დღეს ვისაუბრებთ ლებედევის ექსპერიმენტზე სინათლის ფოტონების წნევის დასამტკიცებლად. ჩვენ გამოვავლენთ ამ აღმოჩენის მნიშვნელობას და იმ ფონს, რამაც გამოიწვია იგი.
ცოდნა არის ცნობისმოყვარეობა
არსებობს ორი თვალსაზრისი ცნობისმოყვარეობის ფენომენთან დაკავშირებით. ერთი გამოთქმულია გამონათქვამით „ცნობისმოყვარე ვარვარას ცხვირს ბაზარში გამოუგლიჯა“, მეორეს კი გამოთქმით „ცნობისმოყვარეობა მანკიერება არ არის“. ეს პარადოქსი ადვილად გადაიჭრება, თუ ერთმანეთისგან განასხვავებთ სფეროებს, სადაც ინტერესი არ არის მისასალმებელი ან, პირიქით, საჭიროა.
იოჰანეს კეპლერი არ დაბადებულა იმისთვის, რომ მეცნიერი გამხდარიყო: მამამისი ომში იბრძოდა, დედა კი ტავერნას ინახავდა. მაგრამ მას ჰქონდა არაჩვეულებრივი შესაძლებლობები და, რა თქმა უნდა, ცნობისმოყვარე იყო. გარდა ამისა, კეპლერს მხედველობის მძიმე დაქვეითება ჰქონდა. მაგრამ სწორედ მან გააკეთა აღმოჩენები, რისი წყალობითაც მეცნიერება და მთელი სამყარო ახლა იქ არიან. იოჰანეს კეპლერი ცნობილია კოპერნიკის პლანეტარული სისტემის გარკვევით, მაგრამ დღეს ჩვენ ვისაუბრებთ მეცნიერის სხვა მიღწევებზე.
ინერცია და ტალღის სიგრძე: შუა საუკუნეების მემკვიდრეობა
ორმოცდაათი ათასი წლის წინ მათემატიკა და ფიზიკა "ხელოვნების" განყოფილებას ეკუთვნოდა. მაშასადამე, კოპერნიკი დაკავებული იყო სხეულების (მათ შორის ციური) მოძრაობის მექანიკით, ოპტიკით და გრავიტაციით. სწორედ მან დაამტკიცა ინერციის არსებობა. დასკვნებიდანამ მეცნიერმა განავითარა თანამედროვე მექანიკა, სხეულების ურთიერთქმედების კონცეფცია, მეცნიერება კონტაქტური ობიექტების სიჩქარის გაცვლის შესახებ. კოპერნიკმა ასევე შეიმუშავა ხაზოვანი ოპტიკის ჰარმონიული სისტემა.
მან შემოიტანა ცნებები, როგორიცაა:
- "შუქის გარდატეხა";
- "რეფრაქცია";
- "ოპტიკური ღერძი";
- "სულ შიდა ასახვა";
- "განათება".
და მისმა კვლევამ საბოლოოდ დაამტკიცა სინათლის ტალღოვანი ბუნება და გამოიწვია ლებედევის ექსპერიმენტი ფოტონების წნევის გაზომვაში.
სინათლის კვანტური თვისებები
პირველ რიგში, ღირს განვსაზღვროთ სინათლის არსი და ვისაუბროთ იმაზე, თუ რა არის იგი. ფოტონი არის ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი. ეს არის ენერგიის პაკეტი, რომელიც მოძრაობს მთლიან სივრცეში. თქვენ არ შეგიძლიათ ფოტონიდან ენერგიის ცოტაოდენი ნაწილის „დაკბენა“, მაგრამ ის შეიძლება გარდაიქმნას. მაგალითად, თუ სინათლე შეიწოვება ნივთიერებით, მაშინ სხეულის შიგნით მის ენერგიას შეუძლია განიცადოს ცვლილებები და ასხივოს უკან სხვა ენერგიით ფოტონი. მაგრამ ფორმალურად, ეს არ იქნება სინათლის იგივე რაოდენობა, რაც შეიწოვება.
ამის მაგალითი იქნება მყარი ლითონის ბურთი. თუ მატერიის ნაჭერი მოწყვეტილია მისი ზედაპირიდან, მაშინ ფორმა შეიცვლება, ის შეწყვეტს სფერულს. მაგრამ თუ მთელ საგანს დნება, აიღებთ თხევად ლითონს და შემდეგ შექმნით პატარა ბურთულას ნარჩენებისგან, მაშინ ის კვლავ იქნება სფერო, მაგრამ განსხვავებული, არა იგივე, რაც ადრე.
სინათლის ტალღური თვისებები
ფოტონებს აქვთ ტალღის თვისებები. ძირითადი პარამეტრებია:
- ტალღის სიგრძე (ახასიათებს სივრცეს);
- სიხშირე (ახასიათებსდრო);
- ამპლიტუდა (ახასიათებს რხევის სიძლიერეს).
თუმცა, როგორც ელექტრომაგნიტური ველის კვანტი, ფოტონს ასევე აქვს გავრცელების მიმართულება (აღნიშნავს როგორც ტალღის ვექტორს). გარდა ამისა, ამპლიტუდის ვექტორს შეუძლია ბრუნოს ტალღის ვექტორის გარშემო და შექმნას ტალღის პოლარიზაცია. რამდენიმე ფოტონის ერთდროული ემისიის დროს ფაზა, უფრო სწორად, ფაზური სხვაობაც მნიშვნელოვანი ფაქტორი ხდება. შეგახსენებთ, რომ ფაზა არის რხევის ის ნაწილი, რომელსაც აქვს ტალღის ფრონტი დროის კონკრეტულ მომენტში (აწევა, მაქსიმუმი, დაღმართი ან მინიმალური).
მასა და ენერგია
როგორც აინშტაინმა ჭკვიანურად დაამტკიცა, მასა ენერგიაა. მაგრამ თითოეულ კონკრეტულ შემთხვევაში, კანონის ძიება, რომლის მიხედვითაც ერთი ღირებულება მეორეში გადაიქცევა, შეიძლება რთული იყოს. სინათლის ყველა ზემოთ ჩამოთვლილი ტალღის მახასიათებელი მჭიდრო კავშირშია ენერგიასთან. კერძოდ: ტალღის სიგრძის გაზრდა და სიხშირის შემცირება ნიშნავს ნაკლებ ენერგიას. მაგრამ რადგან არსებობს ენერგია, მაშინ ფოტონს უნდა ჰქონდეს მასა, შესაბამისად, უნდა იყოს მსუბუქი წნევა.
გამოცდილების სტრუქტურა
თუმცა, ვინაიდან ფოტონები ძალიან მცირეა, მათი მასაც მცირე უნდა იყოს. მოწყობილობის შექმნა, რომელსაც შეეძლო მისი საკმარისი სიზუსტით განსაზღვრა, რთული ტექნიკური ამოცანა იყო. რუსი მეცნიერი ლებედევი პეტრ ნიკოლაევიჩი იყო პირველი, ვინც გაუმკლავდა ამას.
თავად ექსპერიმენტი დაფუძნებული იყო იმ წონების დიზაინზე, რომელიც განსაზღვრავდა ბრუნვის მომენტს. ვერცხლის ძაფზე ჯვარი ეკიდა. მის ბოლოებზე მიმაგრებული იყო სხვადასხვა სახის იდენტური თხელი ფირფიტებიმასალები. ყველაზე ხშირად, ლითონები (ვერცხლი, ოქრო, ნიკელი) გამოიყენებოდა ლებედევის ექსპერიმენტში, მაგრამ იყო მიკაც. მთელი სტრუქტურა მოთავსებული იყო მინის ჭურჭელში, რომელშიც შეიქმნა ვაკუუმი. ამის შემდეგ ერთი ფირფიტა განათდა, მეორე კი ჩრდილში დარჩა. ლებედევის გამოცდილებამ დაამტკიცა, რომ ერთი მხარის განათება იწვევს იმ ფაქტს, რომ სასწორი იწყებს ტრიალს. გადახრის კუთხის მიხედვით მეცნიერმა შეაფასა სინათლის სიძლიერე.
გამოიცანი სირთულეები
მეოცე საუკუნის დასაწყისში ძნელი იყო საკმარისად ზუსტი ექსპერიმენტის შექმნა. ყველა ფიზიკოსმა იცოდა ვაკუუმის შექმნა, მინასთან მუშაობა და ზედაპირის გაპრიალება. ფაქტობრივად, ცოდნა ხელით იქნა მიღებული. იმ დროს არ არსებობდა მსხვილი კორპორაციები, რომლებიც საჭირო აღჭურვილობას ასობით ნაწილად აწარმოებდნენ. ლებედევის მოწყობილობა ხელით შეიქმნა, ამიტომ მეცნიერს არაერთი სირთულე შეექმნა.
ვაკუუმი იმ დროს საშუალოც კი არ იყო. მეცნიერმა სპეციალური ტუმბოს საშუალებით შუშის თავსახურიდან ჰაერი ამოტუმბო. მაგრამ ექსპერიმენტი საუკეთესო შემთხვევაში იშვიათ ატმოსფეროში ჩატარდა. ძნელი იყო სინათლის წნევის (იმპულსის გადაცემის) გამოყოფა მოწყობილობის განათებული მხარის გათბობისგან: მთავარი დაბრკოლება გაზის არსებობა იყო. ექსპერიმენტი ღრმა ვაკუუმში რომ ჩატარდეს, მაშინ არ იქნებოდა მოლეკულები, რომელთა ბრაუნის მოძრაობა განათებულ მხარეს უფრო ძლიერი იქნებოდა.
გახრის კუთხის მგრძნობელობა სასურველს ტოვებდა. თანამედროვე ხრახნების საპოვნელებს შეუძლიათ გაზომონ კუთხეები რადიანის მემილიონედამდე. მეცხრამეტე საუკუნის დასაწყისში სასწორი შეუიარაღებელი თვალითაც ჩანდა. ტექნიკადრომ ვერ უზრუნველყო ფირფიტების იდენტური წონა და ზომა. ეს, თავის მხრივ, შეუძლებელს ხდიდა მასის თანაბრად განაწილებას, რაც ასევე ქმნიდა სირთულეებს ბრუნვის განსაზღვრისას.
ძაფის იზოლაცია და სტრუქტურა დიდად მოქმედებს შედეგზე. თუ ლითონის ნაწილის ერთი ბოლო რაიმე მიზეზით უფრო მეტად გაცხელდა (ამას ტემპერატურის გრადიენტი ეწოდება), მაშინ მავთულმა შეიძლება დაიწყოს გრეხილი მსუბუქი წნევის გარეშე. მიუხედავად იმისა, რომ ლებედევის მოწყობილობა საკმაოდ მარტივი იყო და დიდ შეცდომას იძლეოდა, დადასტურდა სინათლის ფოტონების მიერ იმპულსის გადაცემის ფაქტი.
განათების ფირფიტების ფორმა
წინა ნაწილში ჩამოთვლილი იყო მრავალი ტექნიკური სირთულე, რომელიც არსებობდა ექსპერიმენტში, მაგრამ არ იმოქმედა მთავარზე - სინათლეზე. წმინდა თეორიულად წარმოვიდგენთ, რომ თეფშზე ცვივა მონოქრომატული სხივების სხივი, რომლებიც ერთმანეთის მკაცრად პარალელურია. მაგრამ მეოცე საუკუნის დასაწყისში სინათლის წყარო იყო მზე, სანთლები და უბრალო ინკანდესენტური ნათურები. სხივების სხივის პარალელურად გასაკეთებლად აშენდა ლინზების რთული სისტემები. და ამ შემთხვევაში, წყაროს მანათობელი ინტენსივობის მრუდი იყო ყველაზე მნიშვნელოვანი ფაქტორი.
ფიზიკის გაკვეთილზე ხშირად ამბობენ, რომ სხივები ერთი წერტილიდან მოდის. მაგრამ რეალური სინათლის გენერატორებს აქვთ გარკვეული ზომები. ასევე, ძაფის შუას შეუძლია ასხივოს მეტი ფოტონი, ვიდრე კიდეები. შედეგად, ნათურა ანათებს მის ირგვლივ ზოგიერთ ადგილს სხვებზე უკეთ. ხაზს, რომელიც მოძრაობს მთელ სივრცეში მოცემული წყაროდან იგივე განათებით, ეწოდება მანათობელი ინტენსივობის მრუდი.
სისხლიანი მთვარე და ნაწილობრივი დაბნელება
ვამპირის რომანები სავსეა საშინელი გარდაქმნებით, რომლებიც ხდება ადამიანებსა და ბუნებას სისხლის მთვარეზე. მაგრამ ის არ ამბობს, რომ ამ ფენომენის არ უნდა შეგეშინდეთ. რადგან ის მზის დიდი ზომის შედეგია. ჩვენი ცენტრალური ვარსკვლავის დიამეტრი დაახლოებით 110 დედამიწის დიამეტრია. ამავდროულად, ხილული დისკის როგორც ერთი, ისე მეორე კიდედან გამოსხივებული ფოტონები პლანეტის ზედაპირს აღწევს. ამგვარად, როდესაც მთვარე დედამიწის ნახევარმცველში ვარდება, ის მთლიანად არ არის დაფარული, მაგრამ, როგორც იქნა, წითლდება. პლანეტის ატმოსფერო ასევე დამნაშავეა ამ ჩრდილში: ის შთანთქავს ყველა ხილულ ტალღის სიგრძეს, გარდა ნარინჯისფერისა. დაიმახსოვრეთ, მზის ჩასვლისას მზეც წითლდება და ეს ყველაფერი ზუსტად იმიტომ, რომ გადის ატმოსფეროს სქელ ფენაში.
როგორ იქმნება დედამიწის ოზონის შრე?
დაზუსტებულმა მკითხველმა შეიძლება იკითხოს: "რა კავშირი აქვს სინათლის წნევას ლებედევის ექსპერიმენტებთან?" სინათლის ქიმიური ეფექტი, სხვათა შორის, იმითაც არის განპირობებული, რომ ფოტონი ატარებს იმპულსს. კერძოდ, ეს ფენომენი პასუხისმგებელია პლანეტის ატმოსფეროს ზოგიერთ ფენაზე.
მოგეხსენებათ, ჩვენი საჰაერო ოკეანე ძირითადად შთანთქავს მზის სინათლის ულტრაიისფერ კომპონენტს. უფრო მეტიც, ცნობილი ფორმით სიცოცხლე შეუძლებელი იქნებოდა, დედამიწის კლდოვანი ზედაპირი ულტრაიისფერი შუქით რომ იყოს. მაგრამ დაახლოებით 100 კმ სიმაღლეზე ატმოსფერო ჯერ არ არის საკმარისად სქელი, რომ ყველაფერი შთანთქას. და ულტრაიისფერი იღებს შესაძლებლობას უშუალოდ დაუკავშირდეს ჟანგბადს. ის არღვევს O2 მოლეკულებსთავისუფალი ატომები და ხელს უწყობს მათ კომბინაციას სხვა მოდიფიკაციაში - O3. მისი სუფთა სახით ეს გაზი მომაკვდინებელია. ამიტომ გამოიყენება ჰაერის, წყლის, ტანსაცმლის დეზინფექციისთვის. მაგრამ, როგორც დედამიწის ატმოსფეროს ნაწილი, ის იცავს ყველა ცოცხალ არსებას მავნე რადიაციის გავლენისგან, რადგან ოზონის შრე ძალიან ეფექტურად შთანთქავს ელექტრომაგნიტური ველის კვანტებს ხილული სპექტრის ზემოთ ენერგიებით.
