердили формулу (10.18). Для измерения светового давления он направил интенсивный световой поток на легкие металлические пластинки, подвешенные на тонкой нити в баллоне, из которого был выкачан воздух. Пластинки левого ряда подвеса были черными, а пластинки правого - блестящими. Поэтому давление света на пластинки левого ряда р = Е/с был меньше, чем на пластинки правого ряда, где р= Е/с (1 + ρ). Вследствие этого под влиянием падающего света подвес возвращался на определенный угол, по значению которого можно было определить силу закручивания и, следовательно, световое давление. На рис. 10.4 изображен подвижную часть прибора Лебедева. Для осуществления эксперимента надо было учесть и максимально ослабить побочные эффекты. В таких эффектов прежде всего принадлежит радиометрический эффект и конвекционные потоки. Радиометрический эффект обусловлен движением молекул. При освещении пластинки будут нагреваться неодинаково. С той стороны, где на пластинку будет падать свет, она будет нагреваться больше, чем с противоположной. Поэтому молекулы, ударяясь об освещенную поверхность, відскакуватимуть от нее с большей энергией и придадут ей больший импульс, чем молекулы, падающие на противоположный, неосвещенную сторону пластинки. Поэтому давление будет больше с той стороны, где пластинка теплее, так там и газ нагрет сильнее (с освещенной стороны). Этот эффект пропорционален толщине пластинки и для толстых пластинок значительно больший за световое давление. П. М. Лебедев, применяя пластинки разной толщины, исключил радиометрический эффект и получил надежные результаты.

Рис. 10.4

Для уменьшения радиометрического эффекта и избежания конвекционных потоков П. М. Лебедев максимально уменьшал плотность газа в баллоне, в котором содержалась подвижная часть прибора. П. М. Лебедеву удалось достичь высокого вакуума в баллоне, что на то время было очень сложно. В 1908 г. он совершил еще более точные опыты и установил и измерил световое давление на газы. Эти опыты подтвердили справедливость гипотезы Ф. О. Бредихина об образовании кометных хвостов в результате светового давления на частицы, их образующие. Эти силы отталкивания обусловлены давлением на частицы со стороны солнечных лучей.

Значение опытов П. М. Лебедева очень большое и не исчерпывается просто подтверждением электромагнитной теории света. В этих опытах установлено наличие механического импульса света, что является существенным для решения вопроса о инертную массу света и более общей проблемы пропорциональности массы и энергии.

Результаты опытов П. М. Лебедева опровергли мнение, которая царила в XIX ст., о том, что свету не свойственна масса, а это порождало утверждение о нематериальности света. Открытие светового давления доказывало, что световой поток имеет не только энергию, но и массу и, следовательно, составляет неразрывное единство материи и движения. П. М. Лебедев впервые экспериментально установил давление света и показал, что он незначительный. Сейчас с помощью оптических квантовых генераторов можно достать практически достаточно большие световые давления. Например, выходная мощность квантового генератора на розовом рубине за время короткого вспышки достигает 10 000 Вт в пучке с поперечным сечением, меньше чем 1 см². Хотя вспышка излучения и короткий, его мощность в тысячу раз больше той, которую можно достать фокусировкой солнечного света. Теоретическое объяснение опыта П. М. Лебедева с определение давления света можно получить также, исходя из корпускулярных представлений о природе света.