Kita biasa mengaitkan cahaya dengan pemanasan, tetapi sinaran elektromagnet juga boleh menolak jirim. Tolakan ini sangat kecil dalam keadaan harian, namun ia boleh diukur dan menjadi penting apabila daya bertindak lama, luas permukaan besar atau graviti sangat lemah. Puncanya ialah momentum yang dibawa oleh sinaran. Apabila sinaran berinteraksi dengan bahan, perubahan momentum sinaran mesti diimbangi oleh perubahan momentum bahan.
Tenaga cahaya datang bersama momentum
Bagi foton dalam vakum, magnitud momentum berkaitan dengan tenaganya melalui p = E/c, dengan c ialah laju cahaya. Bagi gelombang elektromagnet, idea yang sama muncul melalui aliran tenaga dan momentum medan elektrik serta medan magnet. Oleh itu, cahaya tidak memerlukan jisim rehat untuk memindahkan momentum. Apabila foton diserap, momentumnya dipindahkan kepada bahan. Apabila foton dipantulkan semula, arah momentumnya berubah dan pemindahan momentum kepada permukaan boleh menjadi lebih besar.
Tekanan ialah daya yang tersebar pada sesuatu luas
Untuk sinaran yang jatuh tegak pada permukaan penyerap sempurna, tekanan purata ideal ialah I/c, dengan I ialah keamatan sinaran. Untuk pemantul sempurna pada keadaan yang sama, tekanan ideal menjadi 2I/c kerana momentum cahaya berubah arah. Bagi permukaan legap pada kejadian tegak yang menyerap sebahagian dan memantulkan sebahagian, tekanannya berada antara dua nilai ideal tersebut. Bagi bahan yang turut menghantar cahaya atau bagi sudut datang yang lain, tekanan bergantung pada pemindahan momentum keseluruhan.
Pada jarak Bumi daripada Matahari, tekanan radiasi pada pemantul sempurna kira-kira 9 mikropascal. Sebagai perbandingan, tekanan atmosfera piawai ialah kira-kira 101 000 pascal. Namun ruang angkasa hampir tiada rintangan udara, jadi daya kecil boleh mengubah momentum wahana secara beransur-ansur. Konsep layar suria menggunakan permukaan luas dan ringan untuk menerima momentum daripada cahaya Matahari, seperti yang ditunjukkan oleh misi IKAROS Jepun. Pecutannya kecil pada setiap saat tetapi boleh terkumpul sepanjang tempoh yang panjang tanpa menggunakan bahan api sebagai sumber tolakan utama.
Daya kecil boleh penting pada debu dan objek ringan
Tekanan radiasi turut mempengaruhi zarah debu yang sangat kecil di angkasa. Bagi zarah ringan dengan nisbah luas permukaan kepada jisim yang besar, daya daripada cahaya boleh menjadi ketara berbanding graviti. Pada komet, tekanan radiasi membantu menolak debu menjauhi arah Matahari, walaupun tingkah laku ekor komet tidak boleh dikaitkan dengan tekanan radiasi sahaja. Gas terion dalam ekor plasma sangat dipengaruhi oleh angin suria dan medan magnet antara planet.
Tekanan radiasi boleh diasingkan daripada kesan pemanasan
Eksperimen tekanan radiasi perlu membezakan daya akibat momentum cahaya daripada daya lain seperti pengembangan terma, arus udara dan pelepasan gas daripada permukaan yang panas. Dalam vakum dan dengan kawalan suhu yang baik, daya pada sasaran boleh dibandingkan dengan kuasa cahaya, luas permukaan dan sifat pantulan. Hubungan berkadar dengan keamatan dan perbezaan antara penyerapan serta pantulan menjadi ujian penting terhadap model pemindahan momentum.
Rumus ideal bergantung pada geometri dan sifat permukaan
Rumus I/c dan 2I/c menganggap sinaran datang tegak serta permukaan ideal. Dalam sistem sebenar, sudut datang, pantulan tersebar, penyerapan separa, bentuk objek dan taburan keamatan perlu diambil kira. Untuk objek mikroskopik pula, medan cahaya yang tidak seragam boleh menghasilkan daya tambahan yang berkaitan dengan kecerunan medan. Oleh itu, tekanan radiasi asas ialah titik mula, bukan penerangan lengkap bagi semua daya optik.
Bagaimana kita mengetahui hal ini?
Mengapakah cahaya boleh mengenakan daya pada permukaan?