Danas ćemo pričati o Lebedjevom eksperimentu u dokazivanju pritiska svetlosnih fotona. Otkrićemo važnost ovog otkrića i pozadinu koja je do njega dovela.
Znanje je radoznalost
Postoje dvije tačke gledišta o fenomenu radoznalosti. Jedno je izraženo izrekom "znatiželjnoj Varvari otkinuli nos na pijaci", a drugo - izrekom "radoznalost nije porok". Ovaj paradoks se lako rješava ako se napravi razlika između oblasti u kojima interes nije dobrodošao ili, naprotiv, potreban.
Johannes Kepler nije rođen da postane naučnik: njegov otac se borio u ratu, a majka je držala kafanu. Ali imao je izvanredne sposobnosti i, naravno, bio je radoznao. Osim toga, Kepler je patio od teškog oštećenja vida. Ali on je bio taj koji je napravio otkrića, zahvaljujući kojima su nauka i cijeli svijet tu gdje su sada. Johannes Kepler je poznat po razjašnjavanju planetarnog sistema Kopernika, ali danas ćemo govoriti o drugim dostignućima naučnika.
Inercija i talasna dužina: srednjovjekovno nasljeđe
Prije pedeset hiljada godina, matematika i fizika pripadale su dijelu "Umjetnost". Stoga se Kopernik bavio mehanikom kretanja tijela (uključujući i nebeska), optikom i gravitacijom. On je bio taj koji je dokazao postojanje inercije. Iz zaključakaOvaj naučnik je razvio modernu mehaniku, koncept interakcije tela, nauku o razmeni brzina dodirujućih objekata. Kopernik je takođe razvio harmoničan sistem linearne optike.
Uveo je koncepte kao što su:
- "prelamanje svjetlosti";
- "refrakcija";
- "optička os";
- "potpuni unutrašnji odraz";
- "iluminacija".
I njegovo istraživanje je na kraju dokazalo talasnu prirodu svetlosti i dovelo do Lebedevovog eksperimenta u merenju pritiska fotona.
Kvantna svojstva svjetlosti
Pre svega, vredi definisati suštinu svetlosti i govoriti o tome šta je ona. Foton je kvant elektromagnetnog polja. To je paket energije koji se kreće kroz prostor kao celinu. Ne možete "odgristi" malo energije od fotona, ali se može transformisati. Na primjer, ako supstanca apsorbira svjetlost, tada se unutar tijela njena energija može podvrgnuti promjenama i emitovati natrag foton s drugom energijom. Ali formalno, ovo neće biti isti kvant svjetlosti koji je apsorbiran.
Primjer ovoga bi bila čvrsta metalna lopta. Ako se komad materije otrgne s njegove površine, tada će se oblik promijeniti, prestat će biti sferičan. Ali ako otopite cijeli predmet, uzmete malo tekućeg metala, a zatim napravite manju kuglu od ostataka, onda će to opet biti sfera, ali drugačija, ne ista kao prije.
Talasna svojstva svjetlosti
Fotoni imaju svojstva talasa. Osnovni parametri su:
- valna dužina (karakterizira prostor);
- frekvencija (karakteriziravrijeme);
- amplituda (karakterizira jačinu oscilacije).
Međutim, kao kvant elektromagnetnog polja, foton takođe ima pravac širenja (označen kao talasni vektor). Osim toga, vektor amplitude je u stanju da se rotira oko valnog vektora i stvara polarizaciju talasa. Uz istovremenu emisiju više fotona, faza, odnosno fazna razlika, također postaje važan faktor. Podsjetimo da je faza onaj dio oscilacije koji front talasa ima u određenom trenutku (rast, maksimum, pad ili minimum).
Masa i energija
Kao što je Ajnštajn duhovito dokazao, masa je energija. Ali u svakom konkretnom slučaju, potraga za zakonom po kojem se jedna vrijednost pretvara u drugu može biti teška. Sve gore navedene valne karakteristike svjetlosti su usko povezane s energijom. Naime: povećanje talasne dužine i smanjenje frekvencije znači manje energije. Ali pošto postoji energija, onda foton mora imati masu, dakle, mora postojati svjetlosni pritisak.
Struktura iskustva
Međutim, pošto su fotoni veoma mali, njihova masa bi takođe trebala biti mala. Izgraditi uređaj koji bi ga mogao odrediti s dovoljnom preciznošću bio je težak tehnički zadatak. Ruski naučnik Lebedev Petr Nikolajevič se prvi izborio s tim.
Sam eksperiment se zasnivao na dizajnu utega koji je određivao moment torzije. Prečka je bila okačena na srebrni konac. Za njegove krajeve bile su pričvršćene identične tanke ploče raznih vrstamaterijala. U eksperimentu Lebedeva najčešće su korišteni metali (srebro, zlato, nikal), ali je bilo i liskuna. Cijela konstrukcija je smještena u staklenu posudu, u kojoj je stvoren vakuum. Nakon toga, jedna ploča je osvijetljena, dok je druga ostala u sjeni. Lebedevovo iskustvo je pokazalo da osvjetljenje jedne strane dovodi do toga da se vaga počinje okretati. Na osnovu ugla devijacije, naučnik je procenio jačinu svetlosti.
Doživite poteškoće
Početkom dvadesetog veka bilo je teško postaviti dovoljno tačan eksperiment. Svaki fizičar znao je kako stvoriti vakuum, raditi sa staklom i polirati površine. U stvari, znanje se dobijalo ručno. U to vrijeme nije bilo velikih korporacija koje bi proizvodile potrebnu opremu u stotinama komada. Lebedevov uređaj je napravljen ručno, tako da se naučnik suočio sa brojnim poteškoćama.
Vakum u to vrijeme nije bio ni prosječan. Naučnik je specijalnom pumpom ispumpao vazduh ispod staklenog poklopca. Ali eksperiment se odvijao u najboljem slučaju u razrijeđenoj atmosferi. Bilo je teško odvojiti pritisak svjetlosti (prijenos impulsa) od grijanja osvijetljene strane uređaja: glavna prepreka je bilo prisustvo plina. Kada bi eksperiment bio izveden u dubokom vakuumu, tada ne bi bilo molekula čije bi Brownovo kretanje na osvijetljenoj strani bilo jače.
Osetljivost ugla skretanja ostavlja mnogo da se poželi. Moderni šrafovi mogu mjeriti uglove do milionitih dijelova radijana. Početkom devetnaestog veka razmera se mogla videti golim okom. Tehnikavrijeme nije moglo obezbijediti identičnu težinu i veličinu ploča. To je zauzvrat onemogućilo ravnomjernu raspodjelu mase, što je također stvaralo poteškoće u određivanju momenta.
Izolacija i struktura konca uvelike utječu na rezultat. Ako se jedan kraj metalnog komada iz nekog razloga više zagrije (ovo se naziva temperaturni gradijent), tada bi se žica mogla početi uvijati bez laganog pritiska. Uprkos činjenici da je Lebedev uređaj bio prilično jednostavan i dao je veliku grešku, potvrđena je činjenica prenosa momenta fotonima svjetlosti.
Oblik rasvjetnih ploča
U prethodnom odeljku navedene su mnoge tehničke poteškoće koje su postojale u eksperimentu, ali nisu uticale na glavnu stvar - svetlost. Čisto teoretski, zamišljamo da na ploču pada snop monokromatskih zraka, koji su međusobno striktno paralelni. Ali početkom dvadesetog veka izvor svetlosti bilo je sunce, sveće i jednostavne lampe sa žarnom niti. Da bi snop zraka bio paralelan, izgrađeni su složeni sistemi sočiva. I u ovom slučaju, kriva intenziteta svjetlosti izvora bila je najvažniji faktor.
Na času fizike često se kaže da zraci dolaze iz jedne tačke. Ali pravi generatori svjetla imaju određene dimenzije. Takođe, sredina filamenta može emitovati više fotona od ivica. Kao rezultat, lampa osvjetljava neka područja oko sebe bolje od drugih. Linija koja obilazi cijeli prostor sa istim osvjetljenjem iz datog izvora naziva se kriva intenziteta svjetlosti.
Krvavi mjesec i djelomično pomračenje
Vampirski romani prepuni su strašnih transformacija koje se događaju ljudima i prirodi na krvavom mjesecu. Ali to ne kaže da se ovog fenomena ne treba bojati. Zato što je rezultat velike veličine Sunca. Prečnik naše centralne zvezde je otprilike 110 prečnika Zemlje. Istovremeno, fotoni emitovani i sa jedne i sa druge ivice vidljivog diska dospevaju do površine planete. Dakle, kada Mjesec padne u polusjenu Zemlje, on nije potpuno zamračen, već, takoreći, postaje crven. Za ovu nijansu kriva je i atmosfera planete: ona upija sve vidljive talasne dužine, osim narandžastih. Zapamtite, i Sunce postaje crveno pri zalasku, a sve upravo zato što prolazi kroz deblji sloj atmosfere.
Kako nastaje Zemljin ozonski omotač?
Pedantan čitalac može pitati: "Kakve veze ima pritisak svetlosti sa Lebedevim eksperimentima?" Hemijski efekat svetlosti, inače, takođe je posledica činjenice da foton nosi impuls. Naime, ovaj fenomen je odgovoran za neke slojeve atmosfere planete.
Kao što znate, naš vazdušni okean uglavnom apsorbuje ultraljubičastu komponentu sunčeve svetlosti. Štaviše, život u poznatom obliku bio bi nemoguć kada bi stenovita površina zemlje bila okupana ultraljubičastom svetlošću. Ali na visini od oko 100 km atmosfera još nije dovoljno gusta da apsorbuje sve. I ultraljubičasto dobija priliku da direktno komunicira sa kiseonikom. Razbija molekule O2 uslobodnih atoma i promovira njihovu kombinaciju u drugu modifikaciju - O3. U svom čistom obliku, ovaj gas je smrtonosan. Zato se koristi za dezinfekciju vazduha, vode, odeće. Ali kao dio zemljine atmosfere, štiti sva živa bića od djelovanja štetnog zračenja, jer ozonski omotač vrlo efikasno apsorbuje kvante elektromagnetnog polja sa energijama iznad vidljivog spektra.
