Коротко — как и почему:
- Фотон несёт импульс. Его величина через энергию или длину волны: $p=\frac{E}{c}=\frac{h\nu }{c}=\frac{h}{\lambda }$.
- Поток энергии (интенсивность) $I$ даёт поток фотонов $\Phi =\frac{I}{h\nu }$. При полном поглощении каждый фотон переносит нормальный импульс $p$, значит давление (сила на единицу площади)
$$P_{\text{погл}}=\Phi p=\frac{I}{c}.$$ При упругом отражении нормальной компоненты импульса изменение вдвое, поэтому для идеального зеркала при нормальном падении
$$P_{\text{отраж}}=\frac{2I}{c}.$$ Для частично отражающей поверхности с коэффициентом отражения $R$ (нормальное падение) можно записать
$$P=\frac{I}{c}(1+R).$$ Для наклонного падения в формулы вместо $I$ подставляют перпендикулярную составляющую $I\cos \theta$ (нормальная составляющая давления масштабируется косинусом угла).
Применения и практические схемы:
- Оптические ловушки (optical tweezers). Работают за счёт двух компонентов силы:
- градиентная сила, стягивающая поляризуемую частицу в зону большего поля: ${\mathbf{F}}_{\text{grad}}\approx \frac{1}{2}\mathrm{Re}(\alpha )\nabla |E{|}^2$, где $\alpha$ — поляризуемость; это доминирует в режиме Рэлея (частица ≪ $\lambda$);
- рассеивающая (световое давление), толкающая по направлению луча, примерно $F_{\text{scatt}}\sim \frac{{\sigma }_{\text{scatt}}}{c}I$.
Практически: захват и манипуляция биомолекулами, клетками; силы типично $10^{-12}$–$10^{-9}$ Н.
- Солнечные паруса. Используют радиационное давление Солнца. При 1 а.е. солнечная постоянная $I_{\odot }\approx 1361W/{\mathrm{m}}^2$, для идеального отражателя давление примерно
$$P\approx \frac{2I_{\odot }}{c}\approx 9.1\times 10^{-6}N/{\mathrm{m}}^2.$$ Для паруса с удельной массой $1kg/{\mathrm{m}}^2$ это даёт ускорение порядка $\sim 9\times 10^{-6}m/{\mathrm{s}}^2$. Реальные проекты: IKAROS, LightSail.
- Охлаждение и ловушки для атомов (laser cooling, MOT). Здесь используется дискретная передача импульса фотона при рассеянии: каждая рассеиваемая фотонная придаёт импульс $\hslash k$. За счёт резонансного поглощения/излучения получают значительные тормозящие силы и охлаждение до микрокельвиновых температур.
- Кавитная оптомеханика и микроприводы. Давление света в оптических резонаторах двигает микомеханические зеркала, используют для управления колебаниями, измерений силы, создания оптохрупких датчиков.
- Нано- и микроманипуляция: оптические рейки, перетаскивание частиц, сборка наноструктур, контактless-актуаторы для микросистем.
Типичные масштабы и ограничения:
- Давление света очень мало по сравнению с механическими давлениями, но при малой массе (тонкие паруса, микрообъекты) даёт заметные эффекты.
- Для захвата требуется высокая интенсивность и высокоапертурная оптика; у биоткани важны тепловые эффекты (нагрев).
Итого: свет передаёт импульс каждому объекту через изменение импульса фотонов при поглощении/отражении/рассеянии; из этого следует давление $P\sim I/c$ (до $2I/c$ для зеркал). Эффект широко используется: оптические ловушки, солнечные паруса, лазерное охлаждение, оптомеханика и точная микроманипуляция.