Dnes budeme hovořit o Lebeděvově experimentu při dokazování tlaku světelných fotonů. Odhalíme důležitost tohoto objevu a pozadí, které k němu vedlo.
Znalosti jsou zvědavost
Existují dva pohledy na fenomén zvědavosti. Jedno je vyjádřeno rčením "zvědavá Varvara byl na trhu utržen nos" a druhé - rčením "zvědavost není neřest." Tento paradox lze snadno vyřešit, pokud se rozlišují oblasti, o které zájem není vítán, nebo je naopak potřeba.
Johannes Kepler se nenarodil, aby se stal vědcem: jeho otec bojoval ve válce a jeho matka hospodařila. Měl ale mimořádné schopnosti a byl samozřejmě zvědavý. Kepler navíc trpěl těžkou poruchou zraku. Byl to ale on, kdo učinil objevy, díky nimž je věda a celý svět tam, kde jsou nyní. Johannes Kepler je známý objasněním planetárního systému Koperníka, ale dnes budeme hovořit o dalších úspěších tohoto vědce.
Setrvačnost a vlnová délka: Středověké dědictví
Před padesáti tisíci lety patřila matematika a fyzika do sekce „Umění“. Proto se Koperník zabýval mechanikou pohybu těles (včetně nebeských) a optikou a gravitací. Byl to on, kdo dokázal existenci setrvačnosti. Ze závěrůTento vědec vyvinul moderní mechaniku, koncept interakcí těles, vědu o výměně rychlostí kontaktujících objektů. Copernicus také vyvinul harmonický systém lineární optiky.
Zavedl pojmy jako:
- "lom světla";
- "refrakce";
- "optická osa";
- "totální vnitřní odraz";
- "osvětlení".
A jeho výzkum nakonec prokázal vlnovou povahu světla a vedl k Lebedevovu experimentu měření tlaku fotonů.
Kvantové vlastnosti světla
Především stojí za to definovat podstatu světla a mluvit o tom, co to je. Foton je kvantum elektromagnetického pole. Je to balíček energie, který se pohybuje prostorem jako celek. Z fotonu nelze "ukousnout" kousek energie, ale lze ji transformovat. Například, pokud je světlo absorbováno látkou, pak uvnitř těla může jeho energie podléhat změnám a emitovat zpět foton s jinou energií. Ale formálně to nebude stejné kvantum světla, které bylo absorbováno.
Příkladem toho může být pevná kovová koule. Pokud se kus hmoty odtrhne od jejího povrchu, pak se tvar změní, přestane být kulový. Pokud ale celý předmět roztavíte, vezmete trochu tekutého kovu a poté ze zbytků vytvoříte menší kouli, bude to opět koule, ale jiná, ne stejná jako předtím.
Vlnové vlastnosti světla
Fotony mají vlastnosti vlny. Základní parametry jsou:
- vlnová délka (charakterizuje prostor);
- frekvence (charakterizuječas);
- amplituda (charakterizuje sílu oscilace).
Jako kvantum elektromagnetického pole má však foton také směr šíření (označovaný jako vlnový vektor). Navíc je amplitudový vektor schopen rotovat kolem vlnového vektoru a vytvářet vlnovou polarizaci. Při současné emisi více fotonů se důležitým faktorem stává i fáze, respektive fázový rozdíl. Připomeňme, že fáze je ta část oscilace, kterou má čelo vlny v určitém časovém okamžiku (nástup, maximum, sestup nebo minimum).
Hmota a energie
Jak vtipně dokázal Einstein, hmotnost je energie. Ale v každém konkrétním případě může být hledání zákona, podle kterého se jedna hodnota mění v jinou, obtížné. Všechny výše uvedené vlnové charakteristiky světla úzce souvisejí s energií. Totiž: zvýšení vlnové délky a snížení frekvence znamená méně energie. Ale protože existuje energie, foton musí mít hmotnost, proto musí existovat lehký tlak.
Struktura zkušeností
Vzhledem k tomu, že fotony jsou velmi malé, jejich hmotnost by měla být také malá. Sestavit zařízení, které by ji dokázalo s dostatečnou přesností určit, byl náročný technický úkol. Jako první se s tím vyrovnal ruský vědec Lebeděv Petr Nikolajevič.
Samotný experiment byl založen na návrhu závaží, které určovalo moment zkroucení. Na stříbrné niti bylo zavěšeno břevno. Na jeho koncích byly připevněny stejné tenké pláty různých druhůmateriálů. Nejčastěji se v Lebeděvově experimentu používaly kovy (stříbro, zlato, nikl), ale nechyběla ani slída. Celá konstrukce byla umístěna do skleněné nádoby, ve které se vytvořilo vakuum. Poté byla jedna deska osvětlena, zatímco druhá zůstala ve stínu. Lebeděvova zkušenost ukázala, že osvětlení jedné strany vede k tomu, že se váhy začnou otáčet. Podle úhlu odchylky vědec posoudil sílu světla.
Potíže se zkušenostmi
Na začátku dvacátého století bylo obtížné nastavit dostatečně přesný experiment. Každý fyzik věděl, jak vytvořit vakuum, pracovat se sklem a leštit povrchy. Ve skutečnosti se znalosti získávaly ručně. V té době neexistovaly velké korporace, které by potřebné vybavení vyráběly po stovkách kusů. Lebedevovo zařízení bylo vytvořeno ručně, takže vědec čelil řadě obtíží.
Vakuum v té době nebylo ani průměrné. Vědec odčerpal vzduch zpod skleněného uzávěru speciální pumpou. Ale experiment probíhal v nejlepším případě ve vzácné atmosféře. Bylo obtížné oddělit tlak světla (přenos impulsů) od ohřevu osvětlené strany zařízení: hlavní překážkou byla přítomnost plynu. Pokud by byl experiment proveden v hlubokém vakuu, pak by neexistovaly žádné molekuly, jejichž Brownův pohyb na osvětlené straně by byl silnější.
Citlivost úhlu vychýlení zůstala velmi potřebná. Moderní hledače šroubů dokážou měřit úhly až na miliontiny radiánu. Na začátku devatenáctého století byla stupnice vidět pouhým okem. Technikačas nemohl zajistit stejnou hmotnost a velikost desek. To zase znemožňovalo rovnoměrné rozložení hmoty, což také způsobilo potíže při určování točivého momentu.
Výsledek výrazně ovlivňuje izolace a struktura závitu. Pokud by se jeden konec kovového kusu z nějakého důvodu více zahříval (to se nazývá teplotní gradient), drát by se mohl začít kroutit bez lehkého tlaku. Navzdory skutečnosti, že Lebeděvovo zařízení bylo docela jednoduché a vykazovalo velkou chybu, byla potvrzena skutečnost přenosu hybnosti fotony světla.
Tvar osvětlovacích desek
Předchozí část vyjmenovala mnoho technických potíží, které se v experimentu vyskytly, ale neovlivnily to hlavní – světlo. Čistě teoreticky si představujeme, že na desku dopadá paprsek monochromatických paprsků, které jsou navzájem přísně rovnoběžné. Ale na začátku dvacátého století bylo zdrojem světla slunce, svíčky a jednoduché žárovky. Aby byl paprsek paprsků paralelní, byly sestrojeny složité systémy čoček. A v tomto případě byla nejdůležitějším faktorem křivka svítivosti zdroje.
V hodinách fyziky se často říká, že paprsky vycházejí z jednoho bodu. Ale skutečné generátory světla mají určité rozměry. Také střed vlákna může emitovat více fotonů než okraje. Díky tomu lampa osvětluje některé oblasti kolem sebe lépe než jiné. Čára, která obíhá celý prostor při stejném osvětlení z daného zdroje, se nazývá křivka svítivosti.
Krvavý měsíc a částečné zatmění
Upírské romány jsou plné strašlivých proměn, které se dějí lidem a přírodě v krvavém měsíci. Neříká ale, že se tohoto jevu není třeba bát. Protože je to výsledek velké velikosti Slunce. Průměr naší centrální hvězdy je přibližně 110 průměrů Země. Současně se na povrch planety dostávají fotony emitované jak z jednoho, tak z druhého okraje viditelného disku. Když tedy Měsíc spadne do polostínu Země, není zcela zakryt, ale jakoby zčervená. Tento odstín má na svědomí i atmosféra planety: pohlcuje všechny viditelné vlnové délky kromě oranžových. Pamatujte, že Slunce se také při západu slunce zbarví do červena, a to vše právě proto, že prochází silnější vrstvou atmosféry.
Jak vzniká ozónová vrstva Země?
Puntičkářský čtenář se může ptát: "Co má tlak světla společného s Lebedevovými experimenty?" Chemický účinek světla je mimochodem také způsoben tím, že foton nese hybnost. Konkrétně tento jev je zodpovědný za některé vrstvy atmosféry planety.
Jak víte, náš vzdušný oceán pohlcuje hlavně ultrafialovou složku slunečního světla. Navíc život ve známé formě by byl nemožný, kdyby byl skalnatý povrch Země zalitý ultrafialovým světlem. Ale ve výšce kolem 100 km ještě není atmosféra dostatečně hustá, aby vše pohltila. A ultrafialové záření dostává příležitost přímo interagovat s kyslíkem. Rozbije molekuly O2 navolné atomy a podporuje jejich spojení do další modifikace - O3. Ve své čisté formě je tento plyn smrtící. Proto se používá k dezinfekci vzduchu, vody, oděvů. Ale jako součást zemské atmosféry chrání vše živé před účinky škodlivého záření, protože ozónová vrstva velmi efektivně pohlcuje kvanta elektromagnetického pole s energiemi nad viditelným spektrem.
