Dzisiaj porozmawiamy o eksperymencie Lebiediewa w udowodnieniu ciśnienia fotonów światła. Ujawnimy wagę tego odkrycia i tło, które do niego doprowadziło.
Wiedza to ciekawość
Są dwa punkty widzenia na zjawisko ciekawości. Jedno wyraża powiedzenie „ciekawemu Varvary oderwano nos na targu”, a drugie – powiedzenie „ciekawość nie jest występkiem”. Ten paradoks można łatwo rozwiązać, jeśli rozróżnimy obszary, w których zainteresowanie nie jest mile widziane lub wręcz przeciwnie, jest potrzebne.
Johannes Kepler nie urodził się, by zostać naukowcem: jego ojciec walczył na wojnie, a matka prowadziła tawernę. Ale miał niezwykłe zdolności i oczywiście był ciekawy. Ponadto Kepler cierpiał na poważne zaburzenia widzenia. Ale to on dokonał odkryć, dzięki którym nauka i cały świat są tam, gdzie są teraz. Johannes Kepler słynie z wyjaśnienia układu planetarnego Kopernika, ale dziś porozmawiamy o innych osiągnięciach naukowca.
Inercja i długość fali: średniowieczne dziedzictwo
Pięćdziesiąt tysięcy lat temu matematyka i fizyka należały do sekcji „Sztuka”. Dlatego Kopernik zajmował się mechaniką ruchu ciał (w tym ciał niebieskich) oraz optyką i grawitacją. To on udowodnił istnienie bezwładności. Z wnioskówTen naukowiec wyhodował nowoczesną mechanikę, koncepcję interakcji ciał, naukę o wymianie prędkości stykających się obiektów. Kopernik opracował również harmonijny system optyki liniowej.
Wprowadził koncepcje takie jak:
- "załamanie światła";
- "załamanie";
- "oś optyczna";
- "całkowite odbicie wewnętrzne";
- "oświetlenie".
A jego badania ostatecznie potwierdziły falową naturę światła i doprowadziły do eksperymentu Lebiediewa w pomiarze ciśnienia fotonów.
Właściwości kwantowe światła
Przede wszystkim warto zdefiniować istotę światła i porozmawiać o tym, czym ono jest. Foton to kwant pola elektromagnetycznego. Jest to pakiet energii, który porusza się w przestrzeni jako całości. Nie można „odgryźć” odrobiny energii fotonu, ale można ją przekształcić. Na przykład, jeśli światło jest pochłaniane przez substancję, to wewnątrz ciała jego energia może ulegać zmianom i oddawać foton o innej energii. Ale formalnie nie będzie to ten sam kwant światła, który został pochłonięty.
Przykładem tego może być solidna metalowa kula. Jeśli kawałek materii zostanie oderwany od swojej powierzchni, to zmieni się jej kształt, przestanie być kulisty. Ale jeśli stopisz cały przedmiot, weź trochę ciekłego metalu, a następnie utworzysz z resztek mniejszą kulę, to znowu będzie kula, ale inna, nie taka sama jak poprzednio.
Właściwości fal światła
Fotony mają właściwości fali. Podstawowe parametry to:
- długość fali (charakteryzuje przestrzeń);
- częstotliwość (charakteryzujeczas);
- amplituda (charakteryzuje siłę oscylacji).
Jednakże, jako kwant pola elektromagnetycznego, foton ma również kierunek propagacji (oznaczony jako wektor falowy). Ponadto wektor amplitudy może obracać się wokół wektora falowego i wytwarzać polaryzację fali. Przy jednoczesnej emisji kilku fotonów faza, a właściwie różnica faz, również staje się ważnym czynnikiem. Przypomnijmy, że faza jest tą częścią oscylacji, którą ma front fali w określonym momencie (wzrost, maksimum, opad lub minimum).
Masa i energia
Jak dowcipnie dowiódł Einstein, masa jest energią. Ale w każdym konkretnym przypadku poszukiwanie prawa, zgodnie z którym jedna wartość zamienia się w inną, może być trudne. Wszystkie powyższe charakterystyki falowe światła są ściśle związane z energią. Mianowicie: zwiększenie długości fali i zmniejszenie częstotliwości oznacza mniej energii. Ale skoro jest energia, to foton musi mieć masę, dlatego też musi istnieć lekkie ciśnienie.
Struktura doświadczenia
Jednakże, ponieważ fotony są bardzo małe, ich masa również powinna być niewielka. Zbudowanie urządzenia, które mogłoby to określić z wystarczającą dokładnością, było trudnym zadaniem technicznym. Jako pierwszy poradził sobie z tym rosyjski naukowiec Lebiediew Petr Nikołajewicz.
Sam eksperyment opierał się na konstrukcji ciężarków, które określały moment skręcania. Na srebrnej nitce zawieszono poprzeczkę. Do jego końców przymocowane były identyczne cienkie płytki o różnychmateriały. Najczęściej w eksperymencie Lebiediewa używano metali (srebro, złoto, nikiel), ale była też mika. Całość została umieszczona w szklanym naczyniu, w którym powstała próżnia. Następnie jedna płyta została oświetlona, podczas gdy druga pozostała w cieniu. Doświadczenie Lebiediewa dowiodło, że oświetlenie jednej strony prowadzi do tego, że łuski zaczynają się obracać. Na podstawie kąta odchylenia naukowiec ocenił siłę światła.
Problemy z doświadczeniem
Na początku XX wieku trudno było zorganizować wystarczająco dokładny eksperyment. Każdy fizyk wiedział, jak stworzyć próżnię, pracować ze szkłem i polerować powierzchnie. W rzeczywistości wiedzę zdobywano ręcznie. Nie było wówczas dużych korporacji, które produkowałyby niezbędny sprzęt w setkach sztuk. Urządzenie Lebiediewa zostało stworzone ręcznie, więc naukowiec napotkał szereg trudności.
Próżnia w tym czasie nie była nawet przeciętna. Naukowiec za pomocą specjalnej pompki wypompowywał powietrze spod szklanego nasadki. Ale eksperyment odbył się w najlepszym razie w rozrzedzonej atmosferze. Trudno było oddzielić ciśnienie światła (przenoszenie impulsów) od nagrzewania się oświetlanej strony urządzenia: główną przeszkodą była obecność gazu. Gdyby eksperyment przeprowadzono w głębokiej próżni, nie byłoby cząsteczek, których ruch Browna po oświetlonej stronie byłby silniejszy.
Czułość kąta odchylenia pozostawiała wiele do życzenia. Nowoczesne wykrywacze śrub mogą mierzyć kąty z dokładnością do milionowych części radiana. Na początku XIX wieku skalę można było zobaczyć gołym okiem. Technikaczas nie mógł zapewnić identycznej wagi i wielkości płyt. To z kolei uniemożliwiało równomierne rozłożenie masy, co również stwarzało trudności w określeniu momentu obrotowego.
Izolacja i struktura nici mają duży wpływ na wynik. Gdyby z jakiegoś powodu jeden koniec kawałka metalu był bardziej rozgrzany (nazywa się to gradientem temperatury), drut mógłby zacząć się skręcać bez lekkiego nacisku. Pomimo tego, że urządzenie Lebiediewa było dość proste i dało duży błąd, potwierdzono fakt przenoszenia pędu przez fotony światła.
Kształt płytek oświetleniowych
W poprzedniej sekcji wymieniono wiele trudności technicznych, które istniały w eksperymencie, ale nie wpłynęły na główną rzecz - światło. Czysto teoretycznie wyobrażamy sobie, że na płytkę pada wiązka promieni monochromatycznych, które są do siebie ściśle równoległe. Ale na początku XX wieku źródłem światła było słońce, świece i proste żarówki. Aby wiązka promieni była równoległa, zbudowano złożone systemy soczewkowe. I w tym przypadku najważniejsza była krzywa natężenia światła źródła.
Na zajęciach z fizyki często mówi się, że promienie pochodzą z jednego punktu. Ale prawdziwe generatory światła mają pewne wymiary. Ponadto środek włókna może emitować więcej fotonów niż krawędzie. W rezultacie lampa oświetla niektóre obszary wokół siebie lepiej niż inne. Linia okrążająca całą przestrzeń przy takim samym oświetleniu z danego źródła nazywana jest krzywą natężenia światła.
Krwawy księżyc i częściowe zaćmienie
Powieści o wampirach pełne są straszliwych przemian, które przydarzają się ludziom i naturze podczas krwawego księżyca. Ale nie mówi, że nie należy się obawiać tego zjawiska. Ponieważ jest to wynikiem dużych rozmiarów Słońca. Średnica naszej gwiazdy centralnej wynosi około 110 średnic Ziemi. W tym samym czasie fotony emitowane zarówno z jednej, jak i z drugiej krawędzi widocznego dysku docierają do powierzchni planety. Tak więc, gdy Księżyc wpada w półcienie Ziemi, nie jest całkowicie zasłonięty, ale jakby zmienia kolor na czerwony. Atmosfera planety jest również odpowiedzialna za ten odcień: pochłania wszystkie widoczne długości fal, z wyjątkiem pomarańczowych. Pamiętaj, że Słońce również zmienia kolor na czerwony o zachodzie słońca, a wszystko dokładnie dlatego, że przechodzi przez grubszą warstwę atmosfery.
Jak powstaje warstwa ozonowa Ziemi?
Dokładny czytelnik może zapytać: "Co ma wspólnego ciśnienie światła z eksperymentami Lebiediewa?" Nawiasem mówiąc, efekt chemiczny światła wynika również z faktu, że foton przenosi pęd. Mianowicie to zjawisko jest odpowiedzialne za niektóre warstwy atmosfery planety.
Jak wiesz, nasze powietrze oceaniczne pochłania głównie ultrafioletowy składnik światła słonecznego. Co więcej, życie w znanej formie byłoby niemożliwe, gdyby skalista powierzchnia ziemi była skąpana w świetle ultrafioletowym. Ale na wysokości około 100 km atmosfera nie jest jeszcze wystarczająco gęsta, aby wszystko wchłonąć. A ultrafiolet ma możliwość bezpośredniej interakcji z tlenem. Rozbija cząsteczki O2 nawolne atomy i promuje ich połączenie w inną modyfikację - O3. W czystej postaci gaz ten jest zabójczy. Dlatego służy do dezynfekcji powietrza, wody, odzieży. Ale jako część ziemskiej atmosfery chroni wszystkie żywe istoty przed skutkami szkodliwego promieniowania, ponieważ warstwa ozonowa bardzo skutecznie pochłania kwanty pola elektromagnetycznego o energiach powyżej widma widzialnego.
