سنتحدث اليوم عن تجربة ليبيديف في إثبات ضغط الفوتونات الضوئية. وسنكشف عن أهمية هذا الاكتشاف والخلفية التي أدت إليه.
المعرفة فضول
هناك وجهتا نظر حول ظاهرة الفضول. يتم التعبير عن أحدهما بالقول "تمزق أنف فارفارا الفضولي في السوق" ، والآخر - بالقول "الفضول ليس رذيلة". يتم حل هذه المفارقة بسهولة إذا ميز المرء بين المجالات التي لا ترحب بالاهتمام أو ، على العكس من ذلك ، هناك حاجة.
يوهانس كيبلر لم يولد ليصبح عالما: والده قاتل في الحرب ، ووالدته تحتفظ بحانة. لكنه كان يتمتع بقدرات غير عادية وبالطبع كان فضوليًا. بالإضافة إلى ذلك ، عانى كبلر من ضعف شديد في البصر. لكنه كان هو الذي حقق الاكتشافات ، بفضل العلم والعالم بأسره أصبحوا في مكانهم الآن. يشتهر يوهانس كيبلر بتوضيح نظام الكواكب لكوبرنيكوس ، لكن اليوم سنتحدث عن إنجازات أخرى للعالم.
القصور الذاتي والطول الموجي: إرث من العصور الوسطى
منذ خمسين ألف عام ، كانت الرياضيات والفيزياء تنتمي إلى قسم "الفن". لذلك ، كان كوبرنيكوس منشغلًا بميكانيكا حركة الأجسام (بما في ذلك الأجسام السماوية) ، والبصريات ، والجاذبية. كان هو الذي أثبت وجود القصور الذاتي. من الاستنتاجاتنما هذا العالم الميكانيكا الحديثة ، ومفهوم تفاعلات الأجسام ، وعلم تبادل سرعات ملامسة الأشياء. طور كوبرنيكوس أيضًا نظامًا متناغمًا للبصريات الخطية.
قدم مفاهيم مثل:
- "انكسار الضوء" ؛
- "الانكسار" ؛
- "المحور البصري" ؛
- "انعكاس داخلي كامل" ؛
- "إضاءة".
وأثبت بحثه في النهاية طبيعة موجة الضوء وأدى إلى تجربة ليبيديف في قياس ضغط الفوتونات.
الخصائص الكمومية للضوء
بادئ ذي بدء ، يجدر تحديد جوهر الضوء والتحدث عما هو عليه. الفوتون هو كمية المجال الكهرومغناطيسي. إنها حزمة من الطاقة التي تتحرك عبر الفضاء ككل. لا يمكنك "قضم" القليل من الطاقة من الفوتون ، ولكن يمكن تحويلها. على سبيل المثال ، إذا تم امتصاص الضوء بواسطة مادة ما ، فإن طاقته داخل الجسم تكون قادرة على إجراء تغييرات وإصدار فوتون مرة أخرى بطاقة مختلفة. لكن رسميًا ، لن يكون هذا هو نفس كمية الضوء التي تم امتصاصها.
مثال على ذلك هو كرة معدنية صلبة. إذا تمزقت قطعة من المادة عن سطحها ، فإن الشكل سيتغير ، وسيتوقف عن أن يكون كرويًا. ولكن إذا قمت بإذابة الجسم بالكامل ، وأخذت بعض المعدن السائل ، ثم صنعت كرة أصغر من البقايا ، فستكون كرة مرة أخرى ، ولكنها مختلفة ، وليست كما كانت من قبل.
خصائص موجية للضوء
الفوتونات لها خصائص الموجة. المعلمات الأساسية هي:
- الطول الموجي (يميز الفضاء) ؛
- تردد (يميزالوقت) ؛
- السعة (يميز قوة التذبذب).
ومع ذلك ، بصفته كمًا للحقل الكهرومغناطيسي ، يكون للفوتون أيضًا اتجاه انتشار (يُشار إليه على أنه ناقل موجي). بالإضافة إلى ذلك ، فإن متجه السعة قادر على الدوران حول متجه الموجة وإنشاء استقطاب الموجة. مع الانبعاث المتزامن لعدة فوتونات ، تصبح المرحلة ، أو بالأحرى فرق الطور ، عاملاً مهمًا أيضًا. تذكر أن المرحلة هي ذلك الجزء من التذبذب الذي تمتلكه مقدمة الموجة في لحظة معينة من الزمن (الارتفاع ، الحد الأقصى ، الهبوط أو الحد الأدنى).
الكتلة والطاقة
كما أثبت أينشتاين بذكاء ، الكتلة هي طاقة. ولكن في كل حالة محددة ، قد يكون البحث عن قانون تتحول بموجبه قيمة إلى أخرى أمرًا صعبًا. ترتبط جميع خصائص موجات الضوء المذكورة أعلاه ارتباطًا وثيقًا بالطاقة. وهي: زيادة الطول الموجي وخفض التردد يعني طاقة أقل. ولكن نظرًا لوجود طاقة ، فلا بد أن يكون للفوتون كتلة ، لذلك يجب أن يكون هناك ضغط خفيف.
هيكل الخبرة
ومع ذلك ، نظرًا لأن الفوتونات صغيرة جدًا ، يجب أن تكون كتلتها صغيرة أيضًا. كان بناء جهاز يمكنه تحديده بدقة كافية مهمة فنية صعبة. كان العالم الروسي ليبيديف بيتر نيكولايفيتش أول من تعامل معها.
استندت التجربة نفسها إلى تصميم الأوزان التي تحدد لحظة الالتواء. تم تعليق العارضة على خيط فضي. تعلق على نهاياتها لوحات رقيقة متطابقة من مختلفالمواد. في أغلب الأحيان ، تم استخدام المعادن (الفضة والذهب والنيكل) في تجربة ليبيديف ، ولكن كان هناك أيضًا الميكا. تم وضع الهيكل بأكمله في وعاء زجاجي ، حيث تم إنشاء فراغ. بعد ذلك ، أضاءت إحدى الصفيحتين ، وظلت الأخرى في الظل. أثبتت تجربة ليبيديف أن إضاءة جانب واحد تؤدي إلى حقيقة أن المقاييس تبدأ في الدوران. وفقًا لزاوية الانحراف ، حكم العالم على قوة الضوء.
تجربة الصعوبات
في بداية القرن العشرين ، كان من الصعب إعداد تجربة دقيقة بما فيه الكفاية. عرف كل فيزيائي كيفية إنشاء فراغ ، والعمل مع الزجاج ، وتلميع الأسطح. في الواقع ، تم الحصول على المعرفة يدويًا. في ذلك الوقت ، لم تكن هناك شركات كبيرة تنتج المعدات اللازمة بمئات القطع. تم إنشاء جهاز ليبيديف يدويًا ، لذلك واجه العالم عددًا من الصعوبات.
الفراغ في ذلك الوقت لم يكن حتى متوسطًا. قام العالم بضخ الهواء من تحت غطاء زجاجي بمضخة خاصة. لكن التجربة تمت في أحسن الأحوال في جو مخلخل. كان من الصعب فصل ضغط الضوء (نقل النبضات) عن تسخين الجانب المضيء من الجهاز: كان العائق الرئيسي هو وجود الغاز. إذا تم إجراء التجربة في فراغ عميق ، فلن تكون هناك جزيئات تكون حركتها البراونية على الجانب المضيء أقوى.
تركت حساسية زاوية الانحراف الكثير مما هو مرغوب فيه. يمكن لأجهزة الاكتشاف اللولبية الحديثة قياس الزوايا حتى جزء من المليون من الراديان. في بداية القرن التاسع عشر ، كان يمكن رؤية الميزان بالعين المجردة. تقنيةلا يمكن أن يوفر الوقت نفس الوزن والحجم للوحات. وهذا بدوره جعل من المستحيل توزيع الكتلة بالتساوي ، مما خلق أيضًا صعوبات في تحديد عزم الدوران.
يؤثر العزل وهيكل الخيط بشكل كبير على النتيجة. إذا تم تسخين أحد طرفي القطعة المعدنية لسبب ما (وهذا ما يسمى بتدرج درجة الحرارة) ، فيمكن أن يبدأ السلك في الالتواء بدون ضغط خفيف. على الرغم من أن جهاز ليبيديف كان بسيطًا جدًا وقدم خطأً كبيرًا ، فقد تم تأكيد حقيقة انتقال الزخم بواسطة فوتونات الضوء.
شكل لوحات الإضاءة
سرد القسم السابق العديد من الصعوبات الفنية التي كانت موجودة في التجربة ، لكنها لم تؤثر على الشيء الرئيسي - الضوء. من الناحية النظرية البحتة ، نتخيل أن شعاعًا من الأشعة أحادية اللون يسقط على الصفيحة ، والتي تكون متوازية تمامًا مع بعضها البعض. لكن في بداية القرن العشرين ، كان مصدر الضوء هو الشمس والشموع والمصابيح المتوهجة البسيطة. لجعل شعاع الأشعة متوازيًا ، تم بناء أنظمة عدسة معقدة. وفي هذه الحالة كان منحنى شدة الإضاءة للمصدر هو العامل الأكثر أهمية.
كثيرا ما يقال في فصل الفيزياء أن الأشعة تأتي من نقطة واحدة. لكن مولدات الضوء الحقيقي لها أبعاد معينة. أيضًا ، يمكن أن يصدر منتصف الشعيرة عددًا من الفوتونات أكثر من الحواف. نتيجة لذلك ، يضيء المصباح بعض المناطق المحيطة به بشكل أفضل من غيرها. يسمى الخط الذي يدور حول المساحة بأكملها بنفس الإضاءة من مصدر معين بمنحنى شدة الإضاءة.
قمر الدم والكسوف الجزئي
روايات مصاصي الدماء مليئة بالتحولات الرهيبة التي تحدث للناس والطبيعة في قمر الدم. لكنه لا يقول إنه لا ينبغي الخوف من هذه الظاهرة. لأنها ناتجة عن كبر حجم الشمس. يبلغ قطر نجمنا المركزي 110 أقطارًا تقريبًا من الأرض. في الوقت نفسه ، تصل الفوتونات المنبعثة من أحدهما والحافة الأخرى للقرص المرئي إلى سطح الكوكب. وهكذا ، عندما يسقط القمر في ظل شبه الأرض ، فإنه لا يكون محجوبًا تمامًا ، ولكنه ، كما كان ، يتحول إلى اللون الأحمر. يقع اللوم أيضًا على الغلاف الجوي للكوكب في هذا الظل: فهو يمتص جميع الأطوال الموجية المرئية ، باستثناء تلك البرتقالية. تذكر أن الشمس تتحول أيضًا إلى اللون الأحمر عند غروب الشمس ، وكل ذلك على وجه التحديد لأنها تمر عبر طبقة سميكة من الغلاف الجوي.
كيف يتم إنشاء طبقة الأوزون على الأرض؟
قد يسأل القارئ الدقيق: "ما علاقة ضغط الضوء بتجارب ليبيديف؟" بالمناسبة ، فإن التأثير الكيميائي للضوء يرجع أيضًا إلى حقيقة أن الفوتون يحمل الزخم. وهي ظاهرة مسؤولة عن بعض طبقات الغلاف الجوي للكوكب.
كما تعلم ، يمتص محيطنا الجوي بشكل أساسي مكون الأشعة فوق البنفسجية لأشعة الشمس. علاوة على ذلك ، ستكون الحياة في شكل معروف مستحيلة إذا غُمر السطح الصخري للأرض بالأشعة فوق البنفسجية. ولكن على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر ، لم يكن الغلاف الجوي سميكًا بما يكفي لامتصاص كل شيء. وتتاح الفرصة للأشعة فوق البنفسجية للتفاعل مع الأكسجين بشكل مباشر. إنه يكسر الجزيئات O2إلىالذرات الحرة ويعزز دمجها في تعديل آخر - O3. هذا الغاز في شكله النقي مميت. هذا هو السبب في أنها تستخدم لتطهير الهواء والماء والملابس. لكن كجزء من الغلاف الجوي للأرض ، فهو يحمي جميع الكائنات الحية من تأثيرات الإشعاع الضار ، لأن طبقة الأوزون تمتص بشكل فعال كمات المجال الكهرومغناطيسي مع طاقات فوق الطيف المرئي.
