Историја на ласерот
Науката и технологијата имаат за цел да ве одведат на патување до суперхеројот што се гради во Магуреле, со чија помош ќе бидат испитани длабоките тајни на материјата. За сега, за да се подготвите за вашето патување, еве ја историјата на ласерот.
Епизода 1
Сосема случајно, открив дека сите видови ѓаволии почнуваат да се влеваат во виртуелниот простор на Интернет, повикувајќи се на суперлазата што ќе се гради во Магуреле. Јас ви давам наслов од еден дневен интернет: „Добрата вест: Романија ќе го има најмоќниот ласер во светот. Лоша вест: нуклеарен отпад ќе гори со него “.
Насловот даден од новинарите одекнува, иако во написот работите (донекаде) се разјаснети, во смисла дека е цитиран г. Акад Николае Замфир, директорот на ИФИН Хорија Хулбеи, кој покажа дека тоа не е целта на супер ласерот од Магуреле, а можноста за третман на нуклеарен отпад со помош на ласер е сè уште само научна хипотеза. Многу објави се појавија на блогови специјализирани за теоретичари на заговор, предупредувајќи дека „ќе станеме депонија на Европа“ за нуклеарен отпад.
Не мислам дека ширењето на такви зло може да се занемари. Се соочуваме со сериозен проблем, кој мора да се реши со правилно информирање на пошироката јавност. Beално би било застрашувачката алатка за истражување што сега се гради во Магуреле да добие аура на европски заговор против Романија.
Пред да продолжам понатаму, треба да ви ја раскажам приказната за откривањето на феномен за кој сè уште не сме разговарале. Ни треба интермецо. Треба да се вратиме во времето.
Првите прашалници
Во 1669 година, Данецот Еразмо Бартолин открил чуден феномен. Забележа дека гледајќи ја линијата низ калцитниот кристал (зад Исланд) видел дека е удвоен. Бартолин, исто така, даде објаснување за овој чуден феномен. Во студените нордиски земји, светлината наместо да ослабува, добива дополнителна енергија. Всушност, тој го открил феноменот на дворефренкција (или двојна рефракција) што се манифестира во случај на одредени кристали.
Хајгенс би предложил објаснување за овој феномен, под претпоставка дека примарен, сферичен бран и секундарен, елипсоиден бран се појавуваат во кристалот. Објаснувањето е помалку важно, важно е нешто друго, експеримент што го објави во 1690 година. Откри дека ако постави втор кристал над првиот и малку го ротира, во одредени позиции, сликата исчезнува целосно.
Во 1808 година, Французинот Етјен Луис Малус, направи важен наод. Тој открива дека кога сончевата светлина рефлектирана од огледало поминува низ шпатула во Исланд, релативната осветленост на добиените две слики варира кога кристалот ќе се ротира околу оската претставена со рефлектираниот светлосен зрак.
Малус ја објаснува оваа појава со хипотеза: лесните трупови се редат по рефлексија на начин сличен на оној во кој магнетните тела се порамнети од половите на еден магнет. Поради оваа причина, тој го воведува терминот „поларизација“ на светлината.
Френел, исто така, внимателно го проучува феноменот на поларизација и, следејќи ги експериментите, заклучува дека светлината е попречен бран, односно осцилациите на светлосните бранови се нормални на правецот на ширење. Тој дојде до овој заклучок откако откри дека два зраци од поларизирана светлина не се мешаат во одредени ситуации.
Овој феномен може да се објасни само на еден начин: светлината е попречен бран, и кога нивните рамнини за поларизација се нормални, не се појавува мешање помеѓу двата зраци.
Сега, по ова интермецо, време е да донесеме сцени
Мајкл Фарадеј, самоук генијалец
Фарадеј немаше универзитетски студии, наместо тоа, тој имаше страст кон знаењето, двојно зголемена од строгост. Тој не владееше со математика, наместо тоа, знаеше да изведува експерименти како никој друг.
Патем, можам да ви кажам дека Фарадеј, кога беше чирак на книговрзник, ја откри книгата Разговори за хемијата од Janeејн Маркет. Во тоа време имал само 15 години, а оваа книга за популаризирање на хемијата, маестрално напишана во форма на дијалог, содржела и голем број експерименти што може да се направат дома. Младиот Фарадеј го читаше со страст и ги правеше повеќето експерименти во него.
Втор одлучувачки момент за идниот научник се случи во 1812 година, кога тој доби влезен билет за конференциите за популаризација што ги одржа големиот хемичар Сер Хемфри Дејви. Фарадеј бил исклучително импресиониран и му испратил писмо и книга на 300 страници, заснована на белешките направени за време на овие конференции.
Во истата година, Дејви има лабораториска несреќа и е повреден на левото око. Несреќен настан за големиот хемичар, но можност за Фарадеј, кој е повикан да му помогне на Дејви во лабораторија. И така започнува застрашувачката кариера на самоук научник…
Има многу да се каже за големите откритија на Фарадеј во физиката и хемијата. За жал, во моментов немаме доволно простор.
За нашиот предмет, оној на светлината, многу поважно е одредено достигнување на самоук научникот. На 13 септември 1845 година, Фарадеј ќе го открие ефектот што сега го носи неговото име. Тој ден, тој во својата тетратка ги забележа деталите за експериментот во кој зрак од поларизирана светлина беше пренесен низ парче „тешко стакло“ што содржеше олово.
Потоа користел електромагнет и открил дека кога насоката на линиите на магнетното поле е паралелна со насоката на поларизираниот флукс на светлина, се случило ротација на рамнината на поларизацијата на светлината. Како што забележа Фарадеј, „магнетната сила и светлината се во врска едни со други“. Наодот е од голема важност. Фарадеј пристапи кон толкувањето на светлината како електромагнетен бран.
Но, придонесот на Фарадеј не застанува тука. Тој воведува два исклучително важни концепти: магнетното поле и линиите на магнетното поле. Тој воопшто не ги математизираше, ја немаше потребната обука, но со нивна помош можеше да објасни низа феномени од областа на електромагнетизмот. Тој ги замислил линиите на сила како да произлегуваат од половите на магнет (магнетни линии на сила) што можат да се визуелизираат, на пример, со помош на подлоги од железо.
Во 1851 година, тој дава друга важна изјава:
Сакам да го намалам значењето на поимот линија на сила, така што тој не вклучува ништо друго освен состојбата на сила во одредена точка, како сила и насока, и не вклучува (во моментов) каква било идеја за природата на физичката причина за појавата.
Концептите поле и поле се примиле во нивно време со одредена неподготвеност. Фарадеј можеше да понуди само брилијантни експерименти без да ги придружува со соодветниот математички формализам. За среќа, имаше еден човек, чистокрвен теоретичар, кој им посвети соодветно внимание.
Максвел и естетиката на математичките равенки
Шкотланѓанецот Jamesејмс Клерк Максвел покажа ран талент за математика, особено геометрија. Како дете, тој ја открил редовната полиедра пред да прочита за нив. За него се вели дека бил интровертен, чувствителен човек, страствен по читање и цртање. За жал, тој почина на само 48-годишна возраст, поради рак на дебелото црево.
Научните грижи на Максвел беа многу разновидни. Тој даде одлучувачки придонес во термодинамиката, теоријата на боите, електромагнетизмот итн. За нашата историја, ние ќе го свртиме нашето внимание кон револуцијата што ја предизвика во областа на електромагнетизмот.
Во 1855 година, Максвел го објави своето прво дело за електромагнетизам. За разлика од многу други негови другари, тој математички ги анализира концептите на Фарадеј, а неговата работа е наречена На линија на силите на Фарадеј. Поаѓајќи од нив, Максвел воведува аналогии во областа на некомпресивната механика на флуиди и успева да ги опише законите на електромагнетизмот во математичка форма и покажува како електричната енергија и магнетизмот се поврзани едни со други. Во основа, тој ги обединува електричната енергија и магнетизмот.
Во 1861 година, тој го прошири математичкиот формализам и започна да ги опишува, преку систем од 20 диференцијални равенки со 20 променливи, сите феномени познати во тоа време, во областа на електромагнетизмот. Тоа е само почеток. Засега има премногу равенки и затоа нема елеганција. Тие воопшто не се убави.
Во 1873 година, тој успеа да направи чекор понатаму. Во „Трактат за електрична енергија и магнетизам“ тој го намалува бројот на овие равенки од 20 на само 12. Дванаесет равенки што обединија цела област на физиката! (Подоцна, во 1893 година, британскиот математичар и физичар Оливер Хевисид успеа да ги претвори во збир од само четири диференцијални равенки, кои ја претставуваат формата во која тие се користат денес)
Во истото дело, Максвел му оддава прекрасна почит на Фарадеј, кој воведувајќи ги концептите поле и линии на сила, понуди пластична слика за појавите во магнетизмот:
Како што напредував во проучувањето на Фарадеј, можев да сфатам дека неговиот начин на зачнување на феномени е исто така математички, иако тој не ги презентираше во конвенционална форма на математички симболи. Сфатив дека овие идеи можат да бидат изразени со заеднички математички формули и да се споредуваат со оние добиени од професионални математичари.
На пример, Фарадеј видел линии на сила како поминуваат низ целиот простор, каде што математичарите гледале центри на сила кои дејствуваат на далечина; Фарадеј воведе околина во која ја зема предвид само растојанието; Фарадеј потеклото на појавите го барал во реални дејства што се случуваат во оваа средина; [математичарите] беа задоволни што го најдоа својството на далечинско дејство што им се припишува на електричните течности.
Кога го преведов во математичка форма, она што сметам дека се идеи на Фарадеј, открив дека, генерално, резултатите понудени од двата методи се согласни, во смисла дека двата методи ги земаат предвид истите појави и доведуваат до исти закони, но Методот на Фарадеј започнува од општото собрание за да се дојде до компонентите со анализа, додека вообичаените математички методи започнуваат од компонентите за да се подигне целото здание по пат на синтеза.
Можеби се прашувате зошто му посветив толку многу простор на Максвел. На крајот на краиштата, тој се занимава со електромагнетизам, а не со светлина. Па, причината е едноставна и очигледна. Две равенки на Максвел докажуваат дека светлината е електромагнетен бран.
Тоа е равенката, исто така наречена Закон на Фарадеј, која опишува како променливото магнетно поле предизвикува електрично поле и онаа наречена „Амперов закон со Максвеловата корекција“, што покажува дека магнетното поле може да се генерира на два начина: со електрична струја (ова е почетната форма на „Амперовиот закон“) и со промена на електричното поле.
Ако бидам помалку прецизен, би ги сумирал овие два закона како што следува: променливо магнетно поле предизвикува променливо електрично поле и, обратно, променливо електрично поле предизвикува променливо магнетно поле. Без да навлегуваме во математички детали, добро е да се знае дека со комбинирање на двата закони претставени погоре, во конкретниот случај на вакуум, се добива равенката на електромагнетниот бран.
Всушност, неколку години порано, во 1864 година, во „Динамичка теорија на електромагнетното поле“, Максвел изјави:
Резултатите се чини дека покажуваат дека светлината и магнетизмот се феномени од иста природа, во смисла дека светлината е електромагнетно нарушување што се шири според законите на електромагнетизмот.
Од Максвел наваму, ја имаме репрезентацијата што стана класика и се претставува во училиште. Електромагнетниот бран е составен од магнетски бран, кој се спојува со електричен, а рамнините на осцилација на двата бранови се нормални едни на други.
Се надевам дека не те досадив со ова прилично математичко поглавје. Не можев да го избегнам, бидејќи моментот на Максвел е основен во историјата на светлината. Ако ми дозволите, ќе го завршев ова поглавје со тоа што Максвел ја запали светлината.
Интермецо
Сега работите изгледаа јасни. Светлината е електромагнетен бран и имаме извонреден математички опис на истата. Нема да навлегувам во други детали, ќе прескокнам помалку значајни пресвртници за нашата историја. Кон крајот на 19 век, резултатите добиени во сите области на физиката беа навистина зачудувачки. Се чинеше дека во однос на основните концепти, физиката е (скоро) завршена наука. Имаше само неколку прашања што требаше да се разјаснат.
Една од нив беше поврзана со светлиот етер, еластичниот медиум низ кој требаше да се шири светлината. Клучниот експеримент, спроведен од Микелсон и Морли во 1881 година, кој се обиде да ја одреди релативната брзина на Земјата во однос на овој „прозрачен етер“, не успеа да ја донесе очекуваната потврда. Иако беше повторен во 1887 година, со попрецизни инструменти, експериментот продолжи да дава негативни резултати. Овој неочекуван резултат го отвори патот за теоријата на релативноста. Но, тоа е друга приказна.
За нашата историја, поважен е вториот проблем, кој беше поврзан со спектарот на зрачење на црното тело. Тоа беше сериозен проблем, кој не може да се реши со примена на принципите, кои станаа класични, на физиката.
Прво, да видиме што е црно тело. Физичарите работат со овој концепт, што е идеален објект што целосно го апсорбира инцидентното електромагнетно зрачење, без оглед на брановата должина. Црното тело емитува електромагнетно зрачење со спектрална дистрибуција што зависи само од неговата температура.
Во природата не постои таков идеален објект, но може да се конструира еден што приближно добро го приближува однесувањето на црното тело. Замислете празнина што има само мала дупка низ која може да излезе електромагнетно зрачење од внатре во неа. Кога нејзиниот ентериер е во термичка рамнотежа, електромагнетното зрачење се емитува низ дупката што ја споменав претходно, што многу добро се приближува на оние емитирани од идеално црно тело.
Спектралната дистрибуција на овие електромагнетни зрачења емитирани низ отворот на нашата празнина не зависи од обликот на шуплината или од коефициентот на рефлексија на нејзините wallsидови, туку само од температурата во неа, кога ќе се воспостави термичка рамнотежа.
Црното тело претставувало сериозни проблеми за физичарите бидејќи немало строго математичко претставување на спектралната дистрибуција на зрачењето емитирано од него. Околу 1890 г., германскиот физичар Вилхелм Виен доби математичка релација, која ќе се вика Виенски закон, за да го опише однесувањето на црното тело, но тоа имаше два големи недостатоци.
Прво, законот на Виен немаше солидна теоретска основа, туку емпириска врска, добиена врз основа на мерења. Вториот проблем беше уште посериозен. Формулата на Виен обезбеди точни резултати за високите фреквенции на електромагнетниот спектар и во голема мера отстапуваше од експерименталните податоци во областа со ниска фреквенција.
Во 1900 година, лордот Рејлег, поаѓајќи од теоретските размислувања поврзани со класичната механика од тоа време, ја разработи математичката релација за спектралната дистрибуција на електромагнетното зрачење емитувано од црното тело, во зависност од температурата. Пет години подоцна, Сер ејмс ansинс направи корекција на оваа врска, која ќе се вика Закон за Рејл-ansинс.
Сето добро и убаво, математичкиот однос беше ригорозно заклучен теоретски и работите може да изгледаа многу јасни. Но ... иако даде точни резултати за областа со висока фреквенција, тој експоненцијално се оддалечи од мерењата, бидејќи фреквенциите на електромагнетните бранови се намалија.
Ве молиме запомнете: Законот Рејлег-ansинс брилијантно ги примени принципите на класичната механика. Фактот што не може да ја објасни спектралната дистрибуција на зрачење на црното тело за сите бранови должини беше многу сериозен проблем. Нешто мораше да се смени некаде. Промената е направена, скоро спротивно на неговата волја, од Макс Планк. И таа промена доведе до раѓање на квантната механика. Но, ќе ти кажам за тоа во следната епизода.