Ciśnienie światła? O radiometrze w wybranych publikacjach popularnonaukowych prasy anglojęzycznej.

Światło jako siła napędowa – prof. William Crookes obwieścił odkrycie, iż promieniowanie świetlne może samodzielnie powodować ruch oraz przedstawił przyrząd umożliwiający udowodnienie tego. Crookes nazwał ów instrument radiometrem, bowiem prędkość jego obrotu zależy od intensywności światła. Składa się z poziomego krzyża luźno zamocowanego na pionowej osi, zaś końcówki ramion to czarne z jednej i białe z drugiej strony powierzchnie. Całość jest zamknięta pod szklanym kloszem, spod którego zostało wypompowane powietrze dla ograniczenia oporu ruchu i wykluczenia wpływu gazu na działanie przyrządu. Krzyż obraca się powoli, tylko wyeksponowany bezpośrednio na światło słoneczne zaczyna obracać się szybko, trzy lub cztery obroty na sekundę, świeczka w odległości 5 cali powoduje najwyżej 5 obrotów na minutę, dwie świeczki 12 obrotów, 4 - 20 obrotów, 8 – 40 obrotów, także liczba obrotów rośnie niemal proporcjonalnie do siły światła.

¹

William Crookes (1832-1919) był angielskim badaczem, płodnym naukowo (i nie tylko, doczekał się dziesięciorga dzieci) samoukiem-eksperymentatorem, któremu odkrycie talu, nowego pierwiastka przyniosło znaczny naukowy prestiż. Starając się poznać dokładnie ciężar atomowy talu stosował pomiary w próżni, co przywiodło go do hipotezy związku między ciepłem a grawitacją. Crookes w 1875 r. skonstruował radiometr ukazujący według jego interpretacji siłę ciśnienia światła.

Odkrycie Crookes’a żywo zainteresowało badaczy i skłoniło ich do podjęcia próby wyjaśnienia zasady działania radiometru. Ponad wszelką wątpliwość istniała jakaś zależność między siłą światła i prędkością rotacji ramion krzyża w instrumencie, jednak wyjaśnienie Crookes’a iż ruch powoduje promieniowanie świetlne zaabsorbowane przez ciemną i odbite przez jasną stronę ramion nie zyskało aprobaty większości badaczy. Serie eksperymentów wykazały, że siła, która popycha łopatki radiometru musi mieć związek z ciepłem wytwarzanym na ich ciemnej stronie oraz bardzo rozrzedzonym powietrzem we wnętrzu urządzenia. Niektórzy sugerowali, że osiągnięcie całkowicie suchej próżni jest niemożliwe, więc to woda ewaporująca z powierzchni łopatek pod wpływem światła daje im siłę do obrotu.

Wydawało się pewne, że ruch radiometru wywołany jest raczej przez ciepło, a nie światło, ale do tego potrzebowano większej ilości doświadczeń. Próba Washmana z Genewy wykazała, że radiometr Crookes’a nie porusza się po kontakcie z wodą o temperaturze 140°F [60°C]. Jeden z eksperymentów został wykonany również przez samego Crookes’a, wystawił on łopatki instrumentu na działanie rozszczepionego przez pryzmat światła z różnych zakresów widma, oto wyniki:

Ultrafiolet ........................... Fiolet ........................ Indygo ........................... Niebieski ........................... Zielony .......................... Żółty ........................ Pomarańczowy....................... Czerwony ............................. Podczerwony.......................... Niewidzialne poza podczerwienią..................

5 obrotów 6 8,5 22 41 57 66 73 85 1002

Z tych danych badacze wywnioskowali, że nie jasność światła, ale jego temperatura zadecydowały o ruchu łopatek, co było w zasadzie poprawnym wnioskiem z błędnych założeń. W 1877 r., tzn. gdy wydano artykuł w Manufacturer and Builder o radiometrze Crookes’a nie znane były w pełni właściwości fizyczne światła a praca Jamesa Clerka Maxwella o falach elektromagnetycznych nie uzyskała jeszcze eksperymentalnego potwierdzenia. Nie można było w takiej sytuacji lekceważyć również teorii kontaktowych światła; np. zmagazynowania światła na zasadzie fosforescencji, co pozwalało obracać się ramionom radiometru w przeciwną stronę po zakryciu źródła promieniowania.

Ostatecznie wykluczono możliwość, by to ciśnienie światła poruszało radiometrem, nie był to jednakże koniec tego instrumentu, ponieważ jeszcze przed wyjaśnieniem zasady jego działania wskazywano na możliwość zastosowania go w fotografii i meteorologii, co więcej do dziś pozostaje standardowym wyposażeniem laboratorium fizycznego.

Siłą odpowiedzialną za tajemniczy ruch łopatek radiometru okazał się tzw. efekt radiometryczny, wywołany zderzeniami cząstek gazu, które z oświetlonej strony płytki miały większe pędy (innymi słowy gaz miał większą temperaturę) i przekazywały swoją energię płytce, popychając ją.

Nie popchnęło to bynajmniej badań nad samym światłem, okazując się ślepym zaułkiem nauki. Jej postęp może jawić się dla współczesnego obserwatora jako nieuchronny proces prowadzący do stanu maksymalnej wiedzy, ale w rzeczywistości to raczej błądzenie po omacku całej rzeszy badaczy takich jak William Crookes, którym zdarzało się odkrywać co prawdą na pewno nie jest.

Piotr Gołąb

Źródła:

[autor nieustalony], Light as a Motive Power, Manufacturer and builder, Volume 7, Issue 9, New York, September 1875, s. 207.

[autor nieustalony], Crooke's Mil, Manufacturer and builder, Volume 9, Issue 10, New York,

October 1877, s. 229.

[autor nieustalony], Light as a Motive Power, Grey River Argus, Volume XVI, Issue 2194, 20 August 1875, s. 2.

Wróblewski A. K., Historia Fizyki, Warszawa 2007.

1 [autor nieznany], Light as a Motive Power, Manufacturer and builder, Volume 7, Issue 9, September 1875, s. 207, tłumaczenie własne.

Autor tej krótkiej notatki pozostaje nieznany, jednak możemy spekulować, że jest to porucznik Robert Henry Armit, który tego samego roku wydaje Light as a Motive Power, series of a Meteorological Essays.

2 [autor nieustalony], Crooke's Mil, Manufacturer and builder, Volume 9, Issue 10, New York, October 1877, s. 229.