היום נדבר על הניסוי של לבדב בהוכחת הלחץ של פוטוני האור. אנו נחשוף את חשיבות הגילוי הזה ואת הרקע שהוביל אליו.
ידע הוא סקרנות
ישנן שתי נקודות מבט לגבי תופעת הסקרנות. האחד בא לידי ביטוי באימרה "אפו של ורווארה סקרן נתלש בשוק", והשני - באמירה "סקרנות איננה רעה". הפרדוקס הזה נפתר בקלות אם מבחינים בין תחומים שבהם העניין אינו רצוי או להיפך, יש צורך בהם.
יוהנס קפלר לא נולד להיות מדען: אביו לחם במלחמה, ואמו החזיקה בית מרזח. אבל היו לו יכולות יוצאות דופן, וכמובן, היה סקרן. בנוסף, סבל קפלר מליקוי ראייה חמור. אבל הוא זה שגילה תגליות, שבזכותן המדע והעולם כולו נמצאים היכן שהם נמצאים כעת. יוהנס קפלר מפורסם בהבהרת המערכת הפלנטרית של קופרניקוס, אבל היום נדבר על הישגים אחרים של המדען.
אינרציה ואורך גל: מורשת מימי הביניים
לפני חמישים אלף שנה, מתמטיקה ופיזיקה השתייכו למדור "אמנות". לכן, קופרניקוס עסק במכניקה של תנועת גופים (כולל שמימיים), ואופטיקה וכוח המשיכה. הוא זה שהוכיח את קיומה של האינרציה. מהמסקנותמדען זה גידל מכניקה מודרנית, מושג האינטראקציות של גופים, מדע חילופי המהירויות של עצמים מגע. קופרניקוס פיתח גם מערכת הרמונית של אופטיקה לינארית.
הוא הציג מושגים כמו:
- "שבירה של אור";
- "שבירה";
- "ציר אופטי";
- "השתקפות פנימית כוללת";
- "תאורה".
והמחקר שלו הוכיח בסופו של דבר את טבעו הגל של האור והוביל לניסוי של לבדב במדידת לחץ הפוטונים.
תכונות קוונטיות של אור
קודם כל, כדאי להגדיר את מהות האור ולדבר על מה זה. פוטון הוא קוונטי של שדה אלקטרומגנטי. זוהי חבילת אנרגיה הנעה בחלל בכללותו. אתה לא יכול "לנגוס" מעט אנרגיה מפוטון, אבל זה יכול לעבור טרנספורמציה. לדוגמה, אם האור נספג בחומר, אז בתוך הגוף האנרגיה שלו מסוגלת לעבור שינויים ולפלוט בחזרה פוטון עם אנרגיה אחרת. אבל רשמית, זו לא תהיה אותה כמות אור שנספגה.
דוגמה לכך תהיה כדור מתכת מוצק. אם פיסת חומר נקרעת מפני השטח שלה, אז הצורה תשתנה, היא תפסיק להיות כדורית. אבל אם תמיס את כל החפץ, תיקח מתכת נוזלית ואז תיצור מהשאריות כדור קטן יותר, אז זה שוב יהיה כדור, אבל שונה, לא אותו דבר כמו קודם.
מאפייני גל של אור
לתמונות יש תכונות של גל. הפרמטרים הבסיסיים הם:
- אורך גל (מאפיין את החלל);
- תדר (מאפייןזמן);
- משרעת (מאפיינת את עוצמת התנודה).
עם זאת, כקוונטי של שדה אלקטרומגנטי, לפוטון יש גם כיוון התפשטות (מסומן כווקטור גל). בנוסף, וקטור המשרעת מסוגל להסתובב סביב וקטור הגל וליצור קיטוב גלים. עם פליטה בו-זמנית של מספר פוטונים, גם הפאזה, או ליתר דיוק הפרש הפאזות, הופכת לגורם חשוב. נזכיר שהשלב הוא אותו חלק מהתנודה שיש לחזית הגל ברגע מסוים בזמן (עלייה, מקסימום, ירידה או מינימום).
מסה ואנרגיה
כפי שאיינשטיין הוכיח בשנינות, מסה היא אנרגיה. אבל בכל מקרה ספציפי, החיפוש אחר חוק לפיו ערך אחד הופך לאחר יכול להיות קשה. כל מאפייני הגלים לעיל של האור קשורים קשר הדוק לאנרגיה. כלומר: הגדלת אורך הגל והקטנת התדר פירושה פחות אנרגיה. אבל מכיוון שיש אנרגיה, אז הפוטון חייב להיות בעל מסה, ולכן חייב להיות לחץ קל.
מבנה החוויה
עם זאת, מכיוון שהפוטונים קטנים מאוד, המסה שלהם צריכה להיות גם קטנה. לבנות מכשיר שיוכל לקבוע אותו בדיוק מספיק היה משימה טכנית קשה. המדען הרוסי לבדב פטר ניקולאביץ' היה הראשון שהתמודד עם זה.
הניסוי עצמו התבסס על עיצוב המשקולות שקבעו את רגע הפיתול. מוט צולב נתלה על חוט כסף. לקצותיו הוצמדו לוחות דקים זהים מגווניםחומרים. לרוב, נעשה שימוש במתכות (כסף, זהב, ניקל) בניסוי של לבדב, אבל היה גם נציץ. כל המבנה הונח בכלי זכוכית, בו נוצר ואקום. לאחר מכן, צלחת אחת הוארה, בעוד השנייה נותרה בצל. הניסיון של לבדב הוכיח שהארה של צד אחד מובילה לכך שהקשקשים מתחילים להסתחרר. לפי זווית הסטייה, המדען בחן את עוצמת האור.
חווה קשיים
בתחילת המאה העשרים, היה קשה להקים ניסוי מספיק מדויק. כל פיזיקאי ידע ליצור ואקום, לעבוד עם זכוכית ולהבריש משטחים. למעשה, הידע הושג באופן ידני. באותה תקופה לא היו תאגידים גדולים שייצרו את הציוד הדרוש במאות חלקים. המכשיר של לבדב נוצר בעבודת יד, כך שהמדען התמודד עם מספר קשיים.
הוואקום באותה תקופה אפילו לא היה ממוצע. המדען שאב אוויר מתחת למכסה זכוכית בעזרת משאבה מיוחדת. אבל הניסוי התרחש במקרה הטוב באווירה נדירה. היה קשה להפריד את לחץ האור (העברת דחף) מהחימום של הצד המואר של המכשיר: המכשול העיקרי היה נוכחות גז. אם הניסוי היה מתבצע בוואקום עמוק, אז לא היו מולקולות שהתנועה הבראונית שלהן בצד המואר תהיה חזקה יותר.
הרגישות של זווית הסטייה הותירה הרבה מה לרצוי. מוצאי ברגים מודרניים יכולים למדוד זוויות עד למיליוניות הרדיאן. בתחילת המאה התשע-עשרה ניתן היה לראות את הסולם בעין בלתי מזוינת. טֶכנִיקָההזמן לא יכול היה לספק משקל וגודל זהים של הצלחות. זה, בתורו, איפשר לפזר את המסה באופן שווה, מה שגם יצר קשיים בקביעת המומנט.
הבידוד והמבנה של החוט משפיעים מאוד על התוצאה. אם קצה אחד של חתיכת המתכת היה מחומם יותר מסיבה כלשהי (זה נקרא שיפוע טמפרטורה), אז החוט יכול להתחיל להתפתל ללא לחץ קל. למרות העובדה שהמכשיר של לבדב היה די פשוט ונתן שגיאה גדולה, עובדת העברת המומנטום על ידי פוטונים של אור אושרה.
צורת לוחות תאורה
הסעיף הקודם פירט קשיים טכניים רבים שהיו בניסוי, אך לא השפיע על העיקר - האור. באופן תיאורטי בלבד, אנו מדמיינים שקרן של קרניים מונוכרומטיות נופלת על הצלחת, שהן מקבילות לחלוטין זו לזו. אבל בתחילת המאה העשרים, מקור האור היה השמש, נרות ומנורות ליבון פשוטות. כדי להפוך את אלומת הקרניים לקבילה, נבנו מערכות עדשות מורכבות. ובמקרה זה, עקומת עוצמת האור של המקור הייתה הגורם החשוב ביותר.
בשיעורי פיזיקה אומרים לעתים קרובות שקרניים מגיעות מנקודה אחת. אבל למחוללי אור אמיתיים יש ממדים מסוימים. כמו כן, אמצע נימה יכול לפלוט יותר פוטונים מהקצוות. כתוצאה מכך, המנורה מאירה אזורים מסוימים סביבה טוב יותר מאחרים. הקו שמסתובב בכל החלל עם אותה הארה ממקור נתון נקרא עקומת עוצמת האור.
ירח דם וליקוי חלקי
רומני ערפדים מלאים בטרנספורמציות איומות שקורות לאנשים ולטבע בירח הדם. אבל זה לא אומר שאין לחשוש מתופעה זו. כי היא תוצאה של גודלה הגדול של השמש. קוטר הכוכב המרכזי שלנו הוא כ-110 קוטר של כדור הארץ. במקביל, פוטונים הנפלטים הן מהקצה האחד והן מהקצה השני של הדיסק הגלוי מגיעים אל פני השטח של כוכב הלכת. לפיכך, כאשר הירח נופל לתוך החציצה של כדור הארץ, הוא אינו מוסתר לחלוטין, אלא, כביכול, הופך לאדום. האווירה של כוכב הלכת אשמה גם בגוון הזה: הוא סופג את כל אורכי הגל הנראים לעין, למעט אלה הכתומים. זכרו, השמש הופכת לאדום גם בשקיעה, והכל בדיוק בגלל שהיא עוברת בשכבה עבה יותר של האטמוספירה.
איך נוצרת שכבת האוזון של כדור הארץ?
קורא קפדן עשוי לשאול: "מה הקשר של לחץ האור לניסויים של לבדב?" ההשפעה הכימית של האור, אגב, נובעת גם מהעובדה שהפוטון נושא מומנטום. כלומר, תופעה זו אחראית לכמה שכבות של האטמוספירה של כוכב הלכת.
כפי שאתם יודעים, אוקיינוס האוויר שלנו סופג בעיקר את המרכיב האולטרה-סגול של אור השמש. יתר על כן, חיים בצורה ידועה יהיו בלתי אפשריים אם פני השטח הסלעיים של כדור הארץ היו שטופים באור אולטרה סגול. אבל בגובה של כ-100 ק מ, האטמוספירה עדיין לא מספיק עבה כדי לספוג הכל. ואולטרה סגול מקבל את ההזדמנות ליצור אינטראקציה עם חמצן ישירות. זה מפרק את המולקולות O2 לתוךאטומים חופשיים ומקדם את שילובם לשינוי אחר - O3. בצורתו הטהורה, הגז הזה הוא קטלני. לכן הוא משמש לחיטוי אוויר, מים, בגדים. אבל כחלק מהאטמוספרה של כדור הארץ, הוא מגן על כל היצורים החיים מפני השפעות של קרינה מזיקה, מכיוון ששכבת האוזון סופגת ביעילות רבה כמויות של השדה האלקטרומגנטי עם אנרגיות מעל הספקטרום הנראה.
