امروز در مورد آزمایش لبدف در اثبات فشار فوتون های نور صحبت خواهیم کرد. ما اهمیت این کشف و پیشینه ای که منجر به آن شد را آشکار خواهیم کرد.
دانش کنجکاوی است
در مورد پدیده کنجکاوی دو دیدگاه وجود دارد. یکی با ضرب المثل "دماغ واروارای کنجکاو در بازار کنده شد" و دیگری با ضرب المثل "کنجکاوی بد نیست" بیان می شود. این تناقض به راحتی حل می شود اگر کسی بین حوزه هایی که علاقه در آنها مورد استقبال نیست یا برعکس، مورد نیاز است تمایز قائل شود.
یوهانس کپلر برای دانشمند شدن به دنیا نیامد: پدرش در جنگ جنگید و مادرش یک میخانه داشت. اما او توانایی های خارق العاده ای داشت و البته کنجکاو بود. علاوه بر این، کپلر از یک اختلال شدید بینایی رنج می برد. اما این او بود که اکتشافاتی انجام داد که به لطف آنها علم و کل جهان در جایی هستند که اکنون هستند. یوهانس کپلر به دلیل شفاف سازی منظومه سیاره ای کوپرنیک مشهور است، اما امروز در مورد دیگر دستاوردهای این دانشمند صحبت خواهیم کرد.
اینرسی و طول موج: میراث قرون وسطایی
پنجاه هزار سال پیش، ریاضیات و فیزیک به بخش "هنر" تعلق داشت. بنابراین، کوپرنیک به مکانیک حرکت اجسام (از جمله سماوی) و اپتیک و گرانش مشغول بود. او بود که وجود اینرسی را ثابت کرد. از نتیجه گیریاین دانشمند مکانیک مدرن، مفهوم برهمکنش اجسام، علم تبادل سرعت اجسام در تماس را رشد داد. کوپرنیک همچنین یک سیستم هماهنگ از اپتیک خطی ایجاد کرد.
او مفاهیمی مانند:
را معرفی کرد.
- "شکست نور"؛
- "شکست";
- "محور نوری"؛
- "بازتاب داخلی کل"؛
- "روشنایی".
و تحقیقات او در نهایت ماهیت موجی نور را ثابت کرد و منجر به آزمایش لبدف در اندازه گیری فشار فوتون ها شد.
خواص کوانتومی نور
قبل از هر چیز، ارزش آن را دارد که ذات نور را تعریف کنیم و در مورد چیستی آن صحبت کنیم. فوتون کوانتومی از یک میدان الکترومغناطیسی است. این مجموعه ای از انرژی است که به طور کلی در فضا حرکت می کند. شما نمی توانید مقداری از انرژی را از یک فوتون «گزیده» کنید، اما می توان آن را تبدیل کرد. به عنوان مثال، اگر نور توسط ماده ای جذب شود، انرژی آن در داخل بدن می تواند دستخوش تغییراتی شده و فوتونی با انرژی متفاوت از خود ساطع کند. اما به طور رسمی، این همان کوانتومی از نور جذب شده نخواهد بود.
یک مثال از این می تواند یک توپ فلزی جامد باشد. اگر یک قطعه ماده از سطح آن کنده شود، شکل آن تغییر می کند، کروی بودن آن متوقف می شود. اما اگر کل جسم را ذوب کنید، مقداری فلز مایع بردارید، و سپس یک توپ کوچکتر از بقایای آن بسازید، آنگاه دوباره یک کره خواهد بود، اما متفاوت، نه مانند قبل.
خواص امواج نور
فوتون ها خاصیت موج را دارند. پارامترهای اصلی عبارتند از:
- طول موج (مشخصات فضا)؛
- فرکانس (مشخصاتزمان)؛
- دامنه (مشخصات قدرت نوسان است).
اما، به عنوان کوانتوم میدان الکترومغناطیسی، یک فوتون جهت انتشار نیز دارد (که به عنوان بردار موج مشخص می شود). علاوه بر این، بردار دامنه قادر است به دور بردار موج بچرخد و قطبش موج ایجاد کند. با انتشار همزمان چندین فوتون، فاز یا بهتر است بگوییم اختلاف فاز نیز به یک عامل مهم تبدیل می شود. به یاد بیاورید که فاز آن قسمت از نوسانی است که جبهه موج در یک لحظه خاص از زمان (طلوع، حداکثر، نزول یا حداقل) دارد.
جرم و انرژی
همانطور که اینشتین هوشمندانه ثابت کرد، جرم انرژی است. اما در هر مورد خاص، جستجو برای قانونی که بر اساس آن یک ارزش به ارزش دیگر تبدیل شود، می تواند دشوار باشد. تمام ویژگی های موج فوق نور با انرژی مرتبط است. یعنی: افزایش طول موج و کاهش فرکانس به معنای انرژی کمتر است. اما از آنجایی که انرژی وجود دارد، فوتون باید جرم داشته باشد، بنابراین باید فشار نور وجود داشته باشد.
ساختار تجربه
با این حال، از آنجایی که فوتون ها بسیار کوچک هستند، جرم آنها نیز باید کوچک باشد. ساخت دستگاهی که بتواند آن را با دقت کافی تعیین کند، کار فنی دشواری بود. دانشمند روسی لبدف پتر نیکولاویچ اولین کسی بود که با آن کنار آمد.
آزمایش خود بر اساس طراحی وزنه هایی بود که لحظه پیچش را تعیین می کردند. میله ای به نخ نقره ای آویزان شده بود. به انتهای آن صفحات نازک یکسانی از انواع مختلف وصل شده بودمواد. اغلب در آزمایش لبدف از فلزات (نقره، طلا، نیکل) استفاده شد، اما میکا نیز وجود داشت. کل ساختار در یک ظرف شیشه ای قرار گرفت که در آن خلاء ایجاد شد. پس از آن، یک صفحه روشن شد، در حالی که دیگری در سایه باقی ماند. تجربه لبدف ثابت کرد که روشنایی یک طرف منجر به این واقعیت می شود که ترازو شروع به چرخش می کند. با توجه به زاویه انحراف، دانشمند قدرت نور را قضاوت کرد.
تجربه مشکلات
در آغاز قرن بیستم، تنظیم یک آزمایش به اندازه کافی دقیق دشوار بود. هر فیزیکدانی می دانست که چگونه خلاء ایجاد کند، با شیشه کار کند و سطوح را جلا دهد. در واقع دانش به صورت دستی به دست آمد. در آن زمان هیچ شرکت بزرگی وجود نداشت که تجهیزات لازم را در صدها قطعه تولید کند. دستگاه لبدف با دست ساخته شد، بنابراین دانشمند با مشکلات زیادی روبرو شد.
خلاء در آن زمان حتی متوسط نبود. این دانشمند با پمپ مخصوص هوا را از زیر درپوش شیشه ای خارج کرد. اما این آزمایش در بهترین حالت در فضای کمیاب انجام شد. جدا کردن فشار نور (انتقال ضربه) از گرمایش سمت روشن دستگاه دشوار بود: مانع اصلی وجود گاز بود. اگر آزمایش در خلاء عمیق انجام شود، هیچ مولکولی وجود نخواهد داشت که حرکت براونی آن در سمت روشن‌شده قوی‌تر باشد.
حساسیت زاویه انحراف چیزهای زیادی باقی مانده است. پیچ یاب های مدرن می توانند زوایای تا میلیونیم رادیان را اندازه گیری کنند. در آغاز قرن نوزدهم، مقیاس را می‌توان با چشم غیر مسلح دید. تکنیکزمان نمی تواند وزن و اندازه یکسان صفحات را فراهم کند. این به نوبه خود توزیع یکنواخت جرم را غیرممکن کرد که در تعیین گشتاور نیز مشکلاتی ایجاد کرد.
عایق بودن و ساختار نخ تاثیر زیادی در نتیجه دارد. اگر یک انتهای قطعه فلزی به دلایلی بیشتر گرم شود (به این حالت گرادیان دما گفته می شود)، آنگاه سیم می تواند بدون فشار نور شروع به پیچیدن کند. علیرغم این واقعیت که دستگاه لبدف بسیار ساده بود و خطای بزرگی را نشان می داد، واقعیت انتقال تکانه توسط فوتون های نور تأیید شد.
شکل صفحات روشنایی
بخش قبلی بسیاری از مشکلات فنی را که در آزمایش وجود داشت، ذکر کرد، اما روی چیز اصلی - نور تأثیری نداشت. صرفاً از نظر تئوری، تصور می کنیم که پرتوی از پرتوهای تک رنگ روی صفحه می افتد که کاملاً موازی با یکدیگر هستند. اما در آغاز قرن بیستم منبع نور خورشید، شمع ها و لامپ های رشته ای ساده بود. برای موازی کردن پرتو پرتوها، سیستم‌های عدسی پیچیده‌ای ساخته شدند. و در این مورد، منحنی شدت نور منبع مهمترین عامل بود.
در کلاس فیزیک اغلب گفته می شود که پرتوها از یک نقطه می آیند. اما مولدهای نور واقعی ابعاد خاصی دارند. همچنین، وسط یک رشته می تواند فوتون های بیشتری نسبت به لبه ها ساطع کند. در نتیجه لامپ برخی از مناطق اطراف خود را بهتر از سایرین روشن می کند. خطی که کل فضا را با روشنایی یکسان از یک منبع معین دور می‌زند، منحنی شدت نور نامیده می‌شود.
ماه خونی و خسوف جزئی
رمان‌های خون‌آشام مملو از دگرگونی‌های وحشتناکی هستند که برای مردم و طبیعت در ماه خونی اتفاق می‌افتد. اما نمی گوید که نباید از این پدیده ترسید. زیرا نتیجه بزرگی خورشید است. قطر ستاره مرکزی ما تقریباً 110 قطر زمین است. در همان زمان، فوتون های ساطع شده از یک و دیگر لبه دیسک مرئی به سطح سیاره می رسند. بنابراین، هنگامی که ماه در نیم سایه زمین می افتد، کاملاً پوشیده نمی شود، اما، همانطور که بود، قرمز می شود. اتمسفر سیاره نیز برای این سایه مقصر است: تمام طول موج های قابل مشاهده به جز طول موج های نارنجی را جذب می کند. به یاد داشته باشید، خورشید هنگام غروب خورشید نیز قرمز می شود، و این دقیقاً به این دلیل است که از لایه ضخیم تری از جو عبور می کند.
لایه ازن زمین چگونه ایجاد می شود؟
یک خواننده دقیق ممکن است بپرسد: "فشار نور چه ربطی به آزمایش های لبدف دارد؟" به هر حال، تأثیر شیمیایی نور نیز به این دلیل است که فوتون حرکت حرکتی را حمل می کند. یعنی این پدیده مسئول برخی از لایه‌های جو سیاره است.
همانطور که می دانید، اقیانوس هوایی ما عمدتاً جزء فرابنفش نور خورشید را جذب می کند. علاوه بر این، اگر سطح سنگی زمین در نور فرابنفش غرق شود، حیات به شکل شناخته شده غیرممکن خواهد بود. اما در ارتفاع حدود 100 کیلومتری، جو هنوز آنقدر ضخیم نیست که بتواند همه چیز را جذب کند. و اشعه ماوراء بنفش فرصت تعامل مستقیم با اکسیژن را پیدا می کند. این مولکول های O2 را به داخل می شکنداتم ها را آزاد می کند و ترکیب آنها را به اصلاح دیگری ارتقا می دهد - O3. این گاز در شکل خالص خود کشنده است. به همین دلیل است که از آن برای ضد عفونی هوا، آب، لباس استفاده می شود. اما به عنوان بخشی از جو زمین، از همه موجودات زنده در برابر اثرات تشعشعات مضر محافظت می کند، زیرا لایه اوزون به طور موثر کوانتوم های میدان الکترومغناطیسی را با انرژی های بالاتر از طیف مرئی جذب می کند.
