Dnes si povieme niečo o Lebedevovom experimente pri dokazovaní tlaku svetelných fotónov. Odhalíme dôležitosť tohto objavu a pozadie, ktoré k nemu viedlo.
Vedomosti sú zvedavosť
Na fenomén zvedavosti existujú dva uhly pohľadu. Jedno je vyjadrené príslovím „Zvedavej Varvare na trhu odtrhli nos“a druhé – „zvedavosť nie je zlozvyk“. Tento paradox sa dá ľahko vyriešiť, ak sa rozlišujú oblasti, v ktorých záujem nie je vítaný alebo naopak potrebný.
Johannes Kepler sa nenarodil, aby sa stal vedcom: jeho otec bojoval vo vojne a jeho matka mala krčmu. Mal však mimoriadne schopnosti a, samozrejme, bol zvedavý. Kepler navyše trpel ťažkou poruchou zraku. Bol to však on, kto urobil objavy, vďaka ktorým je veda a celý svet tam, kde sú teraz. Johannes Kepler je známy tým, že objasnil planetárny systém Koperníka, ale dnes si povieme niečo o iných úspechoch vedca.
Zotrvačnosť a vlnová dĺžka: stredoveké dedičstvo
Pred päťdesiatimi tisíckami rokov patrili matematika a fyzika do sekcie „Umenie“. Preto sa Copernicus zaoberal mechanikou pohybu telies (vrátane nebeských), optikou a gravitáciou. Bol to on, kto dokázal existenciu zotrvačnosti. Zo záverovTento vedec vyvinul modernú mechaniku, koncepciu interakcií telies, vedu o výmene rýchlostí kontaktujúcich objektov. Copernicus tiež vyvinul harmonický systém lineárnej optiky.
Zaviedol pojmy ako:
- "lom svetla";
- "refrakcia";
- "optická os";
- "totálny vnútorný odraz";
- "osvetlenie".
A jeho výskum nakoniec dokázal vlnovú povahu svetla a viedol k Lebedevovmu experimentu pri meraní tlaku fotónov.
Kvantové vlastnosti svetla
V prvom rade stojí za to definovať podstatu svetla a hovoriť o tom, čo to je. Fotón je kvantum elektromagnetického poľa. Je to balík energie, ktorý sa pohybuje priestorom ako celok. Z fotónu sa nedá „odhryznúť“kúsok energie, ale dá sa premeniť. Napríklad, ak je svetlo absorbované látkou, potom vo vnútri tela môže jeho energia podliehať zmenám a emitovať späť fotón s inou energiou. Ale formálne to nebude rovnaké množstvo svetla, ktoré bolo absorbované.
Príkladom toho môže byť pevná kovová guľa. Ak sa kúsok hmoty odtrhne od jej povrchu, potom sa tvar zmení, prestane byť guľovitý. Ale ak roztopíte celý predmet, vezmete tekutý kov a potom zo zvyškov vytvoríte menšiu guľu, bude to opäť guľa, ale iná, nie rovnaká ako predtým.
Vlnové vlastnosti svetla
Fotóny majú vlastnosti vlny. Základné parametre sú:
- vlnová dĺžka (charakterizuje priestor);
- frekvencia (charakterizuječas);
- amplitúda (charakterizuje silu oscilácie).
Avšak ako kvantum elektromagnetického poľa má fotón aj smer šírenia (označovaný ako vlnový vektor). Okrem toho je amplitúdový vektor schopný rotovať okolo vlnového vektora a vytvárať vlnovú polarizáciu. Pri súčasnej emisii viacerých fotónov sa dôležitým faktorom stáva aj fáza, respektíve fázový rozdiel. Pripomeňme, že fáza je tá časť oscilácie, ktorú má čelo vlny v určitom časovom okamihu (nárast, maximum, zostup alebo minimum).
Hmota a energia
Ako Einstein vtipne dokázal, hmotnosť je energia. No v každom konkrétnom prípade môže byť hľadanie zákona, podľa ktorého sa jedna hodnota mení na inú, ťažké. Všetky vyššie uvedené vlnové charakteristiky svetla úzko súvisia s energiou. Totiž: zvýšenie vlnovej dĺžky a zníženie frekvencie znamená menej energie. Ale keďže existuje energia, fotón musí mať hmotnosť, preto musí existovať mierny tlak.
Štruktúra skúseností
Keďže sú však fotóny veľmi malé, ich hmotnosť by mala byť tiež malá. Zostrojiť zariadenie, ktoré by ju dokázalo určiť s dostatočnou presnosťou, bola náročná technická úloha. Ako prvý sa s tým vyrovnal ruský vedec Lebedev Petr Nikolaevič.
Samotný experiment bol založený na návrhu závaží, ktoré určovali moment krútenia. Na striebornej niti bolo zavesené brvno. Na jeho koncoch boli pripevnené identické tenké dosky rôznych druhovmateriálov. Najčastejšie sa v Lebedevovom experimente používali kovy (striebro, zlato, nikel), ale bola tam aj sľuda. Celá konštrukcia bola umiestnená do sklenenej nádoby, v ktorej sa vytvorilo vákuum. Potom bola jedna platňa osvetlená, zatiaľ čo druhá zostala v tieni. Lebedevova skúsenosť ukázala, že osvetlenie jednej strany vedie k tomu, že sa váhy začnú otáčať. Podľa uhla odchýlky vedec usúdil silu svetla.
Problémy so skúsenosťami
Na začiatku dvadsiateho storočia bolo ťažké nastaviť dostatočne presný experiment. Každý fyzik vedel vytvoriť vákuum, pracovať so sklom a leštiť povrchy. V skutočnosti sa znalosti získavali ručne. V tom čase neexistovali veľké korporácie, ktoré by vyrábali potrebné zariadenia v stovkách kusov. Lebedevovo zariadenie bolo vytvorené ručne, takže vedec čelil množstvu ťažkostí.
Vákuum v tom čase nebolo ani priemerné. Vedec odčerpal vzduch spod skleneného uzáveru špeciálnou pumpou. Ale experiment prebiehal prinajlepšom v riedkej atmosfére. Bolo ťažké oddeliť tlak svetla (prenos impulzov) od zahrievania osvetlenej strany zariadenia: hlavnou prekážkou bola prítomnosť plynu. Ak by sa experiment uskutočnil v hlbokom vákuu, neexistovali by žiadne molekuly, ktorých Brownov pohyb na osvetlenej strane by bol silnejší.
Citlivosť uhla vychýlenia zostala príliš veľká. Moderné skrutkovače dokážu merať uhly až na milióntiny radiánu. Na začiatku devätnásteho storočia bolo možné mierku vidieť aj voľným okom. Technikačas nedokázal zabezpečiť rovnakú hmotnosť a veľkosť dosiek. To zase znemožňovalo rovnomerné rozloženie hmoty, čo tiež spôsobilo ťažkosti pri určovaní krútiaceho momentu.
Výsledok výrazne ovplyvňuje izolácia a štruktúra závitu. Ak by sa jeden koniec kovového kusu z nejakého dôvodu viac zahrial (toto sa nazýva teplotný gradient), drôt by sa mohol začať krútiť bez ľahkého tlaku. Napriek tomu, že Lebedevovo zariadenie bolo celkom jednoduché a dávalo veľkú chybu, fakt prenosu hybnosti fotónmi svetla sa potvrdil.
Tvar osvetľovacích dosiek
V predchádzajúcej časti bolo uvedených veľa technických problémov, ktoré sa vyskytli v experimente, no neovplyvnili to hlavné – svetlo. Čisto teoreticky si predstavíme, že na platňu dopadá lúč monochromatických lúčov, ktoré sú navzájom striktne rovnobežné. Ale na začiatku dvadsiateho storočia bolo zdrojom svetla slnko, sviečky a jednoduché žiarovky. Aby bol lúč lúčov paralelný, boli postavené komplexné šošovkové systémy. A v tomto prípade bola krivka intenzity osvetlenia zdroja najdôležitejším faktorom.
Na hodinách fyziky sa často hovorí, že lúče vychádzajú z jedného bodu. Ale skutočné generátory svetla majú určité rozmery. Stred vlákna môže tiež emitovať viac fotónov ako okraje. Vďaka tomu lampa osvetľuje niektoré oblasti okolo seba lepšie ako iné. Čiara, ktorá obchádza celý priestor pri rovnakom osvetlení z daného zdroja, sa nazýva krivka svietivosti.
Krvavý mesiac a čiastočné zatmenie
Upírske romány sú plné strašných premien, ktoré sa dejú ľuďom a prírode v krvavom mesiaci. Nehovorí však, že tohto javu sa netreba báť. Pretože je výsledkom veľkej veľkosti Slnka. Priemer našej centrálnej hviezdy je približne 110 priemerov Zeme. V rovnakom čase sa na povrch planéty dostanú fotóny emitované z jedného aj druhého okraja viditeľného disku. Keď teda Mesiac spadne do polotieňovej časti Zeme, nie je úplne zakrytý, ale akoby sčervenal. Tento odtieň má na svedomí aj atmosféra planéty: pohlcuje všetky viditeľné vlnové dĺžky, okrem oranžových. Pamätajte, že aj Slnko sa pri západe slnka sfarbí do červena, a to všetko práve preto, že prechádza cez hrubšiu vrstvu atmosféry.
Ako vzniká ozónová vrstva Zeme?
Precízny čitateľ sa môže opýtať: „Čo má tlak svetla spoločné s Lebedevovými experimentmi?“Chemický účinok svetla je mimochodom spôsobený aj tým, že fotón nesie hybnosť. Tento jav je zodpovedný za niektoré vrstvy atmosféry planéty.
Ako viete, náš vzdušný oceán pohlcuje hlavne ultrafialovú zložku slnečného žiarenia. Navyše, život v známej forme by bol nemožný, ak by sa skalnatý povrch Zeme kúpal v ultrafialovom svetle. Ale vo výške okolo 100 km ešte nie je atmosféra dostatočne hustá, aby všetko absorbovala. A ultrafialové žiarenie dostáva príležitosť priamo interagovať s kyslíkom. Rozbije molekuly O2 navoľných atómov a podporuje ich spojenie do ďalšej modifikácie - O3. Vo svojej čistej forme je tento plyn smrtiaci. Preto sa používa na dezinfekciu vzduchu, vody, oblečenia. Ale ako súčasť zemskej atmosféry chráni všetko živé pred účinkami škodlivého žiarenia, pretože ozónová vrstva veľmi efektívne pohlcuje kvantá elektromagnetického poľa s energiami nad viditeľným spektrom.
