História laseru
Cieľom vedy a techniky je dostať sa na cestu k superhrdinovi, ktorý sa stavia v Magurele, s pomocou ktorého budú preskúmané hlboké tajomstvá hmoty. Zatiaľ sa pripravujeme na cestu, tu je história laseru.
Epizóda 1
Úplnou náhodou som zistil, že do virtuálneho priestoru internetu sa začínajú vkrádať všelijaké huncútstva s odkazom na superlaser, ktorý bude postavený v Măgurele. Dávam vám nadpis z online denníka: „Dobrá správa: Rumunsko bude mať najvýkonnejší laser na svete. Zlá správa: s ním sa bude spaľovať jadrový odpad “.
Názov, ktorý dali novinári, sa ozýval, aj keď v článku sú veci (trochu) objasnené, v tom zmysle, že je citovaný p. Acad. Nicolae Zamfir, riaditeľ IFIN Horia Hulbei, ktorý ukázal, že to nie je účelom super laseru od Măgurele, a možnosť spracovania jadrového odpadu pomocou laseru je stále iba vedeckou hypotézou. Na blogoch špecializovaných na konšpiračných teoretikov sa objavilo veľa príspevkov s varovaním, že „sa staneme európskou skládkou“ jadrového odpadu.
Nemyslím si, že šírenie takýchto nezbedností možno zanedbať. Stretávame sa s vážnym problémom, ktorý je potrebné vyriešiť správnym informovaním širokej verejnosti. Bola by škoda impozantný výskumný nástroj, ktorý sa teraz buduje v Măgurele, aby získal auru európskeho sprisahania proti Rumunsku.
Skôr ako pôjdem ďalej, musím vám povedať príbeh objavu javu, o ktorom sme ešte nehovorili. Potrebujeme intermezzo. Musíme sa vrátiť v čase.
Prvé otázniky
V roku 1669 objavil Dán Erazmus Bartholin zvláštny úkaz. Všimol si, že pri pohľade na čiaru cez kalcitový kryštál (za Islandom) videl, že sa zdvojnásobil. Bartholin tiež vysvetlil tento zvláštny jav. V chladných severských krajinách svetlo namiesto slabnutia prijíma ďalšiu energiu. V skutočnosti objavil fenomén dvojlomu (alebo dvojitého lomu), ktorý sa prejavuje v prípade určitých kryštálov.
Huygens by navrhol vysvetlenie tohto javu za predpokladu, že sa v kryštáli objaví primárna sférická vlna a sekundárna elipsoidná vlna. Vysvetlenie je menej dôležité, dôležité je niečo iné, experiment, ktorý ohlásil v roku 1690. Zistil, že ak umiestni druhý kryštál nad prvý a mierne ho otočí, v určitých polohách obraz úplne zmizne.
V roku 1808 urobil Francúz Étienne Louis Malus dôležité zistenie. Zistil, že keď slnečné svetlo odrazené zrkadlom prechádza cez špachtľu na Islande, relatívna jasnosť dvoch získaných obrazov sa mení, keď sa kryštál otáča okolo osi predstavovanej lúčom odrazeného svetla.
Malus vysvetľuje tento jav hypotézou: svetelné telieska sa po odraze zarovnávajú podobným spôsobom, akým sú magnetické telá zarovnávané pólmi magnetu. Z tohto dôvodu zavádza pojem „polarizácia“ svetla.
Fresnel tiež podrobne skúma fenomén polarizácie a po experimentoch dospieva k záveru, že svetlo je priečna vlna, tj. Oscilácie svetelných vĺn sú kolmé na smer šírenia. K tomuto záveru dospel po zistení, že dva lúče polarizovaného svetla v určitých situáciách neprekážajú.
Tento jav sa dal vysvetliť iba jedným spôsobom: svetlo je priečna vlna a keď sú ich polarizačné roviny kolmé, nedochádza k interferencii medzi týmito dvoma lúčmi.
Teraz, po tomto intermezze, je čas priniesť scénu
Michael Faraday, génius samouk
Faraday nemal žiadne vysokoškolské štúdium, namiesto toho mal vášeň pre vedomosti, ktorú zdvojnásobila extrémna dôslednosť. Nezvládol matematiku, namiesto toho vedel experimentovať ako nikto iný.
Mimochodom, môžem vám povedať, že Faraday, keď bol učňom kníhviazača, objavil knihu Jane Marcetovej s názvom Conversations on Chemistry. V tom čase mal iba 15 rokov a táto kniha o popularizácii chémie, napísaná s veľkou zručnosťou, vo forme dialógu, obsahovala aj množstvo experimentov, ktoré sa dali robiť doma. Mladý Faraday ho čítal s vášňou a robil v ňom väčšinu experimentov.
Druhý rozhodujúci okamih pre budúceho vedca nastal v roku 1812, keď dostal vstupenku na popularizačné konferencie, ktoré usporiadal veľký chemik Sir Humphrey Davy. Faraday bol veľmi ohromený a poslal mu list a 300-stranovú knihu na základe poznámok urobených počas týchto konferencií.
V tom istom roku má Davy laboratórnu nehodu a je zranený na ľavom oku. Nešťastná udalosť pre veľkého chemika, ale príležitosť pre Faradayho, ktorý je povolaný pomôcť Davymu v laboratóriu. A tak sa začína impozantná kariéra samouka-vedca ...
O Faradayových veľkých objavoch vo fyzike a chémii sa dá povedať veľa. Momentálne bohužiaľ nemáme dostatok priestoru.
Pre náš predmet svetla je oveľa dôležitejší istý úspech samouka. 13. septembra 1845 objavil Faraday efekt, ktorý teraz nesie jeho meno. V ten deň si vo svojom notebooku poznačil podrobnosti experimentu, pri ktorom lúč lúča polarizovaného svetla prešiel kusom „ťažkého skla“ s obsahom olova.
Potom použil elektromagnet a zistil, že keď je smer siločiar magnetického poľa rovnobežný so smerom toku polarizovaného svetla, došlo k rotácii roviny polarizácie svetla. Ako poznamenal Faraday, „magnetická sila a svetlo sú vo vzájomnom vzťahu“. Zistenie je veľmi dôležité. Faraday pristúpil k interpretácii svetla ako elektromagnetickej vlny.
Tu sa však príspevok Faradayovej nekončí. Predstavuje dva mimoriadne dôležité pojmy: magnetické pole a čiary magnetického poľa. Vôbec ich nematematizoval, nemal potrebné školenie, ale s ich pomocou mohol vysvetliť sériu javov v oblasti elektromagnetizmu. Predstavoval siločiary, ktoré vychádzajú z pólov magnetu (magnetické siločiary) a ktoré je možné vizualizovať napríklad pomocou železných pilín.
V roku 1851 robí ďalšie dôležité vyhlásenie:
Chcem zúžiť význam pojmu silová línia tak, aby nezahŕňala nič iné ako podmienku sily v určitom bode, ako je sila a smer, a neobsahovala (v súčasnosti) nijakú predstavu o povahe fyzikálnej príčiny javu.
Koncepty poľa a poľnej čiary boli vo svojej dobe prijaté s určitou nechuťou. Faraday mohol ponúknuť iba vynikajúce experimenty bez toho, aby ich sprevádzal správnym matematickým formalizmom. Našťastie tam bol muž, čistokrvný teoretik, ktorý im venoval náležitú pozornosť.
Maxwell a estetika matematických rovníc
Škót James Clerk Maxwell preukázal skorý talent pre matematiku, najmä geometriu. Ako dieťa objavil obyčajné mnohosteny skôr, ako si o nich prečítal. Hovorí sa o ňom, že to bol introvertný, citlivý muž, vášnivý pre čítanie a kreslenie. Bohužiaľ zomrel vo veku iba 48 rokov na rakovinu hrubého čreva.
Maxwellove vedecké obavy boli veľmi rôznorodé. Rozhodujúcim spôsobom prispel do termodynamiky, teórie farieb, elektromagnetizmu atď. Pre našu históriu obrátime našu pozornosť na revolúciu, ktorú vyvolala v oblasti elektromagnetizmu.
V roku 1855 vydal Maxwel svoju prvú prácu o elektromagnetizme. Na rozdiel od mnohých svojich ďalších kamarátov matematicky analyzuje Faradayove koncepty a jeho práca sa volá Na Faradayových silových líniách. Vychádzajúc z nich, Maxwell predstavuje analógie v oblasti mechaniky nestlačiteľných tekutín a dokáže popísať zákony elektromagnetizmu v matematickej forme a ukazuje, ako navzájom súvisia elektrina a magnetizmus. V zásade zjednocuje elektrinu a magnetizmus.
V roku 1861 rozšíril matematický formalizmus a pomocou systému 20 diferenciálnych rovníc s 20 premennými popísal všetky v tej dobe známe javy z oblasti elektromagnetizmu. Je to len začiatok. Nateraz je príliš veľa rovníc, a teda ani elegancie. Nie sú vôbec krásne.
V roku 1873 sa mu podarilo postúpiť o krok ďalej. V „Pojednaní o elektrine a magnetizme“ zníži počet týchto rovníc z 20 na iba 12. Dvanásť rovníc, ktoré spájali celé pole fyziky! (Neskôr, v roku 1893, sa britskému matematikovi a fyzikovi Oliverovi Heavisideovi podarilo skonvertovať ich do súboru iba štyroch diferenciálnych rovníc, ktoré predstavujú formu, v akej sa používajú dnes).
V rovnakom diele Maxwel vzdáva krásnu poctu Faradayovi, ktorý zavedením konceptov poľa a silových línií ponúkol plastický obraz javov v magnetizme:
Ako som postupoval v štúdiu Faradaya, uvedomil som si, že aj jeho spôsob koncipovania javov bol matematický, hoci ich neprezentoval konvenčnou formou matematických symbolov. Uvedomil som si, že tieto myšlienky je možné vyjadriť bežnými matematickými vzorcami a porovnať s tými, ktoré získali profesionálni matematici.
Napríklad Faraday videl silové čiary prechádzajúce celým priestorom, kde matematici videli centrá sily pôsobiace na diaľku; Faraday zaviedol prostredie, v ktorom zohľadňoval iba vzdialenosť; Faraday hľadal pôvod javov v skutočných činoch, ku ktorým dochádza v tomto prostredí; [matematici] boli spokojní s nájdením vlastnosti diaľkovej akcie pripisovanej elektrickým tekutinám.
Keď som preložil do matematickej formy to, čo považujem za Faradayove nápady, zistil som, že výsledky ponúkané týmito dvoma metódami sú vo všeobecnosti zhodné, v tom zmysle, že tieto dve metódy berú do úvahy rovnaké javy a vedú k rovnakým zákonom, ale Faradayova metóda začína na všeobecnom zhromaždení, aby sa k komponentom dospelo analýzou, zatiaľ čo obvyklé matematické metódy vychádzajú z komponentov, aby sa pomocou syntézy zvýšila celá budova.
Možno sa pýtate, prečo som venoval toľko priestoru Maxwellovi. Koniec koncov, má do činenia s elektromagnetizmom a nie so svetlom. Dôvod je jednoduchý a zrejmý. Dve z Maxwellových rovníc dokazujú, že svetlo je elektromagnetické vlnenie.
Je to rovnica nazývaná tiež Faradayov zákon, ktorá popisuje, ako premenné magnetické pole indukuje elektrické pole, a rovnica nazývaná „Ampérov zákon s Maxwellovou korekciou“, ktorá ukazuje, že magnetické pole je možné generovať dvoma spôsobmi: elektrickým prúdom (toto je počiatočná forma „Ampérovho zákona“) a zmenou elektrického poľa.
Ak môžem byť menej presný, zhrnul by som tieto dva zákony nasledovne: variabilné magnetické pole indukuje variabilné elektrické pole a naopak variabilné elektrické pole indukuje variabilné magnetické pole. Bez toho, aby sme zachádzali do matematických detailov, je dobré vedieť, že kombináciou dvoch vyššie uvedených zákonov v konkrétnom prípade vákua získame rovnicu elektromagnetického vlnenia.
V skutočnosti o niekoľko rokov skôr, v roku 1864, v „Dynamickej teórii elektromagnetického poľa“ Maxwell uviedol:
Zdá sa, že výsledky ukazujú, že svetlo a magnetizmus sú javmi rovnakej povahy v tom zmysle, že svetlo je elektromagnetické rušenie, ktoré sa šíri podľa zákonov elektromagnetizmu.
Od Maxwella máme reprezentáciu, ktorá sa stala klasikou a predstavuje sa v škole. Elektromagnetická vlna sa skladá z magnetickej vlny, ktorá sa spája s elektrickou, a oscilačné roviny týchto dvoch vĺn sú navzájom kolmé.
Dúfam, že som vás touto matematickou kapitolou nenudil. Nemohol som sa tomu vyhnúť, pretože Maxwellov okamih je v histórii svetla zásadný. Ak dovolíte, ukončil by som túto kapitolu tým, že Maxwell rozsvietil svetlo.
Intermezzo
Teraz sa veci zdali jasné. Svetlo je elektromagnetické vlnenie a máme o ňom mimoriadny matematický popis. Nebudem zachádzať do ďalších podrobností, preskočím menej významné míľniky našej histórie. Koncom 19. storočia boli výsledky dosiahnuté vo všetkých oblastiach fyziky skutočne úžasné. Zdalo sa, že z hľadiska základných pojmov bola fyzika (takmer) hotovou vedou. Bolo treba objasniť iba niekoľko otázok.
Jeden z nich súvisel so svetelným éterom, elastickým prostredím, cez ktoré sa malo šíriť svetlo. Zásadný experiment uskutočnený Michelsonom a Morleyom v roku 1881, ktorý sa pokúsil určiť relatívnu rýchlosť Zeme v porovnaní s týmto „svetelným éterom“, nepriniesol očakávané potvrdenie. Aj keď sa to opakovalo v roku 1887 s presnejšími prístrojmi, experiment naďalej priniesol negatívne výsledky. Tento neočakávaný výsledok pripravil pôdu pre teóriu relativity. Ale to je už iný príbeh.
Pre našu históriu je dôležitejší druhý problém, ktorý súvisel so spektrom žiarenia čierneho telesa. Bol to vážny problém, ktorý sa nedal vyriešiť uplatnením klasických fyzikálnych princípov.
Najskôr sa pozrime, čo je to čierne telo. Fyzici pracujú s týmto konceptom, ktorý je ideálnym objektom, ktorý úplne absorbuje dopadajúce elektromagnetické žiarenie bez ohľadu na vlnovú dĺžku. Čierne teleso emituje elektromagnetické žiarenie so spektrálnym rozdelením, ktoré závisí iba od jeho teploty.
V prírode neexistuje taký ideálny objekt, ale je možné zostaviť taký, ktorý veľmi dobre približuje správanie čierneho tela. Predstavte si dutinu, ktorá má iba malý otvor, cez ktorý môže z jej vnútra unikať elektromagnetické žiarenie. Keď je jeho vnútro v tepelnej rovnováhe, elektromagnetické žiarenie je emitované otvorom, ktorý som spomínal predtým, čo sa veľmi dobre približuje tým, ktoré vyžaruje ideálne čierne teleso.
Spektrálne rozloženie tohto elektromagnetického žiarenia emitovaného otvorom v našej dutine nezávisí od tvaru dutiny alebo od koeficientu odrazu jej stien, ale iba od teploty v nej, keď je stanovená tepelná rovnováha.
Čierne teleso predstavovalo pre fyzikov vážne problémy, pretože neexistovalo dôkladné matematické znázornenie spektrálneho rozloženia žiarenia, ktoré emitovalo. Okolo roku 1890 získal nemecký fyzik Wilhelm Wien matematický vzťah, ktorý sa bude nazývať Wienov zákon, a popísal tak správanie čierneho tela, malo však dva hlavné nedostatky.
Po prvé, Wienov zákon nemal pevný teoretický základ, ale skôr empirický vzťah získaný na základe meraní. Druhý problém bol ešte vážnejší. Wienov vzorec poskytoval správne výsledky pre vysoké frekvencie elektromagnetického spektra a výrazne sa odchyľoval od experimentálnych údajov v oblasti nízkych frekvencií.
V roku 1900 Lord Raylegh, vychádzajúc z teoretických úvah týkajúcich sa klasickej mechaniky času, vypracoval matematický vzťah pre spektrálne rozdelenie elektromagnetického žiarenia emitovaného čiernym telesom v závislosti od teploty. O päť rokov neskôr urobí sir James Jeans nápravu tohto vzťahu, ktorý sa bude volať Raylegh-Jeansov zákon.
Všetko dobré a krásne, matematický vzťah bol teoreticky dôsledne vyvodený a veci sa mohli javiť veľmi jasné. Ale ... hoci poskytoval správne výsledky pre vysokofrekvenčnú oblasť, pohyboval sa exponenciálne od meraní, pretože frekvencie elektromagnetických vĺn klesali.
Poznámka: Raylegh-Jeansov zákon bravúrne uplatňoval princípy klasickej mechaniky. Skutočnosť, že nedokázala vysvetliť spektrálne rozloženie žiarenia čierneho telesa pre všetky vlnové dĺžky, bola veľmi vážnym problémom. Niekde sa niečo muselo zmeniť. Zmenu urobil takmer proti svojej vôli Max Plank. A táto zmena viedla k zrodu kvantovej mechaniky. Ale o tom vám poviem v nasledujúcej epizóde.