Бүгін біз Лебедевтің жарық фотондарының қысымын дәлелдеу тәжірибесі туралы айтатын боламыз. Біз бұл жаңалықтың маңыздылығын және оған себеп болған жағдайды ашамыз.
Білім - қызығушылық
Қызығу құбылысы туралы екі көзқарас бар. Бірі «қызық Варвараның мұрнын базарда жұлып алды» деген сөзбен айтса, екіншісі «қызыққа құштарлық жаман емес» деген сөзбен айтылады. Қызығушылықты қанағаттандырмайтын немесе керісінше қажет аймақтарды ажырата отырып, бұл парадокс оңай шешіледі.
Иоганн Кеплер ғалым болу үшін туған жоқ: әкесі соғысқа қатысқан, ал анасы таверна ұстаған. Бірақ оның ерекше қабілеттері болды және, әрине, қызық болды. Сонымен қатар, Кеплер көру қабілетінің ауыр бұзылуынан зардап шекті. Бірақ ол ашылымдар жасады, соның арқасында ғылым және бүкіл әлем олар қазірдің өзінде. Иоганнес Кеплер Коперниктің планеталық жүйесін нақтылаумен танымал, бірақ бүгін біз ғалымның басқа да жетістіктері туралы айтатын боламыз.
Инерция және толқын ұзындығы: ортағасырлық мұра
Елу мың жыл бұрын математика мен физика «Өнер» бөліміне жататын. Сондықтан Коперник денелердің (оның ішінде аспандықтардың) қозғалысының механикасымен, оптикамен және тартылыс күшімен айналысты. Ол инерцияның бар екенін дәлелдеді. ҚорытындыларданБұл ғалым қазіргі механиканы, денелердің өзара әрекеттесу тұжырымдамасын, жанасатын объектілердің жылдамдықтарының алмасуы туралы ғылымды дамытты. Коперник сонымен қатар сызықтық оптиканың үйлесімді жүйесін жасады.
Ол мынадай ұғымдарды енгізді:
- "жарықтың сынуы";
- "сыну";
- "оптикалық ось";
- "жалпы ішкі рефлексия";
- "жарықтандыру".
Ал оның зерттеулері ақырында жарықтың толқындық табиғатын дәлелдеді және Лебедевтің фотондардың қысымын өлшеуге арналған тәжірибесіне әкелді.
Жарықтың кванттық қасиеттері
Біріншіден, жарықтың мәнін анықтап, оның не екенін айтқан жөн. Фотон – электромагниттік өрістің кванты. Бұл тұтастай кеңістікте қозғалатын энергия пакеті. Сіз фотоннан біраз энергияны «шағып» алмайсыз, бірақ оны өзгертуге болады. Мысалы, егер жарық затпен жұтылатын болса, онда дененің ішінде оның энергиясы өзгерістерге ұшырап, басқа энергиямен фотонды қайта шығаруға қабілетті. Бірақ ресми түрде бұл жұтылатын жарық кванты болмайды.
Мұның мысалы ретінде тұтас металл шарды келтіруге болады. Егер заттың бір бөлігі оның бетінен жыртылып кетсе, онда пішіні өзгереді, ол шар тәрізді болудан қалады. Бірақ егер сіз бүкіл нысанды ерітіп, сұйық металды алсаңыз, содан кейін қалдықтардан кішірек доп жасасаңыз, ол қайтадан шар болады, бірақ бұрынғыдай емес.
Жарықтың толқындық қасиеттері
Фотондардың толқындық қасиеттері бар. Негізгі параметрлер:
- толқын ұзындығы (кеңістікті сипаттайды);
- жиілік (сипаттайдыуақыт);
- амплитудасы (тербеліс күшін сипаттайды).
Бірақ электромагниттік өрістің кванты ретінде фотонның таралу бағыты да болады (толқын векторы ретінде белгіленеді). Сонымен қатар, амплитудалық вектор толқындық вектордың айналасында айналуға және толқындық поляризацияны жасауға қабілетті. Бірнеше фотондардың бір мезгілде шығарылуымен фаза, дәлірек айтқанда, фазалар айырмашылығы да маңызды факторға айналады. Еске салайық, фаза белгілі бір уақыт мезетінде толқын фронты болатын тербеліс бөлігі (көтеру, максимум, төмендеу немесе минимум).
Масса және энергия
Эйнштейн тапқырлықпен дәлелдегендей, масса – бұл энергия. Бірақ әрбір нақты жағдайда бір мән екіншісіне айналатын заңды іздеу қиын болуы мүмкін. Жарықтың жоғарыдағы толқындық сипаттамаларының барлығы энергиямен тығыз байланысты. Атап айтқанда: толқын ұзындығын ұлғайту және жиілікті азайту энергияның аздығын білдіреді. Бірақ энергия бар болғандықтан, фотонның массасы болуы керек, сондықтан жеңіл қысым болуы керек.
Тәжірибе құрылымы
Бірақ фотондар өте кішкентай болғандықтан, олардың массасы да аз болуы керек. Оны жеткілікті дәлдікпен анықтай алатын құрылғыны жасау қиын техникалық тапсырма болды. Онымен бірінші болып орыс ғалымы Лебедев Петр Николаевич жеңді.
Тәжірибенің өзі бұралу моментін анықтайтын салмақтардың дизайнына негізделген. Күміс жіпке арқан ілінді. Оның ұштарына әртүрлі жұқа тақтайшалар бекітілгенматериалдар. Лебедев тәжірибесінде көбінесе металдар (күміс, алтын, никель) пайдаланылды, бірақ слюда да болды. Бүкіл құрылым шыны ыдысқа орналастырылды, онда вакуум жасалды. Осыдан кейін бір тақтайша жарықтандырылды, ал екіншісі көлеңкеде қалды. Лебедевтің тәжірибесі бір жақтың жарықтануы таразы айнала бастайтынын дәлелдеді. Ауытқу бұрышы бойынша ғалым жарықтың күшін бағалады.
Қиыншылықтар
ХХ ғасырдың басында жеткілікті дәл тәжірибені құру қиын болды. Әрбір физик вакуум жасауды, әйнекпен жұмыс істеуді және беттерді жылтыратуды білді. Шындығында, білім қолмен алынған. Ол кезде қажетті құрал-жабдықтарды жүздеген данамен шығаратын ірі корпорациялар болған жоқ. Лебедевтің құрылғысы қолмен жасалған, сондықтан ғалым бірқатар қиындықтарға тап болды.
Ол кездегі вакуум тіпті орташа емес еді. Ғалым шыны қалпақ астындағы ауаны арнайы сорғымен сорып шығарды. Бірақ эксперимент ең жақсы жағдайда сирек атмосферада өтті. Құрылғының жарықтандырылған жағын қыздырудан жарықтың қысымын (импульсті тасымалдау) бөлу қиын болды: негізгі кедергі газдың болуы болды. Егер тәжірибе терең вакуумде жүргізілсе, онда жарықтандырылған жағындағы броундық қозғалысы күштірек болатын молекулалар болмас еді.
Бүгілу бұрышының сезімталдығы көп нәрсені қалаусыз қалдырды. Заманауи бұранда тапқыштар радианның миллионнан бір бөлігіне дейінгі бұрыштарды өлшей алады. Он тоғызыншы ғасырдың басында масштабты жай көзбен көруге болатын. Техникауақыт табақшалардың бірдей салмағы мен өлшемін қамтамасыз ете алмады. Бұл, өз кезегінде, массаны біркелкі бөлуге мүмкіндік бермеді, бұл да айналу моментін анықтауда қиындықтар туғызды.
Жіптің оқшаулануы мен құрылымы нәтижеге қатты әсер етеді. Егер металл бөліктің бір ұшы қандай да бір себептермен көбірек қызған болса (бұл температура градиенті деп аталады), онда сым жеңіл қысымсыз бұрыла бастауы мүмкін. Лебедевтің құрылғысы өте қарапайым және үлкен қателік бергеніне қарамастан, жарық фотондары арқылы импульс беру фактісі расталды.
Жарықтандыру тақталарының пішіні
Алдыңғы бөлімде тәжірибеде болған көптеген техникалық қиындықтар келтірілген, бірақ ең бастысы – жарыққа әсер етпеген. Таза теориялық тұрғыдан алғанда, бір-біріне қатаң параллель орналасқан пластинаға монохроматикалық сәулелер шоғы түседі деп елестетеміз. Бірақ ХХ ғасырдың басында жарық көзі күн, шамдар және қарапайым қыздыру шамдары болды. Сәулелер шоғырын параллель ету үшін күрделі линза жүйелері салынды. Және бұл жағдайда көздің жарық қарқындылығының қисығы ең маңызды фактор болды.
Физика сабағында сәулелер бір нүктеден шығады деп жиі айтылады. Бірақ нақты жарық генераторларының белгілі бір өлшемдері бар. Сондай-ақ, жіптің ортасы жиектеріне қарағанда көбірек фотонды шығара алады. Нәтижесінде шам айналасындағы кейбір аймақтарды басқаларға қарағанда жақсырақ жарықтандырады. Берілген көзден бірдей жарықпен бүкіл кеңістікті айналып өтетін сызық жарық қарқындылығының қисығы деп аталады.
Қанды ай және жартылай тұтылу
Вампир романдары қанды айда адамдар мен табиғатта болатын қорқынышты өзгерістерге толы. Бірақ бұл құбылыстан қорықпау керек деп айтпайды. Өйткені бұл Күннің үлкендігінің нәтижесі. Біздің орталық жұлдыздың диаметрі шамамен Жердің 110 диаметріне тең. Бұл кезде көрінетін дискінің бір шетінен де, екінші шетінен де шығарылатын фотондар планетаның бетіне жетеді. Осылайша, Ай Жердің жарты көлеңкесіне түскенде, ол толығымен жабылмайды, бірақ қызыл түске айналады. Бұл көлеңкеге планетаның атмосферасы да кінәлі: ол қызғылт сарыдан басқа барлық көрінетін толқын ұзындығын сіңіреді. Есіңізде болсын, Күн де күн батқанда қызыл түске боялады, мұның бәрі атмосфераның қалың қабатынан өтетіндіктен.
Жердің озон қабаты қалай пайда болады?
Мұқият оқырман: «Жарық қысымының Лебедев тәжірибелеріне қандай қатысы бар?» деп сұрауы мүмкін. Жарықтың химиялық әсері, айтпақшы, фотонның импульс алып жүруіне де байланысты. Дәлірек айтқанда, бұл құбылыс планета атмосферасының кейбір қабаттарына жауапты.
Өздеріңіз білетіндей, біздің ауа мұхитымыз негізінен күн сәулесінің ультракүлгін құрамдас бөлігін сіңіреді. Оның үстіне, егер жердің жартасты беті ультракүлгін сәулеге шомылса, белгілі түрдегі тіршілік мүмкін болмас еді. Бірақ шамамен 100 км биіктікте атмосфера бәрін сіңіре алатындай қалың емес. Ал ультракүлгін оттегімен тікелей әрекеттесу мүмкіндігін алады. Ол O2 молекулаларын ыдыратадыатомдарды босатады және олардың комбинациясын басқа модификацияға айналдырады - O3. Таза түрінде бұл газ өлімге әкеледі. Сондықтан ауаны, суды, киімді дезинфекциялау үшін қолданылады. Бірақ жер атмосферасының бір бөлігі ретінде ол барлық тіршілік иелерін зиянды радиацияның әсерінен қорғайды, өйткені озон қабаты көрінетін спектрден жоғары энергиялары бар электромагниттік өрістің кванттарын өте тиімді сіңіреді.
