Այսօր կխոսենք Լեբեդևի փորձի մասին՝ ապացուցելու լույսի ֆոտոնների ճնշումը։ Մենք կբացահայտենք այս հայտնագործության կարևորությունը և դրան հանգեցրած նախապատմությունը։
Գիտելիքը հետաքրքրասիրություն է
Հետաքրքրասիրության երևույթի վերաբերյալ կա երկու տեսակետ. Մեկն արտահայտվում է «հետաքրքրասեր Վարվառայի քիթը շուկայում պոկեցին» ասացվածքով, իսկ մյուսը՝ «հետաքրքրությունը արատ չէ» ասացվածքով։ Այս պարադոքսը հեշտությամբ լուծվում է, եթե տարբերակում ենք այն ոլորտները, որտեղ հետաքրքրությունը ողջունելի չէ կամ, ընդհակառակը, անհրաժեշտ է:
Յոհաննես Կեպլերը չի ծնվել գիտնական դառնալու համար. նրա հայրը կռվել է պատերազմում, իսկ մայրը պանդոկ էր պահում: Բայց նա ուներ արտասովոր ունակություններ և, իհարկե, հետաքրքրասեր էր։ Բացի այդ, Կեպլերը տառապում էր տեսողության լուրջ խանգարումով։ Բայց հենց նա է բացահայտումներ արել, որոնց շնորհիվ գիտությունն ու ողջ աշխարհն այնտեղ են, որտեղ հիմա են։ Յոհաննես Կեպլերը հայտնի է Կոպեռնիկոսի մոլորակային համակարգի պարզաբանմամբ, սակայն այսօր մենք կխոսենք գիտնականի այլ ձեռքբերումների մասին։
Իներցիա և ալիքի երկարություն. միջնադարյան ժառանգություն
Հիսուն հազար տարի առաջ մաթեմատիկան և ֆիզիկան պատկանում էին «Արվեստ» բաժնին։ Հետևաբար, Կոպեռնիկոսը զբաղվում էր մարմինների (ներառյալ երկնային), օպտիկայի և ձգողականության շարժման մեխանիզմով։ Հենց նա ապացուցեց իներցիայի գոյությունը։ ԵզրակացություններիցԱյս գիտնականը զարգացրեց ժամանակակից մեխանիկան, մարմինների փոխազդեցության հայեցակարգը, շփվող օբյեկտների արագությունների փոխանակման գիտությունը: Կոպեռնիկոսը նաև մշակել է գծային օպտիկայի ներդաշնակ համակարգ։
Նա ներկայացրեց այնպիսի հասկացություններ, ինչպիսիք են՝
- «լույսի բեկում»;
- «բեկում»;
- «օպտիկական առանցք»;
- «ընդհանուր ներքին արտացոլում»;
- «լուսավորում».
Եվ նրա հետազոտությունն ի վերջո ապացուցեց լույսի ալիքային բնույթը և հանգեցրեց Լեբեդևի փորձին՝ ֆոտոնների ճնշումը չափելու համար:
Լույսի քվանտային հատկություններ
Առաջին հերթին արժե սահմանել լույսի էությունը և խոսել դրա մասին։ Ֆոտոնը էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտ է։ Այն էներգիայի մի փաթեթ է, որը շարժվում է տիեզերքում որպես ամբողջություն: Դուք չեք կարող «կծել» մի քիչ էներգիա ֆոտոնից, բայց այն կարող է փոխակերպվել: Օրինակ, եթե լույսը կլանում է նյութը, ապա մարմնի ներսում նրա էներգիան ի վիճակի է փոփոխության ենթարկվել և հետ արձակել այլ էներգիայով ֆոտոն։ Բայց ֆորմալ առումով, սա չի լինի լույսի նույն քանակությունը, որը կլանվել է:
Սրա օրինակը կլինի ամուր մետաղական գնդակը: Եթե նյութի մի կտոր պոկվի իր մակերեսից, ապա ձևը կփոխվի, այն կդադարի գնդաձև լինել։ Բայց եթե ամբողջ առարկան հալեցնեք, վերցնեք մի հեղուկ մետաղ և հետո մնացորդներից ավելի փոքր գնդիկ ստեղծեք, ապա այն կրկին գնդիկ կլինի, բայց այլ, ոչ նույնը, ինչ նախկինում:
Լույսի ալիքային հատկություններ
Ֆոտոններն ունեն ալիքի հատկություններ: Հիմնական պարամետրերն են՝
- ալիքի երկարություն (բնութագրում է տարածությունը);
- հաճախականությունը (բնութագրում էժամանակ);
- ամպլիտուդա (բնութագրում է տատանման ուժգնությունը):
Սակայն, որպես էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտ, ֆոտոնն ունի նաև տարածման ուղղություն (նշվում է որպես ալիքի վեկտոր): Բացի այդ, ամպլիտուդային վեկտորը կարող է պտտվել ալիքի վեկտորի շուրջ և ստեղծել ալիքի բևեռացում: Մի քանի ֆոտոնների միաժամանակյա արտանետմամբ կարևոր գործոն է դառնում նաև փուլը, ավելի ճիշտ՝ փուլային տարբերությունը։ Հիշեք, որ փուլը տատանման այն մասն է, որն ունենում է ալիքի ճակատը ժամանակի որոշակի պահին (բարձրացում, առավելագույն, վայրէջք կամ նվազագույն):
Զանգված և էներգիա
Ինչպես Էյնշտեյնը սրամտորեն ապացուցեց, զանգվածը էներգիա է: Բայց յուրաքանչյուր կոնկրետ դեպքում կարող է դժվար լինել օրենքի որոնումը, ըստ որի մի արժեքը վերածվում է մյուսի։ Լույսի վերը նշված բոլոր ալիքային բնութագրերը սերտորեն կապված են էներգիայի հետ: Այսինքն՝ ալիքի երկարությունը մեծացնելը և հաճախականությունը նվազեցնելը նշանակում է ավելի քիչ էներգիա։ Բայց քանի որ կա էներգիա, ուրեմն ֆոտոնը պետք է զանգված ունենա, հետևաբար պետք է լինի լույսի ճնշում։
Փորձի կառուցվածք
Սակայն, քանի որ ֆոտոնները շատ փոքր են, դրանց զանգվածը նույնպես պետք է փոքր լինի։ Սարքավորումը, որը կարող էր որոշել այն բավարար ճշգրտությամբ, դժվար տեխնիկական խնդիր էր: Դրան առաջինը գլուխ հանեց ռուս գիտնական Լեբեդև Պետր Նիկոլաևիչը։
Փորձափորձն ինքնին հիմնված էր կշիռների նախագծման վրա, որոնք որոշում էին ոլորման պահը: Արծաթե թելից խաչաձող էր կախված։ Դրա ծայրերին կցված էին միանման բարակ թիթեղներ՝ տարբերնյութեր. Առավել հաճախ Լեբեդևի փորձարկումներում օգտագործվել են մետաղներ (արծաթ, ոսկի, նիկել), բայց եղել է նաև միկա։ Ամբողջ կառույցը տեղադրվել է ապակե տարայի մեջ, որի մեջ վակուում է ստեղծվել։ Դրանից հետո մի ափսեը լուսավորվել է, իսկ մյուսը մնացել է ստվերում։ Լեբեդևի փորձն ապացուցեց, որ մի կողմի լուսավորությունը հանգեցնում է նրան, որ կշեռքը սկսում է պտտվել։ Ըստ շեղման անկյան՝ գիտնականը դատել է լույսի ուժգնությունը։
Դժվարություններ զգալ
Քսաներորդ դարասկզբին դժվար էր բավականաչափ ճշգրիտ փորձ ստեղծել: Յուրաքանչյուր ֆիզիկոս գիտեր, թե ինչպես ստեղծել վակուում, աշխատել ապակու հետ և փայլեցնել մակերեսները: Փաստորեն, գիտելիքները ձեռքով են ձեռք բերվել։ Այն ժամանակ չկային խոշոր կորպորացիաներ, որոնք հարյուրավոր կտորներով կարտադրեին անհրաժեշտ սարքավորումները։ Լեբեդևի սարքը ստեղծվել է ձեռքով, ուստի գիտնականը բախվել է մի շարք դժվարությունների։
Վակումն այն ժամանակ նույնիսկ միջին չէր։ Գիտնականը հատուկ պոմպով օդ է դուրս մղել ապակե գլխարկի տակից։ Բայց փորձը լավագույն դեպքում տեղի ունեցավ հազվադեպ մթնոլորտում: Դժվար էր անջատել լույսի ճնշումը (իմպուլսային փոխանցում) սարքի լուսավորված կողմի տաքացումից՝ հիմնական խոչընդոտը գազի առկայությունն էր։ Եթե փորձն իրականացվեր խորը վակուումում, ապա չէին լինի մոլեկուլներ, որոնց բրոունյան շարժումը լուսավորված կողմում ավելի ուժեղ կլիներ։
Շեղման անկյան զգայունությունը շատ ցանկալի էր: Ժամանակակից պտուտակահանները կարող են չափել ռադիանի միլիոներորդական անկյունները: Տասնիններորդ դարի սկզբին կշեռքը կարելի էր տեսնել անզեն աչքով։ Տեխնիկաժամանակը չէր կարող ապահովել թիթեղների նույնական քաշն ու չափը։ Սա իր հերթին անհնարին դարձրեց զանգվածի հավասարաչափ բաշխումը, ինչը նույնպես դժվարություններ էր ստեղծում ոլորող մոմենտ որոշելու հարցում։
Թելի մեկուսացումը և կառուցվածքը մեծապես ազդում են արդյունքի վրա։ Եթե մետաղական կտորի մի ծայրը ինչ-ինչ պատճառներով ավելի շատ տաքացվի (սա կոչվում է ջերմաստիճանի գրադիենտ), ապա մետաղալարը կարող է սկսել ոլորվել առանց լույսի ճնշման: Չնայած այն հանգամանքին, որ Լեբեդևի սարքը բավականին պարզ էր և տալիս էր մեծ սխալ, հաստատվեց լույսի ֆոտոններով իմպուլսի փոխանցման փաստը։
Լուսավորող թիթեղների ձև
Նախորդ բաժնում թվարկված էին բազմաթիվ տեխնիկական դժվարություններ, որոնք կային փորձի ժամանակ, բայց չեն ազդել գլխավորի վրա՝ լույսի վրա։ Զուտ տեսականորեն մենք պատկերացնում ենք, որ ափսեի վրա ընկնում է միագույն ճառագայթների ճառագայթ, որոնք խիստ զուգահեռ են միմյանց։ Սակայն քսաներորդ դարի սկզբին լույսի աղբյուրը արևն էր, մոմերը և պարզ շիկացած լամպերը: Ճառագայթների ճառագայթը զուգահեռ դարձնելու համար կառուցվել են ոսպնյակների բարդ համակարգեր։ Եվ այս դեպքում ամենակարևոր գործոնն էր աղբյուրի լուսային ինտենսիվության կորը։
Ֆիզիկայի դասին հաճախ ասում են, որ ճառագայթները գալիս են մեկ կետից: Բայց իրական լույսի գեներատորներն ունեն որոշակի չափսեր: Բացի այդ, թելի միջնամասը կարող է ավելի շատ ֆոտոններ արձակել, քան եզրերը: Արդյունքում, լամպը ավելի լավ է լուսավորում իր շուրջը գտնվող որոշ տարածքներ, քան մյուսները: Այն գիծը, որը պտտվում է ամբողջ տարածության շուրջը նույն լուսավորությամբ տվյալ աղբյուրից, կոչվում է լուսային ինտենսիվության կոր։
Արյունոտ լուսին և մասնակի խավարում
Վամպիրային վեպերը լի են սարսափելի փոխակերպումներով, որոնք տեղի են ունենում մարդկանց և բնության հետ արյունոտ լուսնի մեջ: Բայց դա չի ասում, որ չպետք է վախենալ այս երեւույթից։ Որովհետև դա Արեգակի մեծ չափերի արդյունք է։ Մեր կենտրոնական աստղի տրամագիծը մոտավորապես 110 երկրային տրամագիծ է: Միաժամանակ տեսանելի սկավառակի և՛ մեկ, և՛ մյուս եզրից արտանետվող ֆոտոնները հասնում են մոլորակի մակերեսին։ Այսպիսով, երբ Լուսինն ընկնում է Երկրի կիսակառույցը, այն ամբողջովին չի մթագնվում, այլ, կարծես, կարմիր է դառնում։ Այս երանգի համար մեղավոր է նաև մոլորակի մթնոլորտը՝ այն կլանում է բոլոր տեսանելի ալիքների երկարությունները, բացառությամբ նարնջագույնի։ Հիշեք, որ Արևը նույնպես կարմիր է դառնում մայրամուտին, և դա հենց այն պատճառով, որ այն անցնում է մթնոլորտի ավելի հաստ շերտով:
Ինչպե՞ս է ստեղծվում Երկրի օզոնային շերտը:
Բնծախնդիր ընթերցողը կարող է հարցնել. «Ի՞նչ կապ ունի լույսի ճնշումը Լեբեդևի փորձերի հետ»: Լույսի քիմիական ազդեցությունը, ի դեպ, պայմանավորված է նաև այն հանգամանքով, որ ֆոտոնը իմպուլս է կրում։ Մասնավորապես, այս երևույթը պատասխանատու է մոլորակի մթնոլորտի որոշ շերտերի համար։
Ինչպես գիտեք, մեր օդային օվկիանոսը հիմնականում կլանում է արևի լույսի ուլտրամանուշակագույն բաղադրիչը: Ավելին, հայտնի ձևով կյանքը անհնար կլիներ, եթե երկրի ժայռոտ մակերեսը ողողվեր ուլտրամանուշակագույն լույսով։ Բայց մոտ 100 կմ բարձրության վրա մթնոլորտը դեռ այնքան հաստ չէ, որ կլանի ամեն ինչ։ Իսկ ուլտրամանուշակագույնը հնարավորություն է ստանում անմիջականորեն փոխազդելու թթվածնի հետ։ Այն կոտրում է O2 մոլեկուլներըազատ ատոմներ և նպաստում է դրանց համակցմանը մեկ այլ փոփոխության մեջ՝ O3: Իր մաքուր տեսքով այս գազը մահացու է։ Այդ իսկ պատճառով այն օգտագործվում է օդը, ջուրը, հագուստը ախտահանելու համար։ Բայց որպես երկրագնդի մթնոլորտի մի մաս, այն պաշտպանում է բոլոր կենդանի արարածներին վնասակար ճառագայթման ազդեցությունից, քանի որ օզոնային շերտը շատ արդյունավետ կերպով կլանում է էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտաները՝ տեսանելի սպեկտրից բարձր էներգիայով:
:
