De druk van het licht

Precies honderd jaar geleden werd in Parijs een groot internationaal congres voor natuurkundigen gehouden. Op de vijfde dag van dit zevendaagse congres maakte de Russische natuurkundige Pjotr Nikolajevitsj Lebedev (1866-1912) bekend dat hij de `druk' van licht had gemeten. Een opmerkelijke prestatie, omdat zijn collega's in het Westen daar nog steeds niet in waren geslaagd. In het Hôtel de la Société d'Encouragement gingen de handen daarom na afloop van zijn séance stevig en langdurig op elkaar.

Dat licht een druk uitoefent, werd al vermoed sinds de Duitse geleerde Petrus Apianus in 1531 had opgemerkt dat de staart van een komeet altijd van de zon is afgekeerd. Om dit te verklaren, opperde de Duitse astronoom Johannes Kepler in 1619 dat het zonlicht een afstotende kracht op de komeetdeeltjes uitoefent. Kepler was daarmee de eerste van een lange rij onderzoekers die over dit effect theoretiseerde. Velen trachtten die druk ook te meten, bijvoorbeeld door een sterke lichtbundel op heel lichte, vrijhangende plaatjes te richten, maar zonder resultaat.

Die pogingen kregen een nieuwe impuls toen de Britse natuurkundige James Clerk Maxwell in 1873 bewees dat het bestaan van een lichtdruk voortvloeide uit zijn theorie van het elektromagnetisme. Die druk was echter heel gering: zonlicht zou op een vlakje van één vierkante centimeter een kracht van nog geen tienmiljoenste gram uitoefenen. Geen wonder dat men er nog niets van had gemerkt: de kracht werd geheel versluierd door effecten die voortvloeien uit de verwarming van omringende lucht. De metingen zouden dus alleen kans van slagen hebben als ze in vacuüm werden verricht.

In 1874 bouwde de Britse natuurkundige William Crookes een radiometer: een instrumentje waarin lichtstraling draaiing veroorzaakt. Het bestond uit vier dunne plaatjes die op gelijke afstanden en onderlinge hoeken van 90° aan een dun glasstaafje waren bevestigd dat bijna wrijvingsloos binnen een luchtledig gepompte glazen bol kon draaien. De vaantjes waren aan één zijde zwart en aan de andere zijde spiegelend. Zodra er licht op het molentje viel, ging het als een dolleman draaien. Had Crookes hiermee nu de druk van het zonlicht aangetoond?

Het molentje van Crookes ziet men wel eens als curiosioteit op een vensterbank. Wie goed kijkt, ziet iets vreemds: de zwarte zijden van de vaantjes bewegen van het licht af, terwijl de spiegelende zijden er naar toe bewegen! Aangezien een spiegelend oppervlak méér licht reflecteert dan een zwart oppervlak, kunnen het niet de weerkaatste fotonen (lichtdeeltjes) zijn die de vaantjes doen draaien. Dat besefte Crookes ook en hij gaf ook de juiste verklaring: niet licht maar lucht doet de vaantjes draaien.

De zwarte kant van een vaantje absorbeert meer zonlicht dan zijn spiegelende achterkant en wordt dus iets warmer. Aangezien de glazen bol nog een klein beetje lucht bevat, wordt die vlak vóór de zwarte kant van een vaantje iets warmer dan aan de achterkant. Dit temperatuurverschil veroorzaakt een drukverschil en dat drijft de vaantjes in het rond. Zit er te veel lucht in de bol, dan draaien de vaantjes niet omdat ze te veel weerstand ondervinden. Is er te weinig lucht, dan draaien ze niet omdat het drukverschil te gering is.

Britse en Duitse natuurkundigen verrichtten in het laatste kwart van de negentiende eeuw veel onderzoek aan de effecten van lichtstraling, maar het zou uiteindelijk een Russisch natuurkundige zijn die er in 1899 als eerste in slaagde de druk van licht te meten. Lebedev, die sinds 1892 hoogleraar aan de universiteit van Moskou was, gebruikte hiervoor een omgebouwde, hypergevoelige radiometer.

Het glasstaafje met vaantjes hing nu aan een torsiedraad die over een kleine hoek kon draaien. De grootte van deze hoek, die net als bij een galvanometer met een gereflecteerde lichtstraal werd gemeten, was dan een maat voor de kracht die op de vaantjes werkte. In de glazen bol heerste een extreem hoog vacuüm, zodat de warmte-effecten van de lucht minimaal waren. De ballon werd bovendien gekoeld, terwijl een filter de `ultrarode' warmtestraling tegenhield. De lichtbron was een booglamp met een intensiteit van twee tot drie maal die van het zonlicht.

,,Toen ik aan mijn pogingen wilde beginnen, leek mij het door Maxwell voorgestelde experiment aanvankelijk kansloos'', vertelde Lebedev op 10 augustus in Parijs. Hij wist dat hij een kracht moest meten die honderdduizend maal zo klein was als de moleculaire krachten die het molentje van Crookes deden draaien. Maar zijn zeer doordachte en zorgvuldig uitgevoerde experiment had succes. Lebedev mat kleine, systematische rotaties, waaruit hij na wat rekenwerk afleidde dat die werden veroorzaakt door een kracht die niet meer dan tien procent afweek van wat men kon verwachten. Daarmee `was het bestaan van de door Maxwell voorspelde druk van lichtstraling experimenteel bevestigd'.

Hoewel we de druk van het licht in het dagelijks leven niet opmerken, speelt hij in de kosmische ruimte een belangrijke rol. Sterren storten niet onder invloed van hun eigen zwaartekracht in omdat de stralingsdruk in hun inwendige deze aantrekking weet te weerstaan. Die instorting begint pas wanneer de bron van hun straling – kernfusie – is opgedroogd. En de stralingsdruk rond de zon maakt dat de kometen in haar buurt zo'n mooie, lange staart krijgen en dat het magnetische veld van de aarde tot een lange druppelvorm wordt uitgerekt.

De stralingsdruk van de zon is ook merkbaar in de baan van kunstmanen en ruimtesondes en in sommige gevallen heeft men die kracht doelbewust aangewend om de stand of baan van zo'n ruimtevaartuig zonder extra brandstof te veranderen. De Tsjechische astronoom David Vokrouhlicky ontdekte drie jaar geleden dat zelfs de baan van de maan door de druk van het zonlicht wordt beïnvloed: hij wordt hierdoor periodiek een paar millimeter groter en kleiner. De invloed van het zonlicht op de beweging van de aarde is nog niet aangetoond, maar er komt een dag waarop een moderne Lebedev ook dat voor elkaar krijgt.