Давление ЭМ волны

[Dr.RichardFeynman]

Из школьного курса физика мы знаем, что из-за корпускулярно-волнового дуализма свет может оказывать давление. Также мы знаем, что чем больше частота ЭМ волны, тем сильнее проявляются корпускулярные особенности, и тем слабее - волновые. Верно ли утверждение: Чем больше частота волны, тем больше будет давление?
И еще, в порядке уточнения. Если, стоя на плоту в вакууме, взять узконаправленный источник ЭМ волны с очень большой частотой(гамма-излучение, или что-то типо него?), и направить в любую сторону, будет ли создаваться, хотя бы мизерное значение реактивной силы?
Спасибо

[Someone]

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

из-за корпускулярно-волнового дуализма

"Корпускулярно-волновой дуализм" — это ранняя попытка описать в терминах классической механики новые объекты, с которыми столкнулись физики. Как оказалось, эти новые объекты адекватно описать в терминах классической механики нельзя, поэтому "корпускулярно-волновой дуализм" благополучно помер.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

Чем больше частота волны, тем больше будет давление?

Нет. Величина давления определяется величиной энергии, упавшей на поверхность, и особенностями взаимодействия электромагнитной волны с поверхностью, каковые могут зависеть и зависят от частоты.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

Если, стоя на плоту в вакууме, взять узконаправленный источник ЭМ волны с очень большой частотой(гамма-излучение, или что-то типо него?), и направить в любую сторону, будет ли создаваться, хотя бы мизерное значение реактивной силы?

Будет.
Вот здесь я рассматривал движение космического корабля, ускоряемого падающим на него лучом лазера. Предполагается, что луч полностью отражается в прямо противоположном направлении. Если луч частично поглощается или рассеивается при отражении, то ускорение будет меньше.

[Dr.RichardFeynman]

Спасибо, Someone.

[Munin]

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

Из школьного курса физика мы знаем, что из-за корпускулярно-волнового дуализма свет может оказывать давление.

Это мешанина, в которой виноват школьный курс физики. На самом деле, это совсем разные вещи:
- волны могут оказывать давление;
- свет можно рассматривать и как частицы, и как волны (правда, это за пределами школьного курса), но с давлением это не связано.

Ну и вообще, "корпускулярно-волновой дуализм" в приличном обществе вообще не стоит говорить, как объяснил уже Someone. Истинная физическая картина такова: квантовые объекты (называемые терминологически "квантовые частицы", но это просто слово) не являются ни частицами, ни волнами. Это третий вариант. Аналогично тому, как конус не является ни кругом, ни треугольником, хотя при взгляде сверху и сбоку может выглядеть как круг или как треугольник.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

Также мы знаем, что чем больше частота ЭМ волны, тем сильнее проявляются корпускулярные особенности, и тем слабее - волновые.

"Корпускулярные особенности" - да, проявляются сильнее. А вот волновые - не слабее.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

Верно ли утверждение: Чем больше частота волны, тем больше будет давление?

Величина давления электромагнитной волны равна

$$P=[1;2]\,\,\dfrac{\overline{S}}{c}=[1;2]\,\,\dfrac{1}{2}\dfrac{E_\mathrm{A}\cdot H_\mathrm{A}}{c}=[1;2]\,\,\dfrac{I}{c},$$

где $\overline{S}$ - усреднённый вектор Пойнтинга, $E_\mathrm{A}$ и $H_\mathrm{A}$ - амплитудные значения электрического и магнитного поля в волне, а $I$ - (энергетическая) интенсивность света. Множитель $[1;2]$ выбирается в зависимости от того, поглощается ли волна (1) или отражается зеркально (2). Базовое соотношение $P=[1;2]\,\,I/c$ не зависит от частоты и т. п.

Если мы введём $N$ - число фотонов, падающее на единицу поверхности за единицу времени, то $I=E_1N,$ где $E_1=h\nu$ - энергия одного фотона. Тогда

$$P=[1;2]\,\,\dfrac{Nh\nu}{c}.$$

Но эту формулу надо понимать правильно: обычно мы задаём условиями опыта именно интенсивность света, то есть произведение $Nh\nu.$ Мы не можем зафиксировать отдельно именно величину $N$ - как бы мы это сделали? Но если мысленно считать её зафиксированной (для этого условия опыта надо регулировать соответственно), то при изменении частоты, да, будет меняться и давление.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905455 писал(а):

И еще, в порядке уточнения. Если, стоя на плоту в вакууме, взять узконаправленный источник ЭМ волны с очень большой частотой(гамма-излучение, или что-то типо него?), и направить в любую сторону, будет ли создаваться, хотя бы мизерное значение реактивной силы?

Это называется фотонная ракета. Хотя название несколько приводит в заблуждение, фотоны тут ни при чём. Для этого не нужна большая частота, для этого достаточно любого направленного электромагнитного излучения, чтобы его поток в разные стороны не уравновешивал друг друга. (Конечно, чем более узкий пучок вы сделаете, тем больше будет эффективность, но для угла раствора меньше 10° это уже мелочи.) Можно даже излучать обычной радиоантенной, правда, антенна должна быть достаточно большой (порядка длины волны или больше), чтобы её диаграмма направленности была достаточно узкой. Общий закон $P=I/c$ выполняется и здесь. В интегральном виде (пренебрегая углом раствора), $F=W/c,$ где $W$ - излучаемая мощность, а $F$ - создаваемая реактивная сила. Проблема только в том, что $c$ - большое число (в привычных единицах измерения) в знаменателе :-)

[Dr.RichardFeynman]

Большое спасибо Munin за такое подробное объяснение.

[Munin]

Между прочим, вы 1 курс? Вам уже надо уметь решать самому задачу на вычисление давления электромагнитной волны.

Вопрос. Массивная точечная заряженная частица начинает движение неподвижно в начале координат. На неё падает плоская синусоидальная плоскополяризованная волна. Найти среднее ускорение частицы в направлении оси, вдоль которой идёт волна. Считать, что длина волны велика, смещение частицы мало, приобретаемая частицей скорость мала. Если будут трудности с точным решением - найти качественный ответ с точностью до порядка.

[Nemiroff]

(Оффтоп)

Munin в сообщении #905620 писал(а):

Между прочим, вы 1 курс?

Это в смысле 8 дней отучился? Тогда пощадите человека.

[Munin]

(Оффтоп)

Это в смысле, у него должно быть уже самоосознание и ответственность соответствующие :-) Ну а чо сложного? Задачу можно было бы и школьникам на олимпиаде / на факультативе задать.

[Dr.RichardFeynman]

Я не пошел на физику. А школьные задачи на формулу давления света были моими любимыми)

[Munin]

А что, в школе дают ещё и какую-то формулу? И называют её ещё и формулой давления света? Какую?

Кстати, куда вы пошли?

Вообще, в физике не бывает "формула чего-то". Формула - это закон, связывающий несколько величин. Его можно использовать и в ту, и в другую, и в третью сторону - сколько разных переменных в формуле есть, столько их и можно выразить из формулы (с редкими исключениями).

Кроме того, какая-то одна формула - довольно редко есть единственный мостик между перечисленными величинами. Бывают и другие. Тогда из них составляется система. Ещё кроме того, в формулу можно подставить другие формулы, выражающие одни величины через третьи, и тогда формула связывает уже другой набор величин.

Всё это приводит к тому, что не формула - в физике главный "игрок". Главное - это некоторая математическая модель. Формула - нечто эфемерное, некоторое высказывание о модели, точно так же как есть некоторая действительность за окном, а есть наши фразы, описывающие эту действительность. Мы можем выхватить тот или иной фрагмент действительности по своему произволу ("не идёт дождь", или "шёл дождь", или "сейчас на асфальте лужи"), а действительность вся вместе - описывается всеми такими возможными высказываниями, вместе взятыми.

Большие и развитые модели называются теориями. Например, в школе изучают ньютоновскую механику, термодинамику идеального газа, теорию электрических цепей, геометрическую оптику. Некоторые модели поменьше и попроще могут быть "обрывками" больших моделей, например, закон Ома - простая модель, а также фрагмент теории электрических цепей. Некоторые такие "обрывки" в школе изучают, а соответствующие более крупные теории - нет, например, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. И наконец, некоторые такие "обрывки" известны современной физике именно в обрывочном виде, а охватывающие их теории до сих пор не построены. Это связано с тем, что физика - незаконченная, развивающаяся наука, и есть надежда, что такие теории будут построены в будущем.

Всё это я к тому, что например, когда я писал формулы в сообщении post905532.html#p905532 , я не вспоминал какие-то заученные наизусть формулы. Я вспоминал цельную модель, и выражал то, что знаю и хочу сказать об этой модели, в виде формул. Соблюдал только обозначения величин общепринятыми буквами. В учебниках вам может не встретиться ровно именно таких формул, но встретятся другие, из которых можно вывести мои, и наоборот, из моих - те, которые в учебнике.

[Dr.RichardFeynman]

Такую же формулу и дают. Давление равно произведению энергии N фотонов, деленной на скорость света, на едницу плюс альбедо, если мне не изменяет память. А задачи были элементарные, с солнечным парусом.
Для вас это легко - представлять цельную модель и брать из нее то, что нужно. Но для меня это неоступно, по объективным причинам. Помню, как я развлекался, взяв формулу, в которой много элементов, и, выражая одно через другое доходил до того, что, например, сила тока выражалась совсем не в амперах.
А поступил я на специальность "Информационные системы и технологии"

[rustot]

Dr.RichardFeynman в сообщении #905979 писал(а):

Такую же формулу и дают. Давление равно произведению энергии N фотонов

у электромагнитной волны есть энергия и импульс. "дуализм" к этому не имеет никакого отношения. давление на тело при поглощении/отражении электромагнитной волны вычисляется обычным образом как при поглощении/отражении камня.

если разложить электромагнитную волну на кванты, то энергия и импульс тоже между ними разделятся и можно оперировать этими величинами для отдельного кванта. только зачем вам этот промежуточный этап?

[Munin]

Dr.RichardFeynman в сообщении #905979 писал(а):

Для вас это легко - представлять цельную модель и брать из нее то, что нужно. Но для меня это неоступно, по объективным причинам.

Никаких объективных причин тут быть не может.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905979 писал(а):

Помню, как я развлекался, взяв формулу, в которой много элементов, и, выражая одно через другое доходил до того, что, например, сила тока выражалась совсем не в амперах.

Ну это просто где-то была сделана ошибка (а может быть, и не одна). Разумеется, ошибок надо избегать, проверять на них и исправлять.

Надо не играть с формулами, а пытаться уместить в голове всю модель целиком. Это довольно просто. Ведь можете же вы представить себе координатную прямую, или координатную плоскость (надеюсь). Если это сделать, то все точки будут иметь координаты, все векторы между точками - тоже, можно выписать всевозможные алгебраические соотношения между ними. Точно так же и в физике, есть полная математическая модель, и часто достаточно простая.

Dr.RichardFeynman в сообщении #905979 писал(а):

Такую же формулу и дают. Давление равно произведению энергии N фотонов, деленной на скорость света, на едницу плюс альбедо, если мне не изменяет память.

Ну вы понимаете, что это на самом деле результат "наложения" нескольких формул, по схеме, которую описал rustot?

[Dr.RichardFeynman]

Munin в сообщении #906182 писал(а):

Dr.RichardFeynman в сообщении #905979 писал(а):

Для вас это легко - представлять цельную модель и брать из нее то, что нужно. Но для меня это недоступно, по объективным причинам.

Никаких объективных причин тут быть не может.

Я имел ввиду то, что я знаю очень маленькую часть физики.

[Munin]

Повторяю: даже в школьной физике есть примеры таких цельных моделей. Например, ньютоновская механика. Это полная модель: в ней возможно полностью описать механическое движение частиц, тел и систем тел, при заданных условиях. В этом полном описании, можно полагать одни величины известными, а другие неизвестными, задавать вопросы, и вычислять на них ответы. Вам понятно, о чём я говорю?