Рассмотрим на примере экспериментального открытия светового давления этапы подготовки и проведения эксперимента. Идея о том, что свет производит давление на освещаемые тела, была высказана еще И. Кеплером. В корпускулярной теории света И. Ньютона эта идея получила теоретическое развитие и обоснование: поток корпускул, представляющий собой свет, ударяясь о поверхность тела, должен производить давление. Из волновой теории X. Гюйгенса также следовало, что световая волна давит на освещаемые тела. Таким образом, теория поставила вопрос о существовании светового давления и предсказала, что ответ на него должен быть положительным. Однако долгое время было неясно, как поставить эксперимент для получения ответа на этот вопрос.

Создатель электромагнитной теории Дж. К. Максвелл вычислил величину светового давления. Согласно теории, сила давления зависит от интенсивности света. Для случая, когда световые лучи образуют параллельный пучок, давление р равняется плотности световой энергии и, т. е. энергии в единице объема. При этом предполагается, что тело, на которое падает свет, является абсолютно черным, т. е. поглощает всю падающую на него световую энергию. Если же коэффициент отражения тела не равен нулю, а имеет некоторое значение g, то давление р = и (I + g). Для идеального зеркала, коэффициент отражения которого равен I , давление р , согласно этой формуле, будет равно 2u . Если интенсивность света, т. е. количество энергии, проходящей через 1 см за 1 сек, обозначить через J, то плотность лучистой энергии будет равно дроби J: с, где с — скорость света. Подставив вместо и выражение J: c в формулу для вычисления давления, получим соотношение р = (J: с) (I + g). Пользуясь последней формулой, Максвелл вычислил, что сила, с которой солнечные лучи в ясный день давят на 1 м черной поверхности, равна 0,4 мг.

Теоретическая основа эксперимента была подготовлена. Световое давление было представлено в виде измеряемой величины, а вычисленное значений этой величины могло дать представление о тонкости и сложности эксперимента. Однако проблема была сформулирована лишь в теоретических терминах, относящихся к идеализированным

объектам и свойствам, с которыми реальное действие невозможно. В расчет Максвелла входили такие понятия, как "абсолютно черное тело", "идеальное зеркало", "интенсивность света" и т. п. Ни наблюдать, ни измерять объекты, обозначенные этими понятиями, было нельзя. Только после того, как русский ученый П. Н. Лебедев придал этим понятиям определенный эмпирический смысл, ему удалось построить прибор для обнаружения и измерения светового давления.

Прибор Лебедева состоял из легкого подвеса на тонкой нити, по краям которого были прикреплены очень тонкие и легкие крылышки. Одно из крылышек было зачернено, а другое оставлено блестящим. Подвес помещался в сосуде, из которого был откачен воздух. Свет от дуговой лампы концентрировался при помощи системы линз и зеркал на одном из крылышек и вызывал закручивание подвеса, которое можно было наблюдать и замерять. Определенная часть светового пучка подавалась на термоэлемент, который служил для измерения величины падающей энергии J. Измерения Лебедевым светового давления с помощью этого прибора дали величину, согласующуюся с предсказанной.

На этом примере можно видеть, каким образом теоретическая задача формулируется как задача экспериментальная. В эксперименте Лебедева световое давление было интерпретировано как наблюдаемое закручивание подвеса, а интенсивность света посредством термоэлемента трансформировалась в тепловое расширение. Цель эксперимента, которая, с точки зрения теории, состояла в обнаружении и измерении светового давления, непосредственно ставилась как обнаружение и измерение закручивания подвеса. Непосредственный результат эксперимента состоял в обосновании эмпирического суждения: "Подвес закручивается". В результате теоретического осмысления наблюдаемого положения дел, выражаемого этим суждением, Лебедев имел возможность сформулировать и такой результат: "Световое давление существует".

При рассмотрении последовательности этапов проведения эксперимента на первое место следует поставить формулировку проблемы, для решения которой ставится эксперимент. В приведенном выше примере проблема формулировалась так: "Существует ли в действительности световое давление и если существует, то какова его величина?". Проблема, на которую должен дать ответ эксперимент, детерминирует и выбор величин, определяемых в ходе эксперимента. В рассмотренном выше случае этими величинами была световое давление и интенсивность света. Сами эти величины не могли быть обнаружены и фиксированы в эксперименте. Для того, чтобы войти в экспериментальные процедуры (первый этап), они предварительно должны быть интерпретированы эмпирически, т. е. представлены в виде некоторых других величин, которые можно непосредственно наблюдать и измерять.

Второй этап — выбор эмпирической интерпретации теоретических величин — очень важен при подготовке эксперимента. Только после этого наши теоретические построения и расчеты приобретают эмпирический смысл, а сам эксперимент становится принципиально возможным. В эксперименте Лебедева световое давление эмпирически было представлено как закручивание подвеса, а интенсивность света — как тепловое расширение в термоэлементе. Закручивание подвеса и тепловое расширение можно было наблюдать и измерять непосредственно.

Третий этап в проведении эксперимента — выбор условий и используемых приборов — определяется эмпирической интерпретацией теоретических величин. Если мы хотим, чтобы световое давление было представлено, как закручивание подвеса, то мы должны создать такие условия, чтобы это закручивание не могло быть вызвано никаким другим воздействием. В эксперименте Лебедева трудность состояла в том, что силы светового давления очень малы, и их действие легко перекрывалось рядом других факторов. Среди них наиболее существенными были конвекционные токи воздуха и радиометрические силы. Когда подвес был окружен воздухом, движение воздушных потоков могло закручивать его. Чтобы устранить или хотя бы ослабить действие этого фактора, Лебедев поместил подвес в стеклянный баллон, из которого воздух можно было выкачать. Радиометрический эффект заключается в том, что освещенная сторона пластинки нагревается сильнее неосвещенной стороны, и противоположные стороны испытывают неодинаковое давление газа, что может также вызвать закручивание подвеса. Чтобы избежать этого, крылышки приходилось делать как можно более тонкими. Трудности, связанные с исключением всех побочных эффектов, были в данном случае столь велики, что на их преодоление у Лебедева ушло более трех лет.

После того, как выбраны условия эксперимента и исключено влияние всех побочных факторов, наступает четвертый этап: воздействие на объект, наблюдение его поведения и измерение контролируемых величин. Этот этап можно назвать решающим в проведении эксперимента. Именно для него проводится вся подготовительная работа, и именно на этом этапе мы получаем ответ на вопрос теории, обращенный к природе. В эксперименте Лебедева ответ был положительным, а в эксперименте Майкельсона, например, природа ответила: "Нет!", — хотя уверенность в существовании эфира была ничуть не меньшей, чем уверенность в существовании светового давления.