Свет заставляет крыльчатку вращаться: история радиометра Крукса

В стеклянной колбе стоит крошечная вертушка. Четыре лёгкие пластинки с одной стороны чёрные, с другой — светлые. Стоит вынести прибор на солнце или поднести к лампе, и крыльчатка начинает вращаться, хотя внутри нет ни мотора, ни батарейки, ни заметного потока воздуха. В викторианской лаборатории такой опыт выглядел почти как доказательство того, что свет способен толкать предметы.

Появился этот прибор не из попытки построить «световую мельницу». Уильям Крукс занимался совсем другой задачей. В 1861 году он открыл новый химический элемент — таллий, а затем несколько лет добивался точного значения его атомной массы. Для особо чувствительных взвешиваний Крукс помещал весы в камеру, из которой можно было откачивать воздух. Там он заметил странность: если взвешиваемый предмет был чуть теплее окружающих деталей, равновесие нарушалось. Казалось, нагретое тело испытывает какое-то неизвестное отталкивание.

Крукс решил разобраться с помехой вместо того, чтобы просто устранить её. Он подвешивал лёгкие пластинки, нагревал их, менял давление внутри сосуда и направлял на них свет. В 1873 году исследования уже привели его к опытам, которые он связывал с «отталкиванием вследствие излучения». А к 1875-му он демонстрировал перед Королевским обществом прибор, ставший классической формой радиометра.

Устройство казалось почти игрушечным. Внутри частично откачанной стеклянной колбы на острие свободно сидел ротор с четырьмя лопастями. Каждая была светлой или зеркальной с одной стороны и зачернённой с другой. Трение в опоре старались сделать минимальным. Когда на колбу падал яркий свет, чёрные поверхности сильнее нагревались и ротор начинал вращаться так, что тёмные стороны отступали.

Для публики зрелище было великолепным: свет падал на неподвижную вертушку — и она оживала. Радиометры быстро вышли за пределы лаборатории. Лондонский изготовитель научных приборов Джеймс Хикс выпускал их по конструкции Крукса, а на выставках и в витринах они собирали зрителей. В 1876 году устройство запатентовали в США как аппарат для определения интенсивности излучения.

Но именно здесь началась самая интересная часть истории. Простое объяснение оказалось неверным.

Крукс полагал, что наблюдает непосредственное механическое действие излучения. Мысль выглядела правдоподобно: свет действительно переносит импульс и способен создавать давление. Однако радиометр вёл себя не так, как должен был бы работать прибор, вращаемый только световым давлением. Зеркальная сторона отражает свет и при прочих равных должна получать больший импульс, чем чёрная, которая его поглощает. Значит, направление вращения ожидалось противоположное наблюдаемому.

Ещё разрушительнее для этой гипотезы оказался вакуум. Если бы крыльчатку толкал непосредственно свет, удаление воздуха должно было лишь помогать: меньше сопротивление — легче вращение. На практике радиометру нужен не абсолютный вакуум, а разреженный газ. При слишком большом количестве воздуха эффект теряется среди тепловых потоков и сопротивления. Если же откачать газ почти полностью, вращение тоже исчезает.

Следовательно, невидимым «двигателем» был остаточный газ внутри колбы.

Чёрная поверхность поглощает больше энергии и становится горячее светлой. Молекулы разреженного газа взаимодействуют с обеими сторонами лопасти, но особенно важны процессы возле её краёв, где холодная и горячая области оказываются рядом. Здесь среднее расстояние между столкновениями молекул уже достаточно велико, чтобы поведение газа отличалось от привычного воздуха при нормальном давлении.

Возле края возникает тепловое перетекание, или thermal creep: газ вдоль поверхности стремится от более холодной области к более горячей. Одновременно температурная разница создаёт несимметричный перенос импульса молекулами. В результате появляется небольшая сила, направляющая лопасти холодной, светлой стороной вперёд. Чёрная сторона отступает — именно так и вращается знакомый радиометр.

К этому объяснению пришли не сразу. В 1870-х устройство заинтересовало Осборна Рейнольдса и Джеймса Клерка Максвелла. Исследования тепловой транспирации показали, что разреженный газ возле поверхностей с разной температурой способен создавать механический эффект без обычного ветра. Позднее к проблеме обращался и Альберт Эйнштейн, рассматривавший силы, возникающие по краям нагретых пластинок. Небольшая стеклянная игрушка оказалась задачей для физиков нескольких поколений.

Есть простой опыт, который особенно хорошо разоблачает представление о «давлении света». Если радиометр нагреть, а затем убрать источник тепла, при определённых условиях крыльчатка может остановиться и ненадолго закрутиться в обратную сторону. Свет в этот момент не меняет направление. Меняется распределение температуры: зачернённые поверхности быстрее отдают тепло, и прежняя разница между сторонами лопастей обращается.

Название тоже немного обманчиво. Радиометр Крукса реагирует на падающее излучение, но его крыльчатка не является миниатюрным солнечным парусом. Свет сначала создаёт температурный перепад, а механическую работу выполняет находящийся внутри разреженный газ. Поэтому прибор можно считать крошечным тепловым двигателем, для которого стеклянная колба одновременно служит корпусом и камерой низкого давления.

В этом и заключается причина его необычайной живучести. Радиометр легко принять за простую демонстрационную безделушку: стеклянный шар, четыре пластинки, немного солнечного света. Но за вращением скрыта история научной ошибки, которая оказалась полезнее мгновенно правильного ответа. Крукс искал помеху в точных химических взвешиваниях, построил прибор для предполагаемого действия излучения и получил задачу о поведении разреженных газов. Крыльчатка вращалась исправно — только природа приводила её в движение совсем не тем способом, который сначала увидел в ней создатель.