Фізика для поетів: ч.1 Механіка - Навчальний посібник (Р. Марч)
Як томас юнг довів, що світло є хвилею
Томас Юнг, чиї роботи стали остаточним "ударом милосердя [55]" по точці зору Ньютона, був людиною різнобічних талантів. У зеніті своєї наукової кар'єри він залишив посаду професора натурфілософії Лондонського Королівського інституту, щоб продовжити медичну практику [56]. У пізній період свого життя Юнг захоплено займався розшифровкою давньоєгипетських ієрогліфів в текстах на Розеттському камені [57].
Експеримент, який вибрав Юнг, був пов'язаний з інтерференцією світла на двох щілинах. Найпростіше пояснити суть досвіду Юнга на малюнку, який нагадає нам розглянутий вище приклад "отвір в хвилерізі" (див. Рис. 7-8). Тільки на цей раз уявімо хвилеріз з двома маленькими зазорами, розташованими неподалік один від одного. Плоскі хвилі, вдаряються об хвилеріз, створять в цьому випадку два синхронізованих (когерентних) джерела круглої ряби. Хвилі від цих джерел накладуться [58] один на одного, як і показано на рис. 7-10.
У точці берега, яка лежить строго напроти центру перемички, що розділяє зазори, гребінь однієї хвилі завжди зустрічається з гребенем інший, тому що ця точка рівновіддалена від обох зазорів хвилерізи. Хвилі від кожного зазору прибувають в цю точку одночасно, і інтерференція тут носить конструктивний характер - утворюється хвиля подвоєною амплітуди (висоти), тобто спостерігається інтерференційний максимум. Якщо ми зрушимо вздовж берега від цієї точки, то синхронізація хвиль буде порушена, оскільки ми будемо знаходитися ближче до одного зазору, ніж до іншого. Рухаючись уздовж берега, ми неминуче потрапимо в точку, де гребені хвиль від одного зазору зустрічаються зі западинами в хвилях від іншого. Тут інтерференція носить деконструктивний (руйнівний) характер - результуючі хвилі виходять невеликими або відсутні взагалі, тобто спостерігається інтерференційний мінімум. Рухаючись в тому ж напрямку, ми досягнемо точки, де хвиля від ближчого проміжку зустрічає попередню хвилю від більш далекого. Тут знову інтерференція конструктивна, і хвилі знову високі. Якщо ми продовжимо рух по березі, то знову досягнемо точки деконструктивного інтерференції, і так далі. Правило дуже просте: якщо різниця відстаней від джерел хвиль до точки спостереження становить ціле число довжин хвиль, то інтерференція конструктивна. Якщо ж ця різниця дорівнює напівцілому (тобто 1/2, 3/2, 5/2, 7/2 і т. Д.) Числу довжин хвиль, то інтерференція деконструктивного.
Повернемося тепер до досвіду Юнга: замінимо хвилеріз непрозорим екраном, а зазори в ньому - вузькими розрізами (щілинами) в ньому. На аркуші паперу [59], розташованому досить далеко від щілин, можна буде побачити картину чергуються яскравих і темних смуг, паралельних щілинах [60] (див. Рис. 7-11). Найяскравіша смуга знаходиться в центрі картини і з кожного боку її обмежують темні смуги. Якщо виміряти відстань між смугами, то нескладні геометрії-етичні розрахунки дозволять обчислити довжину світлової хвилі. Величина виявляється фантастично малої. довжини світлових хвиль лежать в діапазоні від 0.00007 см (червоне світло) до 0.00004 см (синє світло) [61]. Щоб спостерігати інтерференційну картину щілини в непрозорому екрані повинні бути дуже вузькими і дуже близькими один до одного, а екран для спостереження повинен бути розташований далеко від розрізів [62].
Який хвилею є світло
Експеримент Юнга переконливо показав всім, хто сумнівається, що світло дійсно має хвильову природу. Але залишався: питання: що це за хвиля? Який природи ця хвиля? Максвелл, [63], який першим усвідомив спорідненість між електромагнетизмом і світлом, дав відповідь на це питання.
Картина електромагнітної хвилі, яку запропонував Maксвелл, показана на ріс.7-12. Вона спирається на два факти, виявлених Фарадеем [64]: 1) - при зміні електричного поля виникає магнітне поле, і 2) -вознікшее магнітне поле, перпендикулярно електричному. Зв'язок між електричним і магнітним полями є взаємною: змінюється магнітне поле теж створює перпендикулярний собі електричне поле.
Навіть не ставлячи собі питання, як така специфічна комбінація полів може виникнути, ясно, що картина, показана на рис. 7-12, нескінченна. Дійсно, змінюється електричне поле створює магнітне поле, яке, так як воно теж змінюється, створює електричне поле. Процес триває як завгодно довго і, в результаті, електромагнітна хвиля переміщається в напрямку, перпендикулярному напрямку обох полів.
Повернемося тепер до питання-як виникає та специфічна комбінація полів, що зображена на рис. 7-11. Це цілком очевидно з законів електрики і магнетизму. Припустимо, що електричний заряд здійснює деякий регулярне, що повторюється, рух. Це може бути і рухом по колу, і простими, "тому - вперед", коливаннями заряду поблизу положення рівноваги. У будь-якому випадку навколо заряду виникає і електричне та магнітне поле, оскільки заряд знаходиться в русі. Обидва поля постійно змінюються, тому що постійно змінюється положення заряду в просторі, а напруженість поля ( "сила поля") залежить від відстані. Таким чином, будь-який об'єкт, який випромінює світло, повинен містити дуже швидко коливаються електричні заряди, так як частоти світлових хвиль лежать в діапазоні 1014 Гц, тобто 100 трильйонів коливань в секунду!
Герц створював могутні електричні коливання в електричному ланцюзі (контурі). В іншому контурі, що знаходиться в тій же лабораторії на відстані декількох метрів, і не має ніяких джерел електрики виникали електричні коливання тієї ж самої частоти. Частоти коливань легко могли бути виміряні; а нескладні інтерференційні експерименти дозволили визначити довжину хвилі. Обчислена за формулою (7.1) швидкість поширення електромагнітних хвиль збіглася зі швидкістю світла! Після експериментів Герца мало хто міг сумніватися, в тому, що Максвелл мав рацію. "Хвилі Герца" [65], стали в XX столітті основою сучасних радіо- і теле- комунікацій.
Незабаром після робіт Герца було виявлено рентгенівське випромінювання [66]. Було доведено, що це теж електромагнітні хвилі, але з частотами, приблизно в тисячу разів бóбільшим, ніж у видимого світла. Пізніше було відкрито і # 947; - випромінювання, що випускається радіоактивними речовинами. Знову виявилося, що це теж електромагнітні хвилі, але з ще бóбільшим (ще в тисячу разів!) частотами.
У сучасній техніці і технології використовуються електромагнітні хвилі практично всіх частот. Максвеллівська теорія електромагнетизму є. мабуть, самим разючим прикладом того, як "чиста" наукова теорія призводить до практичних результатів, на які, дослідники, можливо, так би ніколи і не натрапили. в своїх випадкових пошуках.
| Зміст |