Історія лазера
Science & Technology має на меті провести вас у подорож до супергероя, який будується в Магуреле, за допомогою якого будуть досліджені глибокі таємниці матерії. Наразі, щоб підготувати свою поїздку, ось історія лазера.
Епізод 1
Випадково я виявив, що всілякі витівки починають пробиратися у віртуальний простір Інтернету з посиланням на суперлазер, який буде побудований в Магуреле. Я даю вам заголовок щоденної мережі: “Хороша новина: Румунія матиме найпотужніший лазер у світі. Погана новина: разом із цим будуть спалюватися ядерні відходи ".
Назва, дана журналістами, повторюється, хоча в статті речі (дещо) уточнені в тому сенсі, що цитується пан. Акад. Ніколае Замфір, директор IFIN Хорія Хулбей, який показав, що це не мета суперлазера від Магуреле, а можливість поводження з ядерними відходами за допомогою лазера все ще є лише науковою гіпотезою. У блогах, що спеціалізуються на теоретиках змов, з’явилося багато повідомлень, в яких застерігається, що «ми станемо звалищем Європи» для ядерних відходів.
Я не думаю, що розповсюдженням такої пустощі можна знехтувати. Ми стикаємось із серйозною проблемою, яку потрібно вирішити, правильно інформуючи широку громадськість. Було б шкода грізного дослідницького інструменту, який зараз будується в Магуреле, щоб здобути ауру європейської змови проти Румунії.
Перш ніж йти далі, мені потрібно розповісти вам історію відкриття явища, про яке ми ще не говорили. Нам потрібне інтермецо. Нам потрібно повернутися у минуле.
Перші знаки запитання
У 1669 році датчанин Еразм Бартолін відкрив дивне явище. Він помітив, що, дивлячись на лінію крізь кристал кальциту (за Ісландією), він побачив її вдвічі. Бартолін також дав пояснення цьому дивному явищу. У холодних північних країнах світло, замість того, щоб слабшати, отримує додаткову енергію. Насправді він відкрив явище подвійного заломлення (або подвійне заломлення), яке проявляється у випадку певних кристалів.
Гюйгенс запропонує пояснення цього явища, припускаючи, що в кристалі з'являються первинна сферична хвиля та вторинна еліпсоїдна хвиля. Пояснення менш важливо, важливо інше, експеримент, який він оголосив у 1690 р. Він виявив, що якщо він розмістить другий кристал над першим і злегка поверне його, у певних положеннях зображення повністю зникне.
У 1808 році француз Етьєн Луї Малус, у свою чергу, зробив важливу знахідку. Він виявляє, що коли сонячне світло, відбите дзеркалом, проходить через шпатель в Ісландії, відносна яскравість двох отриманих зображень змінюється, коли кристал обертається навколо осі, представленої відбитим промінням світла.
Малус пояснює це явище гіпотезою: легкі корпускули вирівнюються після відбиття способом, подібним до того, при якому магнітні тіла вирівнюються за полюсами магніту. З цієї причини він вводить термін "поляризація" світла.
Френель також уважно вивчає явище поляризації і, слідуючи експериментам, робить висновок, що світло є поперечною хвилею, тобто коливання світлових хвиль перпендикулярні напрямку розповсюдження. Він дійшов такого висновку після того, як виявив, що два пучки поляризованого світла не заважають у певних ситуаціях.
Це явище можна пояснити лише одним чином: світло - це поперечна хвиля, і коли площини їх поляризації перпендикулярні, між двома пучками не виникає перешкод.
Тепер, після цього інтермецо, настав час вивести сцену на сцену
Майкл Фарадей, геній-самоучка
Фарадей не навчався в університеті, натомість у нього була пристрасть до знань, подвоєна надзвичайною строгістю. Він не опанував математикою, натомість знав, як ніхто інший проводити експерименти.
До речі, я можу сказати вам, що Фарадей, коли був підмайстром палітурника, відкрив книгу «Бесіди з хімії» Джейн Марсет. На той момент йому було лише 15 років, і ця книга про популяризацію хімії, майстерно написана у формі діалогу, також містила ряд експериментів, які можна було зробити вдома. Молодий Фарадей читав її із запалом і проводив у ній більшість експериментів.
Другий вирішальний момент для майбутнього вченого стався в 1812 р., Коли він отримав вхідний квиток на популяризаційні конференції, які проводив великий хімік сер Хамфрі Деві. Фарадей був надзвичайно вражений і надіслав йому лист та книгу на 300 сторінок на основі приміток, зроблених під час цих конференцій.
У тому ж році Деві зазнав лабораторної аварії і отримав травму лівого ока. Невдала подія для великого хіміка, але можливість для Фарадея, якого покликали допомогти Деві в лабораторії. І ось починається грізна кар’єра вченого-самоучки ...
Про великі відкриття Фарадея у фізиці та хімії можна багато сказати. На жаль, на даний момент нам не вистачає місця.
Для нашого предмета, - про світло, набагато важливіше певне досягнення вченого-самоучки. 13 вересня 1845 року Фарадей виявив ефект, який тепер носить його ім'я. Того дня він зазначив у своєму блокноті деталі експерименту, в якому промінь поляризованого світла пропускали через шматок "важкого скла", що містив свинець.
Потім він застосував електромагніт і виявив, що коли напрямок ліній магнітного поля було паралельно напрямку поляризованого світлового потоку, відбулося обертання площини поляризації світла. Як зазначав Фарадей, "магнітна сила і світло перебувають у взаємозв'язку між собою". Знахідка має велике значення. Фарадей підійшов до трактування світла як електромагнітної хвилі.
Але внесок Фарадея на цьому не зупиняється. Він вводить два надзвичайно важливі поняття: магнітне поле та лінії магнітного поля. Він їх взагалі не математизував, він не мав необхідної підготовки, але з їх допомогою він міг пояснити низку явищ в області електромагнетизму. Він уявляв силові лінії, що виходять від полюсів магніту (магнітних силових ліній), які можна було візуалізувати, наприклад, за допомогою залізних стружок.
У 1851 р. Він робить ще одне важливе твердження:
Я хочу звузити значення терміна силова лінія таким чином, щоб він не означав нічого, крім стану сили в певному пункті, як силу та напрямок, і не містив (в даний час) жодного уявлення про природу фізичної причини явища.
Поняття поля та лінії поля були прийняті свого часу з деяким небажанням. Фарадей міг запропонувати лише блискучі експерименти, не супроводжуючи їх належним математичним формалізмом. На щастя, був чоловік, чистокровний теоретик, який приділив їм належну увагу.
Максвелл та естетика математичних рівнянь
Шотландець Джеймс Клерк Максвелл рано показав талант до математики, особливо геометрії. У дитинстві він відкрив правильні багатогранники, перш ніж читати про них. Кажуть, що він був замкнутою в собі людиною, чуйною людиною, захопленою читанням та малюванням. На жаль, він помер у віці лише 48 років через рак товстої кишки.
Наукові проблеми Максвелла були дуже різноманітними. Він зробив вирішальний внесок у термодинаміку, теорію кольорів, електромагнетизм тощо. Що стосується нашої історії, ми звернемо нашу увагу на революцію, яку вона спровокувала в галузі електромагнетизму.
У 1855 році Максвел опублікував свою першу роботу про електромагнетизм. На відміну від багатьох інших своїх товаришів, він математично аналізує концепції Фарадея, і його робота називається Про лінії сил Фарадея. Починаючи з них, Максвелл вводить аналогії в галузі механіки несжимаемих рідин і встигає описати закони електромагнетизму в математичній формі і показує, як електрика і магнетизм пов'язані між собою. В основному це об’єднує електрику і магнетизм.
У 1861 р. Він розширив математичний формалізм і прийшов описати через систему з 20 диференціальних рівнянь з 20 змінними всі відомі на той час явища в галузі електромагнетизму. Це лише початок. Наразі існує занадто багато рівнянь і, отже, елегантності. Вони зовсім не красиві.
У 1873 році йому вдалося зробити крок далі. У "Трактаті про електрику і магнетизм" він зменшує кількість цих рівнянь з 20 до лише 12. Дванадцять рівнянь, що об'єднали цілу область фізики! (Пізніше, у 1893 р., Британському математику та фізику Оліверу Хевісайду вдалося перетворити їх у набір лише чотирьох диференціальних рівнянь, які представляють форму, в якій вони використовуються сьогодні)
У тій же роботі Максвел віддає прекрасне вшанування Фарадею, який, вводячи поняття поля і силових ліній, запропонував пластичне зображення явищ у магнетизмі:
По мірі того, як я прогресував у вивченні Фарадея, я зміг зрозуміти, що його спосіб уявлення явищ був також математичним, хоча він не подавав їх у звичайній формі математичних символів. Я зрозумів, що ці ідеї можна висловити загальними математичними формулами та порівняти з тими, що отримані професійними математиками.
Наприклад, Фарадей бачив силові лінії, що перетинають весь простір, де математики бачили центри сили, що діють на відстані; Фарадей представив середовище, в якому він враховував лише відстань; Фарадей шукав походження явищ у реальних діях, що відбуваються в цьому середовищі; [математики] задовольнялись пошуком властивості віддаленої дії, що приписується електричним рідинам.
Переклавши в математичну форму те, що я вважаю ідеями Фарадея, я виявив, що загалом результати, запропоновані двома методами, узгоджуються в тому сенсі, що два методи враховують однакові явища і ведуть до однакових законів, але Метод Фарадея починається від загальної асамблеї, щоб дійти до компонентів шляхом аналізу, тоді як звичайні математичні методи починаються від компонентів, щоб підняти цілий корпус шляхом синтезу.
Можливо, вам цікаво, чому я присвятив стільки місця Максвеллу. Зрештою, він має справу з електромагнетизмом, а не зі світлом. Ну, причина проста і очевидна. Два рівняння Максвелла доводять, що світло - це електромагнітна хвиля.
Це рівняння, яке також називається Законом Фарадея, яке описує, як змінне магнітне поле індукує електричне поле, і таке, що називається "Закон Ампера з корекцією Максвелла", яке показує, що магнітне поле може генеруватися двома способами: електричним струмом (це початкова форма "закону Ампера") і шляхом варіювання електричного поля.
Якщо я можу бути менш точним, я б узагальнив ці два закони наступним чином: змінне магнітне поле індукує змінне електричне поле і, навпаки, змінне електричне поле індукує змінне магнітне поле. Не вдаючись у математичні деталі, добре знати, що, поєднуючи два закони, представлені вище, у приватному випадку вакууму ми отримуємо рівняння електромагнітної хвилі.
Насправді, кількома роками раніше, в 1864 р., У "Динамічній теорії електромагнітного поля" Максвелл заявив:
Результати, здається, показують, що світло і магнетизм є явищами однієї природи, в тому сенсі, що світло є електромагнітним збуренням, яке поширюється відповідно до законів електромагнетизму.
Починаючи з Максвелла, у нас є представництво, яке стало класичним і представлене в школі. Електромагнітна хвиля складається з магнітної хвилі, яка поєднується з електричною, а площини коливань двох хвиль перпендикулярні одна до одної.
Сподіваюся, я не набридла вам із цією досить математичною главою. Я не міг цього уникнути, тому що момент Максвелла є фундаментальним в історії світла. Якщо ви дозволите мені, я закінчую цю главу тим, що Максвелл запалив світло.
Інтермеццо
Тепер все здавалося зрозумілим. Світло - це електромагнітна хвиля, і ми маємо надзвичайний математичний опис його. Я не буду вдаватися в інші подробиці, я пропущу менш важливі віхи нашої історії. Ближче до кінця XIX століття результати, отримані в усіх галузях фізики, були справді вражаючими. Здавалося, що з точки зору фундаментальних понять фізика була (майже) завершеною наукою. Залишалося лише кілька питань, які слід було з’ясувати.
Один з них був пов’язаний із легким ефіром, еластичним середовищем, через яке повинно було поширюватися світло. Вирішальний експеримент, проведений Майкельсоном і Морлі в 1881 р., Який намагався визначити відносну швидкість Землі щодо цього "світлового ефіру", не зміг дати очікуваного підтвердження. Незважаючи на те, що він був повторений у 1887 році, з більш точними приладами, експеримент продовжував давати негативні результати. Цей несподіваний результат відкрив шлях теорії відносності. Але це вже інша історія.
Для нашої історії важливіше друга проблема, яка була пов'язана зі спектром випромінювання чорного тіла. Це була серйозна проблема, яку неможливо було вирішити, застосовуючи принципи фізики, що стали класичними.
Спочатку давайте подивимось, що таке чорне тіло. Фізики оперують цією концепцією, яка є ідеальним об'єктом, який повністю поглинає падаюче електромагнітне випромінювання, незалежно від довжини хвилі. Чорне тіло випромінює електромагнітне випромінювання зі спектральним розподілом, який залежить лише від його температури.
У природі не існує такого ідеального об'єкта, але його можна побудувати, який дуже добре наближує поведінку чорного тіла. Уявіть порожнину, в якій є лише невеликий отвір, через який електромагнітне випромінювання може виходити зсередини. Коли його внутрішня частина знаходиться в тепловій рівновазі, електромагнітне випромінювання випромінюється через отвір, про який я згадав раніше, який дуже добре наближається до випромінюваних ідеальним чорним тілом.
Спектральний розподіл цього електромагнітного випромінювання, що випромінюється через отвір нашої порожнини, не залежить від форми порожнини або коефіцієнта відбиття її стінок, а лише від температури всередині неї, коли встановлена теплова рівновага.
Чорне тіло створювало серйозні проблеми для фізиків, оскільки не було чіткого математичного подання спектрального розподілу випромінювання, що випромінювалось ним. Близько 1890 р. Німецький фізик Вільгельм Відень отримав математичне співвідношення, яке буде називатися законом Відня, для опису поведінки чорного тіла, але воно мало два основних недоліки.
По-перше, закон Відня не мав надійної теоретичної основи, а скоріше емпіричного співвідношення, отриманого на основі вимірювань. Друга проблема була ще серйознішою. Формула Віна забезпечила правильні результати для високих частот електромагнітного спектра і сильно відхилилася від експериментальних даних в області низьких частот.
У 1900 р. Лорд Рейлег, виходячи з теоретичних міркувань, що стосуються класичної механіки того часу, розробив у свою чергу математичне співвідношення спектрального розподілу електромагнітного випромінювання, що випромінюється чорним тілом, залежно від температури. П’ять років потому сер Джеймс Джинс робить виправлення у цих стосунках, яке називатиметься законом Рейле-Джинса.
Всі гарні та гарні, математичні відносини були суворо викладені теоретично, і все могло б здатися цілком зрозумілим. Але ... хоча це дало правильні результати для області високих частот, воно експоненційно відійшло від вимірювань, оскільки частоти електромагнітних хвиль зменшувались.
Зверніть увагу: закон Рейле-Джинса блискуче застосовував принципи класичної механіки. Той факт, що він не міг пояснити спектральний розподіл випромінювання чорного тіла для всіх довжин хвиль, був дуже серйозною проблемою. Щось треба було десь змінити. Зміни, майже проти його волі, вніс Макс Планк. І ця зміна призвела до народження квантової механіки. Але я розповім вам про це в наступному епізоді.