Šiandien kalbėsime apie Lebedevo eksperimentą, įrodantį šviesos fotonų slėgį. Mes atskleisime šio atradimo svarbą ir pagrindą, dėl kurio jis atsirado.
Žinios yra smalsumas
Yra du požiūriai į smalsumo reiškinį. Vieną išreiškia posakis „smalsiesiems Varvarai turguje nosis nuplėšė“, o kitą – posakiu „smalsumas nėra yda“. Šis paradoksas lengvai išsprendžiamas, jei išskiriame sritis, kuriomis domėjimasis yra nepageidaujamas arba, priešingai, reikalingas.
Johannesas Kepleris gimė ne tam, kad taptų mokslininku: jo tėvas kovojo kare, o mama laikė smuklę. Tačiau jis turėjo nepaprastų sugebėjimų ir, žinoma, buvo smalsus. Be to, Kepleris patyrė sunkų regėjimo sutrikimą. Tačiau būtent jis padarė atradimų, kurių dėka mokslas ir visas pasaulis yra ten, kur yra dabar. Johanesas Kepleris garsėja Koperniko planetų sistemos išsiaiškinimu, tačiau šiandien kalbėsime apie kitus mokslininko pasiekimus.
Inercija ir bangos ilgis: viduramžių palikimas
Prieš penkiasdešimt tūkstančių metų matematika ir fizika priklausė skyriui „Menas“. Todėl Kopernikas užsiėmė kūnų (taip pat ir dangaus) judėjimo mechanika, optika ir gravitacija. Būtent jis įrodė inercijos egzistavimą. Iš išvadųŠis mokslininkas išaugino šiuolaikinę mechaniką, kūnų sąveikų sampratą, besiliečiančių objektų greičių mainų mokslą. Kopernikas taip pat sukūrė darnią linijinės optikos sistemą.
Jis pristatė tokias sąvokas kaip:
- "šviesos lūžimas";
- "lūžis";
- "optinė ašis";
- "visiškas vidinis atspindys";
- "apšvietimas".
Ir jo tyrimai galiausiai įrodė šviesos banginį pobūdį ir paskatino Lebedevą atlikti fotonų slėgio matavimo eksperimentą.
Kvantinės šviesos savybės
Pirmiausia verta apibrėžti šviesos esmę ir pakalbėti apie tai, kas tai yra. Fotonas yra elektromagnetinio lauko kvantas. Tai energijos paketas, kuris juda per erdvę kaip visumą. Negalite „nukąsti“nuo fotono energijos, bet ją galima transformuoti. Pavyzdžiui, jei šviesą sugeria medžiaga, tai kūno viduje jos energija gali keistis ir išspinduliuoti kitokios energijos fotoną. Tačiau formaliai tai nebus tas pats šviesos kiekis, kuris buvo sugertas.
To pavyzdys būtų tvirtas metalinis rutulys. Jei medžiagos gabalas bus nuplėštas nuo jo paviršiaus, pasikeis forma, ji nustos būti sferinė. Bet jei išlydysite visą objektą, paimsite skysto metalo ir iš likučių sukursite mažesnį rutulį, tai vėl bus rutulys, bet kitoks, ne toks, kaip anksčiau.
Šviesos banginės savybės
Fotonai turi bangos savybių. Pagrindiniai parametrai yra:
- bangos ilgis (apibūdina erdvę);
- dažnis (būdingalaikas);
- amplitudė (apibūdina virpesių stiprumą).
Tačiau fotonas, kaip elektromagnetinio lauko kvantas, taip pat turi sklidimo kryptį (žymima bangų vektoriumi). Be to, amplitudės vektorius gali suktis aplink bangos vektorių ir sukurti bangos poliarizaciją. Vienu metu išspinduliuojant keliems fotonams, svarbiu veiksniu tampa ir fazė, tiksliau – fazių skirtumas. Prisiminkite, kad fazė yra bangos fronto svyravimo dalis tam tikru laiko momentu (kilimas, maksimumas, nusileidimas arba minimumas).
Masės ir energija
Kaip Einšteinas šmaikščiai įrodė, masė yra energija. Bet kiekvienu konkrečiu atveju dėsnio, pagal kurį viena vertybė virsta kita, paieška gali būti sunki. Visos aukščiau nurodytos šviesos bangos charakteristikos yra glaudžiai susijusios su energija. Būtent: bangos ilgio didinimas ir dažnio mažinimas reiškia mažiau energijos. Bet kadangi yra energijos, tai fotonas turi turėti masę, todėl turi būti lengvas slėgis.
Patirties struktūra
Tačiau kadangi fotonai yra labai maži, jų masė taip pat turėtų būti maža. Sukurti įrenginį, galintį jį pakankamai tiksliai nustatyti, buvo sudėtinga techninė užduotis. Pirmasis su tuo susidorojo rusų mokslininkas Lebedevas Petras Nikolajevičius.
Pats eksperimentas buvo pagrįstas svorių, nustatančių sukimo momentą, konstrukcija. Ant sidabrinio siūlo pakabintas skersinis. Prie jo galų buvo pritvirtintos vienodos plonos įvairios plokštėsmedžiagų. Dažniausiai Lebedevo eksperimente buvo naudojami metalai (sidabras, auksas, nikelis), tačiau buvo ir žėručio. Visa konstrukcija buvo patalpinta į stiklinį indą, kuriame buvo sukurtas vakuumas. Po to viena plokštė buvo apšviesta, o kita liko šešėlyje. Lebedevo patirtis įrodė, kad vienos pusės apšvietimas lemia tai, kad svarstyklės pradeda suktis. Pagal nuokrypio kampą mokslininkas įvertino šviesos stiprumą.
Patirti sunkumų
Dvidešimtojo amžiaus pradžioje buvo sunku atlikti pakankamai tikslų eksperimentą. Kiekvienas fizikas mokėjo sukurti vakuumą, dirbti su stiklu, poliruoti paviršius. Tiesą sakant, žinios buvo gautos rankiniu būdu. Tuo metu dar nebuvo didelių korporacijų, kurios reikalingą įrangą pagamintų šimtais vienetų. Lebedevo prietaisas buvo sukurtas rankomis, todėl mokslininkas susidūrė su daugybe sunkumų.
Tuo metu vakuumas nebuvo net vidutinis. Mokslininkas specialiu siurbliu išpumpavo orą iš po stiklinio dangtelio. Tačiau eksperimentas geriausiu atveju vyko retokoje atmosferoje. Sunku buvo atskirti šviesos slėgį (impulso perdavimą) nuo apšviestos įrenginio pusės šildymo: pagrindinė kliūtis buvo dujų buvimas. Jei eksperimentas būtų atliktas giliame vakuume, nebūtų molekulių, kurių Brauno judėjimas apšviestoje pusėje būtų stipresnis.
Nukrypimo kampo jautrumas paliko daug norimų rezultatų. Šiuolaikiniai sraigtiniai ieškikliai gali išmatuoti kampus iki milijonųjų radiano dalių. Devynioliktojo amžiaus pradžioje mastelį buvo galima pamatyti plika akimi. Technikalaikas negalėjo nustatyti identiško plokščių svorio ir dydžio. Dėl to, savo ruožtu, buvo neįmanoma tolygiai paskirstyti masę, o tai taip pat sukėlė sunkumų nustatant sukimo momentą.
Sriegio izoliacija ir struktūra labai paveikia rezultatą. Jei vienas metalo gabalo galas dėl kokių nors priežasčių buvo labiau įkaitintas (tai vadinama temperatūros gradientu), viela gali pradėti suktis be lengvo slėgio. Nepaisant to, kad Lebedevo prietaisas buvo gana paprastas ir davė didelę paklaidą, impulso perdavimo šviesos fotonais faktas buvo patvirtintas.
Apšvietimo plokščių forma
Ankstesniame skyriuje buvo išvardyta daug techninių sunkumų, kurie egzistavo eksperimente, tačiau neturėjo įtakos pagrindiniam dalykui - šviesai. Grynai teoriškai įsivaizduojame, kad ant plokštelės krinta monochromatinių spindulių spindulys, kuris yra griežtai lygiagretus vienas kitam. Tačiau XX amžiaus pradžioje šviesos š altinis buvo saulė, žvakės ir paprastos kaitrinės lempos. Kad spindulių pluoštas būtų lygiagretus, buvo sukurtos sudėtingos lęšių sistemos. Ir šiuo atveju svarbiausias veiksnys buvo š altinio šviesos stiprio kreivė.
Fizikos pamokose dažnai sakoma, kad spinduliai ateina iš vieno taško. Tačiau tikri šviesos generatoriai turi tam tikrus matmenis. Be to, siūlelio vidurys gali išspinduliuoti daugiau fotonų nei kraštai. Dėl to lempa kai kurias sritis aplink ją apšviečia geriau nei kitas. Linija, kuri eina aplink visą erdvę su tokiu pat apšvietimu iš tam tikro š altinio, vadinama šviesos stiprio kreive.
Kraujinis mėnulis ir dalinis užtemimas
Vampyrų romanuose gausu baisių transformacijų, kurios nutinka žmonėms ir gamtai kraujo mėnulyje. Tačiau tai nereiškia, kad šio reiškinio nereikėtų bijoti. Nes tai yra didelio Saulės dydžio rezultatas. Mūsų centrinės žvaigždės skersmuo yra maždaug 110 Žemės skersmenų. Tuo pačiu metu planetos paviršių pasiekia ir iš vieno, ir iš kito matomo disko krašto skleidžiami fotonai. Taigi, Mėnuliui patekus į Žemės pusiausvyrą, jis nėra visiškai uždengtas, o tarsi parausta. Dėl šio atspalvio k alta ir planetos atmosfera: ji sugeria visus matomus bangos ilgius, išskyrus oranžinius. Atminkite, kad saulė saulėlydžio metu taip pat pasidaro raudona, ir viskas būtent todėl, kad ji praeina per storesnį atmosferos sluoksnį.
Kaip susidaro Žemės ozono sluoksnis?
Pradingas skaitytojas gali paklausti: „Ką šviesos slėgis turi bendro su Lebedevo eksperimentais? Cheminis šviesos poveikis, beje, atsiranda ir dėl to, kad fotonas neša impulsą. Būtent šis reiškinys yra atsakingas už kai kuriuos planetos atmosferos sluoksnius.
Kaip žinote, mūsų oro vandenynas daugiausia sugeria ultravioletinį saulės šviesos komponentą. Be to, gyvybė žinoma forma būtų neįmanoma, jei uolėtą žemės paviršių maudytų ultravioletinė šviesa. Tačiau maždaug 100 km aukštyje atmosfera dar nėra pakankamai stora, kad viską sugertų. O ultravioletiniai spinduliai įgyja galimybę tiesiogiai sąveikauti su deguonimi. Jis suskaido molekules O2 įlaisvųjų atomų ir skatina jų sujungimą į kitą modifikaciją – O3. Gryna forma šios dujos yra mirtinos. Štai kodėl jis naudojamas oro, vandens, drabužių dezinfekavimui. Tačiau kaip žemės atmosferos dalis, ji saugo visus gyvus daiktus nuo žalingos spinduliuotės poveikio, nes ozono sluoksnis labai efektyviai sugeria elektromagnetinio lauko kvantus, kurių energija viršija matomą spektrą.
