Почему далекие предметы кажутся нам маленькими, а близкие – большими?
Линза за счет преломления лучей собирает их в точку, называемую фокусом
Это глаз. Он отличный и моргает
Далекие предметы дают маленькое изображение. Потому что угол 2 меньше угла 1.
Глава 4
Другой свет
Авот теперь можно слегка задуматься и задаться таким вопросом… Когда мы говорили о звуковых колебаниях, мы узнали, что не все колебания атмосферы человек в состоянии услышать – есть инфразвуки и ультразвуки, которые ухо «не берет». Может, и со световыми колебаниями то же самое?
Да!
Со световыми колебаниями ситуация такая же – есть ультрасвет и инфрасвет, которые глаз не берет. Только называются они чуть по‑другому – ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Солнце эти лучи исправно испускает, но мы их не видим.
Те колебания, частота которых превышает частоту фиолетового цвета, называются ультрафиолетовыми. А те, частота которых меньше частоты красного света, называются инфракрасными. Можно и по‑другому сказать:
Коротковолновое излучение – это ультрафиолет, а длинноволновое – инфракрасное.
То есть радуга на небе на самом деле имеет не семь цветов, а больше, просто другие цвета мы не видим.
Кстати, не все земные существа такие убогие, как люди. Пчелы, например, видят ультрафиолет, а змеи инфракрасное излучение.
Невидимый свет расположен по краям от видимого
|
|
|
Потемнение кожи, которое мы называем загаром, вызывается ультрафиолетовым излучением. В небольших дозах оно весьма полезно, поскольку именно под воздействием ультрафиолета наша кожа вырабатывает витамин D. А в вот больших дозах ультрафиолет опасен – он не только вызывает солнечные ожоги, но и может привести к смертельным заболеваниям кожи, повредить зрение. Поэтому особенно загаром увлекаться не стоит, а летом лучше носить темные очки, чтобы не было ожога сетчатки – того экранчика в глазу, на который проецируется изображение.
Как видите, ультрафиолет биологически очень активен. С помощью ультрафиолетовых ламп убивают вредные микробы, обеззараживая воду в бассейнах и воздух в помещениях больниц.
По счастью, от избыточного ультрафиолета легко защититься, его практически не пропускает обычное оконное стекло.
Поэтому для производства ультрафиолетовых ламп приходится делать специальное стекло – кварцевое.
Теперь скажем пару теплых слов об инфракрасном излучении. Про теплые слова я сказал не зря, ведь инфракрасное излучение иногда еще называют тепловым. Мы глазами его не видим, но если оно достаточно интенсивное, мы можем почувствовать его кожей как тепло.
|
|
|
И что это значит?
А то, друзья мои, что мы с вами теперь знаем все способы передачи тепла от одного тела к другому! Ну‑ка, вспоминайте, первую часть книги. Мы там говорили, что температура и тепло – это просто мера скорости молекул. И я рассказывал, как передается тепло: более энергичные, то есть более быстрые – «горячие» – молекулы нагретого тела барабанят по более медленным – «холодным» – молекулам другого тела, тормошат их, расталкивают, отдавая им свою энергию. И постепенно, постепенно скорости молекул в горячем и холодном телах уравниваются. Тогда мы говорим:
– О! Отлично! Температура сравнялась! Холодное нагрелось, горячее остыло.
Этот способ теплопередачи называется теплопроводностью.
Могучие умы выделяют в отдельную категорию такую разновидность теплопередачи, как перемешивание или, по‑научному говоря, конвекцию. Конвекция – это когда большие массивы «горячих» молекул перемешиваются механическим путем с большими массивами «холодных». Лучший пример тут – батарея отопления. Она стоит под окном и нагревает воздух вокруг себя. А поскольку теплый воздух легче холодного, он поднимается вверх без всякого воздушного шара, и на его место к батарее снизу, от пола подсасывается холодный воздух. Который тоже нагревается о батарею и улетает вверх. Таким образом вкруговую идет постоянное перемешивание воздуха в комнате. Конвекция ускоряет процесс теплообмена в больших объемах.
|
|
|
Конвекция – это очень просто. Обычное перемешивание
И вот теперь мы узнали еще один способ передачи тепла – лучами, то есть волнами инфракрасного спектра. Попадая на какое‑то тело, инфракрасные лучи его нагревают, то есть раскачивают молекулы, придавая им скоростенки.
Не каждый современный ребенок видел такую штуку, как на этом фото. Сейчас больше в моде другие обогреватели. А раньше такие вот рефлекторы пользовались большой популярностью. В чем суть этого великого изобретения? На керамический патрон наматывается металлическая спиралька из специального сплава. Через нее пропускают ток, и спираль нагревается докрасна и нагревает керамический конус. При этом спираль и керамика немного излучают в видимом диапазоне (красный свет) и очень сильно в невидимом – инфракрасном. Круглый металлический рефлектор фокусирует эти лучи, направляя их сплошным потоком вперед. И человек чувствует тепло или даже жар, если на него направить отражатель. Шикарно, дети мои, шикарно!
|
|
|
Теперь, ознакомившись с качественными характеристиками, нам осталось только дать численные значения ультра‑и инфрасвета. Кстати, слово «инфрасвет» никогда нигде и никем не употребляется, это я уж так, хулиганю. Всегда говорят почему‑то длинно – «инфракрасное излучение». А вот волны с другой стороны спектра почему‑то имеют свое сокращение – «ультрафиолет». Загадки языка.
Итак, ультрафиолетовый свет находится на частотной шкале «правее» фиолетового и простирается от 790 до 30000 ТГц. А инфракрасный, соответственно, левее и его значения лежат в значениях от 1 до 400 тетрагерц.
Раздумчивый читатель, который смотрит на два хода вперед, может в этом месте книги начать ожесточенно чесать затылок, организуя таким образом повышенный приток крови к мозгу для усиления умственной деятельности, ибо в голове его уже зреют два вопроса:
– А еще левее инфракрасного и правее ультрафиолетового бывают волны?
– И волнами чего является свет? Ну, в смысле что колеблется? Морские волны – это колебания воды. Звуковые – воздуха. А тут? Ответит нам наконец автор или нет?
Отвечаю по порядку.
Да. И левее, и правее инфра‑ и ультрасветовых колебаний тоже существуют волны. А почему бы им не быть? Направо от ультрафиолета частоты растут, а длины волн, соответственно, падают. А влево от инфракрасного частоты падают, а длины волн растут.
? И что же находится правее ультрафиолета с частотой выше ультрафиолета?
А там, милые мои, находятся уже знакомые нам рентгеновские лучи. Оказывается, они – то же самое, что свет, только частоты другие. Вредные для здоровья рентгеновские лучи имеют частоты от 30000 ТГц до 600000 ТГц. Те рентгеновские лучи, что подлиннее (меньше частота), называют мягким рентгеном. А высокочастотные рентгеновские лучи – жестким.
Далее, еще правее располагается также известное нам гамма‑излучение. Оно не просто вредное, оно убийственное.
Теперь посмотрим в другую сторону. Какие волны лежат левее инфракрасных? А это хорошо нам знакомые радиоволны! Они условно делятся на:
– сверхдлинные (от 0 до 3 килогерц, длина этих волн – тысячи километров)
– длинные (с частотой от 3 до 30 килогерц и километровой длиной)
– средние (от 300 КГц до 3 мегагерц, гектометровые)
– короткие (от 3 МГц до 30 МГц, декаметровые)
– метровые (30 МГц – 300 Мгц)
– дециметровые (300 МГц – 3 ГГц)
– сантиметровы или СВЧ (3 ГГц – 30 ГГц)
– миллиметровые или микроволны (30 ГГц – 300 ГГц)
Практически все эти волны человечеством так или иначе используются.
На сверхдлинных волнах были полуэкспериментальные попытки сделать дальнюю связь с подводными лодками, поскольку длинные волны хорошо проходят сквозь воду.
На длинных, средних и коротких волнах осуществляется обычная радиосвязь.
Метровые и дециметровые – это передача изображения в телевидении.
Сантиметровыми волнами разогревают пищу в печках‑СВЧ.
Миллиметровые волны пытаются использовать в медицине для лечения.
Как видите, природа всех этих колебаний, начиная с самого длинного и «ленивого» радиодиапазона с тысячекилометровыми волнами и заканчивая самым коротким и жестким проникающим излучением, одинакова.
Часть этих колебаний мы можем воспринимать непосредственно своими органами чувств –
я имею в виду тот короткий кусочек шкалы, который мы называем видимым светом. И теперь остается только ответить на вопрос, что же это за колебания, то есть что же именно колеблется, раз свет – это волна.
Тут я рекомендую вам вспомнить, с какого момента книги мы начали этот длинный разговор о волнах. Не листайте книгу, я напомню ход событий.
Мы сначала узнали, из чего собирается вещество. Оно собирается всего из трех частиц – электрон, протон и нейтрон. Две из них электрически заряженные. Мы полюбили таблицу Менделеева, где сгруппированы все возможные атомы, сделанные из трех указанных элементарных частиц. Мы узнали на примере воды и соли, как собираются из атомов молекулы. (Подробности этой сборки изучает наука химия.)
Затем выяснилось, что, помимо вещества, в мире существует еще и некое невидимое и неосязаемое поле. Оно неразрывно связано с веществом! Электрическое поле связано с электрически заряженными частицами. Магнитное поле магнита порождается движением электрически заряженных частиц. А вообще‑то разделять их бессмысленно, поскольку магнитные и электрические проявления поля – это как орел и решка у монеты. Ну не бывает же отдельно орла и решки, это просто две стороны одной денежки. Точно так же не бывает и отдельного магнитного и электрического поля. Это две стороны единого электромагнитного поля. Просто иногда нам видится только одна из его сторон. Но стоит сделать шаг в сторону… Шаг в сторону – это движение. А движение сразу приводит к «мерцанию сторон» поля: движущееся магнитное порождает электрическое, движущееся электрическое порождает магнитное. И пошел разбег кругов.
Затем мы подвесили на ниточке магнит, а потом заряд и качнули их, заставив двигаться, колебаться и распространять по своему полю волны.
Догадались? Те самые волны, которые в частотном диапазоне простираются от нуля до бесконечности, – радиоволны, свет, ультрафиолет, рентген, гамма – это просто электромагнитные волны. То есть колебания электромагнитного поля. Оно пронизывает всю вселенную. Просто где‑то поле «гуще», а где‑то истончается до нуля.
Ниже нарисована шкала этих волн, которую поэтически можно назвать «таблицей Менделеева для электромагнитных колебаний».
Полная шкала электромагнитных колебаний
Часть III
Сумасшедшая физика
Все настолько прекрасно, что и желать больше нечего! Не так ли?
Мы знаем, как устроено вещество, с конструкторской точностью. То есть можем просто сделать игрушечный конструктор из трех деталек (протон, нейтрон, электрон) и собрать из него все атомы таблицы Менделеева – химические элементы. А из этих элементарных веществ далее собрать уже любую молекулу сложного вещества.
Мы также знаем, что в мире, кроме вещества, существует еще и поле. Точнее, поля. Невидимые, но реальные. Гравитационное, например, поле, которое обеспечивает нам стабильное присутствие на нашей планете, а нашей планете – вращение вокруг Солнца, что не только полезно, но и крайне приятно. А то бы мы все умерли.
Кроме гравитационного, есть еще электромагнитное поле, которое распространяют вокруг себя заряженные частицы (электрон да протон). Оно обеспечивает нам всю химию, потому что атомы собираются в молекулы, а молекулы тяготеют друг к другу (дабы предметы не разваливались), только и исключительно с помощью электромагнетизма. Других причин нет.
И еще в мире есть волны. А почему бы им не быть? Если что‑то колеблется, оно толкает вокруг себя среду, в которой находится, распространяя по ней упругие колебания. Можно вызвать акустические колебания, то есть звуковые, если колебать, например, струну. А можно вызвать колебания электромагнитного поля, если колебать зарядики. Частота этих колебаний имеет диапазон широчайший, и мы почти всеми частотами можем пользоваться. Даже опасное рентгеновское излучение дозированно используем в медицинских целях – чтобы свои туловища просвечивать и искать разные болезни, проглоченные гайки и переломы.
Ну, казалось бы, чего еще надо? Живи да радуйся! Все так хорошо в мире стало, так понятно… Подобные благодушные настроения царили у физиков сто лет назад. Правда, тогда еще не был открыт нейтрон, но свет в электрических лампах уже горел без всякого нейтрона, телефон работал, автомобили бегали, подводные лодки плавали, рентгеном людей просвечивали, а химики колдовали над своими колбами и получали приличные результаты. Умеем, когда захотим!
Тем неожиданнее случилась катастрофа…
Глава 1
Какой удар со стороны классика!
Мир рухнул. Привычный мир физиков обрушился буквально в одночасье. Вот только что в физическом раю пели соловьи благолепия, пухли, как на дрожжах, жирные розы удовлетворенности, распространяя окрест благоуханные ароматы достижений. И вдруг бац – какая неприятность! Привычный рай трещит и разваливается на части, а из разломов начинают торчать невидимые ранее проблемы.
Я ничуть не шучу, мои маленькие друзья и товарищи покрупнее. Какие могут быть шутки о катастрофе мировоззрения!
Весь девятнадцатый век физика развивалась такими бурными темпами и добилась таких успехов, что гордость физиков за свою вотчину была вполне обоснованной. Удалось создать стройную непротиворечивую картину мира, в основе которой лежала ньютоновская механика. Скорости, траектории, законы движения массивных тел… Все это можно было определить, просчитать и, зная все координаты, массы и скорости тел, предсказать, где они окажутся в любой момент времени в будущем.
Иными словами, мир представлялся фатальным. Что такое фатализм? Всеобщая предопределенность – чему суждено случиться, того не миновать, как ни пытайся. От судьбы не уйдешь. Написано тебе на роду утонуть, значит утонешь… Именно такую «окаменевшую» и неизменяемую картину мира давала ньютоновская механика, в которой конечные координаты и другие параметры любого тела, любой частицы жестко детерминировались (предопределялись) начальными условиями движения. Понятно, что на практике данных обо всех частицах вселенной у нас нет, но в теории мир был именно таким – железно заданным формулами физических закономерностей.
Правда, о философской подоплеке своих механистических воззрений физики задумывались не особо, им просто нравилась та цельная картина мира, которая вырисовывалась к концу XIX века. Как движутся планеты, понятно. Законы распространения волн известны. Оптика позволяет делать очки и телескопы. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, уже написаны. Электротехника развивается бурными темпами. Плохо ли?
И когда о ту пору юный абитуриент пришел к своему профессору – физику Филиппу Жолли и сказал ему, что мечтает связать свою жизнь с физикой, тот томно отмахнулся:
– Ах, молодой человек! Физика, как наука, в общем и целом завершена, за исключением нескольких несущественных мелочей. Стоит ли вам портить себе жизнь? Займитесь лучше юриспруденцией или музыкой.
Этого юного абитуриента, который действительно отлично играл на фортепиано и даже был автором одной оперетты, звали Макс Планк. Это имя сегодня известно всем, кто учился в школе или хоть что‑то слышал о физике.
Макс Планк – человек, который, уцепившись за те самые «несущественные мелочи», о которых говорил благодушный Жолли, взломал здание старой физики – и сам испугался содеянного.
Макс Планк – человек, основавший здание новой физики – квантовой.
Макс Планк, придумавший кванты, – человек, который сам в кванты не верил.
Именем Макса Планка названа одна из самых фундаментальных констант современной физики, описывающая базис нашего мира – «постоянная Планка». А на могиле Макса Планка вместо дат его жизни и смерти выбиты совсем другие цифры – значение постоянной Планка.
Планк прожил долгую нелегкую жизнь, пересекшую две мировые войны. Он пережил обоих своих сыновей, один из которых погиб в Первую мировую, а второй был в начале 1945 года повешен нацистами за участие в покушении на Гитлера. Дом Планка вместе с огромной библиотекой сгорел от попадания бомбы и почти 90‑летний старик, в чем был, вместе с женой пешком отправился в никуда.
Знал ли тот юный мальчик Макс, стоявший перед маститым профессором Жолли – уважаемым ученым, который родился в эпоху Наполеоновских войн, сотрясавших Европу, – что ему самому, Максу Планку, придется пережить две огромные войны, потерять детей и перевернуть физику? Не знал, конечно. И знать не мог в принципе, ибо тот переворот в физике, коему Планк дал начало, убедительно показал человечеству: мир нефатален, вы можете изменить будущее! Мир принципиально непредсказуем. Он квантовый. И случайность вшита в самую основу бытия.
? Так что же сделал Макс Планк такого, во что и сам не поверил?
Одной из тех неразрешимых «мелких проблемок», которые стояли перед физиками конца девятнадцатого века и о которой говорил умудренный профессор Жолли молодому Планку, была проблема излучения так называемого черного тела. Черное тело – это придуманный физиками теоретический конструкт, вымышленный объект, который все излучения поглощает и ничего не отражает. При этом черное тело постепенно нагревается и потому переизлучает тепло уже в собственном диапазоне.
Дивиться тому, что физики взяли да и выдумали что‑то, в реальном мире не существующее, не стоит. Дело в том, что физика всегда оперирует некими идеальными моделями. Как и любая другая наука. Наука ведь не гонится за истиной, как вы, быть может, ошибочно предполагаете. Наука просто строит интеллектуальные модели. И проверяет их на соответствие реальности – работает или нет, можно с ее помощью делать предсказания или нельзя. Можно – хорошая теория, берем на вооружение. Нет – ошибочная.
Все научные теории без исключения имеют ограниченную область применения и строятся для решения практических задач. А так как человеческие хотелки все растут и растут, людям хочется получить больше и больше, область решаемых задач вскоре начинает превышать возможности теории. И она перестает работать в новых условиях. Приходится строить более общую теорию, в которую старая теория входит частным случаем. Или же просто отказываться от старой теории, полностью меняя научную парадигму. Вы, я надеюсь, знаете, что такое парадигма? Парадигма – это система устоявшихся взглядов.
Так вот, в стройном здании физики позапрошлого века была одна теоретическая неясность. Исследуя излучения разных нагретых тел, физики заметили, что построенные ими красивые теории не стыкуются с отвратительной реальностью. Из теории получалось, что нагретое абсолютно черное тело должно излучать бесконечно большую энергию, что абсурдно. Теория давала сбой.
Пытаясь привести такую хорошую теорию к такой неприятной практике, буквально за волосы таща формулы к реальности. Планк сделал гениальное допущение. Оно выглядело очень искусственным, но зато сразу позволило решить проблему на бумаге. Макс Планк предположил, что энергия излучения, которое отдает нагретое тело, испускается не сплошным потоком, а порциями, которые Планк назвал квантами.
Предположение, конечно, глупое. Ну, что значит «излучается порциями»? Вот у нас есть бак, заполненный водой. Мы открыли кран, и она потекла – сплошным потоком. А почему излучение от нагретого тела должно «течь» не сплошным потоком, а каким‑то пунктиром? Это же волны! Они бегут сплошняком! Что еще за порции такие дурацкие?
Однако введение этих порций в формулы дало хороший результат и позволило, что называется, подогнать решение к ответу, известному из практических наблюдений.
Работая над моделью излучения черного тела, Планк часто прогуливался по улице с сыном, не переставая думать обо всем этом. И однажды признался мальчику:
– Или то, что я делаю, абсолютная бессмыслица, или самое большое открытие в физике со времен Ньютона!
Планк, который стоял на позициях классической физики, очень расстраивался из‑за того, что ему пришлось выдумать эти вот «рваные волны», которые излучаются непонятными порциями. Он рассчитывал, что кто‑нибудь вскоре придумает что‑то получше и исправит ситуацию, избавив мир от его дурацких квантов.
Увы! Кванты никак не хотели из теорий убираться, без них никак не получалось.
Неужели энергия тоже квантована, как и вещество? Поясню… Вещество, как мы уже знаем, делимо. Мельчайшей его частичкой является атом. Может, и энергия тоже состоит из «атомов энергии»? Стоп! А при чем тут энергия, спросите вы, ведь речь у нас об излучении? Дело в том, что энергией в физике часто называют не только такую абстрактную вещь, как энергия кинетическая или энергия потенциальная, но и вполне конкретное электромагнитное излучение. Оно считается энергией в чистом виде, так сказать… В общем, Планку формулы подогнать к реальности удалось, но по смыслу получилась какая‑то ерунда, какие‑то «куски волн», «куски излучения», похожие на частицы.
Пока классическая физика осмысливала получившуюся ерундень, по ней нанесли еще один удар. На сей раз постарался Эйнштейн.
Эйнштейн – не только икона современной физики, но и самый известный физик среди простого народа. Не потому, что народ понимает его теории, а потому что Эйнштейн, волосатый и озорной, – любил фотографироваться, высунув язык.
Что же натворил Эйнштейн?
Не скрою, набедокурил он изрядно. Рассказываю.
В конце XIX века физиками был открыт так называемый фотоэффект. Очень интересное явление! Оно заключается в следующем: при освещении металлической пластины светом световые лучи выбивают из этой пластины электроны. Схемка эксперимента дана ниже.
Неожиданностью в этом опыте было то, что энергия выбиваемых светом электронов совершенно не зависела от интенсивности светового потока! Слабенький он был или мощный – это влияло только на количество выбитых электронов. А вот их энергия зависела, как ни странно, от частоты света. И для любого материала катода всегда существовала такая низкая частота излучения, что фотоэффект прекращался. Это назвали «красной границей фотоэффекта», потому что чем ниже частота света, тем он ближе к красному.
Еще любопытно, что никакой медленной «накачки» электронов энергией не было, электроны начинали вылетать из металла сразу после включения лампы, словно им не нужно было «раскачиваться», набирая энергию для вылета.
Вообще‑то, волновая теория света предсказывала совершенно другой результат – электроны должны сначала какое‑то время накапливать энергию, причем их энергия должна была зависеть от интенсивности излучения (яркий источник света или тусклый), а не от его частоты, то есть цвета лучей. Это что же получается? Теория плохая? Но в других случаях она прекрасно работает. А тут чего‑то спотыкается. Мы уже знаем: так бывает. Любая функция имеет область определения, а любая теория имеет границы своего применения. Ученые как раз вышли на эту границу. И значит, пришла пора расширять теорию!
Явление фотоэффекта. Берется стеклянная лампа хитрой формы и из нее откачивается воздух. С разных сторон в стекло впаяны два электрода – катод и анод. На них подается напряжение от батареи. Однако никакого тока в сети нет, потому что цепь не замкнута. Но если начать облучать светом катод (К), световые волны станут выбивать из металла электрончики. Освободившись из металлического плена, они под действием притяжения со стороны положительно заряженного анода (А) летят к нему, образуя электрический ток и замыкая электрическую цепь
Это и сделал Эйнштейн. Он внес в ситуацию точно такое же предположение, какое внес Планк: излучение происходит «порциями». Ну то есть излучение – это не какая‑то сплошная волна, как думали раньше, а короткие «кусочки», больше похожие вообще‑то на частицы. Порция – это ведь часть, и само слово «частица» произошло от слова «часть».
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 334; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!