Лебедеву потребовалось ещё два года, чтобы решиться представить этот цикл работ физико- математическому факультету Московского университета в качестве докторской диссертации. В ней Лебедев подвёл итог своим попыткам изучить действие волн на резонаторы, на моделях определить силы, приводящие к взаимодействию посредством излучения.
По ходатайству физико-математического факультета Московского университета Лебедев был допущен советом университета непосредственно к защите докторской диссертации без сдачи магистрских экзаменов и защиты магистрской диссертации. В 1900 году Лебедеву присуждена докторская степень.
Итак, XIX век окончился для Лебедева защитой диссертации. В первый год XX века он становится профессором Московского университета.
Звания, должности — всё это как бы внешние аксессуары научной деятельности Лебедева. В глубинных её слоях идёт напряжённый поиск решения главной проблемы. Сделано немало — ему удалось установить, что давление лучей Солнца действительно является причиной образования кометных хвостов. Теперь на очереди следующая часть задачи, практическая: надо изучить и измерить величину этого давления.
Цель намечена. Но поначалу следовало ещё сделать более простое, но тоже никому не удававшееся измерение. Сделать решающий шаг от модели к реальному процессу. Измерить давление света на твёрдые тела. Это было тем более необходимо потому, что из работ Бредихина вытекало: хвосты комет могли состоять не только из газовых молекул, но, в основном, из мельчайших твёрдых пылинок.
Систематическая и глубокая подготовка позволила Лебедеву в короткий срок — за три года — закончить измерение давления света на твёрдые тела. Существенные опыты были начаты сразу после завершения исследования акустических резонаторов. Но идейная подготовка, конечно, началась много раньше.
Лебедев мысленно прошёл по маршрутам своих предшественников: и малоизвестных и великих, таких, как создатель волновой теории света — Френель, отец электроники — Крукс. Все они терпели в этом вопросе неудачи. В своих изысканиях он обращается к великому Кеплеру и к полузабытому Лонгмонтанусу, которые почти за три века до него связывали возникновение кометных хвостов с давлением солнечного света. Он анализирует схему опыта, предложенную самим Максвеллом, и приходит к убеждению, что таким путём невозможно достичь цели — измерить давление света на материальные тела.
Главным противником, обрекавшим на неудачи всех предшественников, оказались силы, открытые Круксом и названные им радиометрическими. Не вдаваясь пока в их сущность, отметим самое важное — сколь ни слабы эти круксовы силы, они в десятки раз превосходят силу светового давления. И она остаётся неуловимой, словно слабая радиопередача, утопающая в шуме и тресках, свойственных самому радиоприёмнику.
Лебедев понял роль круксовых сил и наметил свой путь борьбы с ними. Работа требовала огромного напряжения. Пригодились большой опыт, приобретённый во время предшествующих экспериментов, и юношеская склонность к изобретательству. Пришлось мобилизовать все свои знания, интуицию, накопленные за годы работы.
Лебедев изготавливает прибор за прибором, служащие одной цели — уменьшить, подавить радиометрические силы, маскирующие действие световых лучей. Заглянем внутрь одного из них: мы увидим легчайшее слюдяное крылышко на коромысле, подвешенном на тончайшей нити. Вот крылышка коснулся луч света. И крылышко дрогнуло, повернулось, потянуло за собой коромысло. Угол его поворота должен быть пропорционален давлению света. Но… этому мешают радиометрические силы, приводящие к много большему повороту.
Откуда они взялись? Их создаёт сам же луч света. Он не только давит на крылышко, но и нагревает его поверхности. Причём неодинаково с обеих сторон.
Что же дальше? Молекулы воздуха, оставшиеся внутри прибора (тогда не умели получать хороший вакуум), наталкиваются на крылышко и отскакивают от него, словно мячи, брошенные на стенку. Причём от более тёплой стороны крылышка молекулы отлетают с большей скоростью, а значит, силы отдачи здесь больше. Вот крылышко и поворачивается, увлекая за собой коромысло.
Этот поворот «паразитный», незапланированный, поэтому путает карты экспериментатора. Лебедев сумел отделаться от этого явления. Он ввёл в прибор простые, но решающие по своим результатам усовершенствования. Мы расскажем лишь о главных, обеспечивших успех. Для ослабления радиометрических сил нужно было уменьшить разность температур освещённой и неосвёщенной стороны крылышка. Значит, следовало крылышки делать возможно более тонкими и применять материалы, хорошо проводящие тепло. Выбор пал на платину, алюминий и никель. Серебро, медь и ряд других металлов отпали, ибо их разрушают пары ртути, неизбежные в вакуумных установках того времени, когда откачка проводилась ртутными насосами, а криогенная техника была недоступна.
Лебедев сделал четыре совершенно одинаковых прибора — только лепестки в них были из разных металлов. В трёх — из платины, алюминия, никеля. А в четвёртом — из слюды. Он хотел сравнить работу этих четырёх приборов с целью тщательной проверки, исключающей всякие неожиданности. Но даже для самых тонких металлических лепестков радиометрические силы не падали до нуля. Не хватало разрежения, даваемого самым лучшим из существующих насосов. Работа, казалось, зашла в тупик.
В этом безвыходном положении ещё раз проявились талант экспериментатора и изобретательская жилка Лебедева. Он поместил в баллон экспериментального прибора каплю ртути. Включив насос, осторожно нагревал её всего на пять градусов выше комнатной температуры. Пары ртути помогли вытеснить остаток воздуха и увлечь его в насос. Затем Лебедев отделил свой прибор от насоса специальным затвором. Теперь в приборе остались практически лишь пары ртути и совсем, совсем мало молекул воздуха. Лебедев предпринимает последний шаг. Охлаждает прибор смесью льда и соли. Пары ртути конденсируются, и в приборе достигается вакуум такой степени разрежения, о которой его современники не могли и мечтать.
Радиометрические силы стали совсем малыми. Но не исчезли полностью. Теперь надо точно учесть их возможный вклад в результаты опыта.
Лебедев показал расчётом, что в лепестках, отличающихся только толщиной, радиометрические силы пропорциональны ей.
Он изготавливает платиновые лепестки толщиной в одну десятую миллиметра. И даже в пять раз более тонкие, всего в две сотые миллиметра. Проведя измерения с этими лепестками, он может вычислить, как велико было бы отклонение, вызываемое светом для лепестка нулевой толщины, когда радиометрические силы равны нулю. Это была бы величина светового давления.
Ещё один контроль. Лебедев знает, что, согласно теории, световое давление на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на чёрную. И он полирует часть своих лепестков до зеркального блеска, а остальные покрывает платиновой чернью. Полученные результаты отличаются вдвое! Значит, измеряется именно давление света.
Однако Лебедеву мало доказать, что он наблюдает именно давление света. Нужно измерить его величину и сопоставить с величиной, получаемой из теории Максвелла. Для этого необходимо превратить измерительный прибор в подобие весов: точно откалибровать его, установить упругость нити подвеса, размеры коромысла и другие характеристики. Необходимо не менее точно измерить энергию пучка света, давление которого он определяет в своём приборе. Лебедев изготовил для этой цели и откалибровал два специальных калориметра и светоделительную пластинку, позволившую проводить измерения давления света и его энергии одновременно, чтобы исключить нестабильность источника света — вольтовой дуги.
Наконец предварительные опыты закончены. Начинается решающий эксперимент. Но перед этим Лебедев оценивает погрешности, вносимые его приборами. В сумме они могут достигать двадцати процентов искомой величины. Ведь давление, которое он хочет измерить, может составлять около трёх стотысячных дины. Такую силу испытывают весы под действием гирьки в три стотысячных миллиграмма. Для того чтобы в этих условиях получить достоверный результат, нужно провести множество измерений с лепестками различных типов, при нескольких режимах горения дуги, с различными линзами и зеркалами. Наконец, надо при этом достаточно точно учесть, насколько устойчив вакуум в результате манипуляций с каплей ртути. А как оценить его? Ведь ни один из существовавших тогда приборов не мог измерить величину достигнутого Лебедевым разрежения — столь малым получалось остаточное давление.
