Историята на лазера
Science & Technology има за цел да ви отведе на пътешествие до супергероя, който се изгражда в Магуреле, с помощта на който ще бъдат изследвани дълбоките тайни на материята. Засега, за да се подготвите за пътуването си, ето историята на лазера.
Епизод 1
Съвсем случайно открих, че всякакви лудории започват да се прокрадват във виртуалното пространство на интернет по отношение на суперлазера, който ще бъде изграден в Магуреле. Давам ви заглавие от онлайн ежедневник: „Добрата новина: Румъния ще разполага с най-мощния лазер в света. Лошата новина: ядрените отпадъци ще бъдат изгорени с тях ".
Заглавието, дадено от журналисти, отеква, макар че в статията нещата (донякъде) са изяснени, в смисъл, че е цитиран г-н. Акад. Николае Замфир, директорът на IFIN Хория Хулбей, който показа, че това не е целта на супер лазера от Магуреле, а възможността за третиране на ядрени отпадъци с помощта на лазер все още е само научна хипотеза. Много публикации се появиха в блогове, специализирани в теоретиците на конспирацията, предупреждавайки, че „ще станем европейско депо за ядрени отпадъци“.
Не мисля, че разпространението на подобни пакости може да бъде пренебрегнато. Изправени сме пред сериозен проблем, който трябва да бъде решен чрез правилно информиране на широката общественост. Ще бъде жалко за страхотния изследователски инструмент, който сега се изгражда в Магуреле, за да придобие аурата на европейски заговор срещу Румъния.
Преди да продължа по-нататък, трябва да ви разкажа историята на откриването на явление, за което още не сме говорили. Имаме нужда от интермецо. Трябва да се върнем назад във времето.
Първите въпросителни
През 1669 г. датчанинът Еразъм Бартолин откри странно явление. Той забеляза, че гледайки линия през калцитов кристал (зад Исландия), той я видя удвоена. Бартолин също даде обяснение за това странно явление. В студените скандинавски страни светлината, вместо да отслабва, получава допълнителна енергия. Всъщност той беше открил явлението двойно пречупване (или двойно пречупване), което се проявява в случая на определени кристали.
Хюйгенс ще предложи обяснение на това явление, като приеме, че в кристала се появяват първична, сферична вълна и вторична, елипсоидна вълна. Обяснението е по-малко важно, важно е нещо друго, експеримент, който той обяви през 1690 г. Той откри, че ако постави втори кристал над първия и го завърти леко, в определени позиции, изображението изчезва напълно.
През 1808 г. французинът Етиен Луис Малус от своя страна направи важна констатация. Той открива, че когато слънчевата светлина, отразена от огледало, преминава през шпатула в Исландия, относителната яркост на двете получени изображения варира, когато кристалът се завърти около оста, представена от отразения светлинен лъч.
Малус обяснява това явление с хипотеза: светлинните корпускули се подравняват след отражение по начин, подобен на този, при който магнитните тела са подравнени от полюсите на магнит. Поради тази причина той въвежда термина "поляризация" на светлината.
Френел също изучава отблизо явлението поляризация и след експерименти заключава, че светлината е напречна вълна, т.е. трептенията на светлинните вълни са перпендикулярни на посоката на разпространение. Той стигна до това заключение, след като установи, че два лъча поляризирана светлина не се намесват в определени ситуации.
Това явление може да бъде обяснено само по един начин: светлината е напречна вълна и когато техните равнини на поляризация са перпендикулярни, между двата лъча не възниква интерференция.
Сега, след това интермецо, време е да извадим сцена на сцената
Майкъл Фарадей, самоукият гений
Фарадей няма университетско образование, вместо това изпитва страст към знания, удвоена с изключителна строгост. Той не владееше математика, вместо това знаеше как да извършва експерименти като никой друг.
Между другото, мога да ви кажа, че Фарадей, когато е бил чирак на книговезател, е открил книга „Разговори по химия“ от Джейн Марсет. По това време той беше само на 15 години и тази книга за популяризиране на химията, написана с голямо умение, под формата на диалог, съдържаше и редица експерименти, които можеха да се правят у дома. Младият Фарадей го прочете със страст и направи повечето експерименти в него.
Вторият решаващ момент за бъдещия учен настъпва през 1812 г., когато той получава входен билет за популяризационните конференции, провеждани от великия химик сър Хъмфри Дейви. Фарадей беше изключително впечатлен и му изпрати писмо и книга от 300 страници въз основа на бележките, направени по време на тези конференции.
През същата година Дейви претърпява лабораторна катастрофа и е ранен в лявото си око. Нещастно събитие за великия химик, но възможност за Фарадей, който е призован да помогне на Дейви в лабораторията. И така започва страховитата кариера на самоук учен ...
Може да се каже много за великите открития на Фарадей във физиката и химията. За съжаление в момента нямаме достатъчно място.
За нашия предмет, този за светлината, определено постижение на самоукия учен е много по-важно. На 13 септември 1845 г. Фарадей ще открие ефекта, който сега носи неговото име. Този ден той отбеляза в тетрадката си подробностите от експеримент, при който лъч поляризирана светлина е преминал през парче „тежко стъкло“, съдържащо олово.
След това той използва електромагнит и установява, че когато посоката на линиите на магнитното поле е успоредна на посоката на поляризирания светлинен поток, се получава въртене на равнината на поляризация на светлината. Както отбеляза Фарадей, „магнитната сила и светлината са във връзка помежду си“. Находката е от голямо значение. Фарадей подходи към интерпретацията на светлината като електромагнитна вълна.
Но приносът на Фарадей не спира до тук. Той въвежда две изключително важни понятия: магнитното поле и линиите на магнитното поле. Той изобщо не ги е математизирал, не е имал необходимото обучение, но с тяхна помощ може да обясни редица явления в областта на електромагнетизма. Той си представяше силовите линии като излъчващи се от полюсите на магнит (магнитни силови линии) и които могат да бъдат визуализирани, например, с помощта на железни стружки.
През 1851 г. той прави още едно важно изявление:
Искам да стесня смисъла на термина силова линия, така че той да не означава нищо друго освен състоянието на сила в определена точка, като сила и посока, и да не включва (понастоящем) никаква представа за същността на физическата причина за явлението.
Понятията поле и полева линия са били приети по тяхно време с известно нежелание. Фарадей можеше да предложи само брилянтни експерименти, без да ги придружава с подходящия математически формализъм. За щастие имаше един човек, чистокръвен теоретик, който им обърна дължимото внимание.
Максуел и естетиката на математическите уравнения
Шотландецът Джеймс Клерк Максуел показа ранен талант за математика, особено геометрия. Като дете той открива правилните многогранници, преди да прочете за тях. Твърди се, че е бил интровертен, чувствителен човек, запален по четенето и рисуването. За съжаление той почина на едва 48-годишна възраст поради рак на дебелото черво.
Научните опасения на Максуел бяха много разнообразни. Той има решаващ принос в термодинамиката, теорията на цветовете, електромагнетизма и др. За нашата история ще насочим вниманието си към революцията, която тя предизвика в областта на електромагнетизма.
През 1855 г. Максуел публикува първата си работа за електромагнетизма. За разлика от много от другите си другари, той анализира математически концепциите на Фарадей и работата му се нарича На Фарадееви линии на сили. Започвайки от тях, Максуел въвежда аналогии в областта на механиката на несвиваемата течност и успява да опише законите на електромагнетизма в математическа форма и показва как електричеството и магнетизмът са свързани помежду си. По принцип тя обединява електричеството и магнетизма.
През 1861 г. той разширява математическия формализъм и идва да опише, чрез система от 20 диференциални уравнения с 20 променливи, всички явления, известни по това време, в областта на електромагнетизма. Това е само началото. Засега има твърде много уравнения и следователно няма елегантност. Те изобщо не са красиви.
През 1873 г. той успява да направи крачка напред. В "Трактат за електричеството и магнетизма" той намалява броя на тези уравнения от 20 на само 12. Дванадесет уравнения, събрали цяла област на физиката! (По-късно, през 1893 г., британският математик и физик Оливър Хевисайд успя да ги преобразува в набор от само четири диференциални уравнения, които представляват формата, в която се използват днес)
В същата работа Максвел отдава красива почит на Фарадей, който, въвеждайки понятията за поле и силови линии, предлага пластичен образ на явленията в магнетизма:
Докато напредвах в изучаването на Фарадей, успях да осъзная, че начинът му на зачеване на явленията също е математически, въпреки че той не ги представя в конвенционалната форма на математически символи. Разбрах, че тези идеи могат да бъдат изразени чрез общи математически формули и сравнени с тези, получени от професионални математици.
Например Фарадей видя силови линии, пресичащи цялото пространство, където математиците видяха силови центрове, действащи на разстояние; Фарадей въведе среда, в която взема предвид само разстоянието; Фарадей търсеше произхода на явленията в реални действия, които се случват в тази среда; [математиците] се задоволиха да намерят свойството за отдалечено действие, приписвано на електрическите течности.
Когато преведох в математическа форма това, което считам за идеи на Фарадей, установих, че като цяло резултатите, предлагани от двата метода, са съгласувани, в смисъл, че двата метода отчитат едни и същи явления и водят до едни и същи закони, но Методът на Фарадей започва от общото събрание, за да стигне до компонентите чрез анализ, докато обичайните математически методи започват от компонентите, за да издигнат цялото съоръжение чрез синтез.
Може би се чудите защо посветих толкова много място на Максуел. В края на краищата той се занимава с електромагнетизъм, а не със светлина. Е, причината е проста и очевидна. Две от уравненията на Максуел доказват, че светлината е електромагнитна вълна.
Това е уравнението, наречено още закон на Фарадей, което описва как променливо магнитно поле индуцира електрическо поле, и това, наречено "Закон на Ампера с корекция на Максуел", което показва, че магнитно поле може да се генерира по два начина: от електрически ток (това е началната форма на "Закона на Ампера") и чрез промяна на електрическото поле.
Ако мога да бъда по-малко точен, бих обобщил тези два закона по следния начин: променливо магнитно поле индуцира променливо електрическо поле и, обратно, променливо електрическо поле индуцира променливо магнитно поле. Без да навлизаме в математически подробности, добре е да знаем, че чрез комбиниране на двата закона, представени по-горе в конкретния случай на вакуум, получаваме уравнението на електромагнитната вълна.
Всъщност, няколко години по-рано, през 1864 г., в „Динамична теория на електромагнитното поле“ Максуел заявява:
Резултатите изглежда показват, че светлината и магнетизмът са явления от едно и също естество, в смисъл, че светлината е електромагнитно смущение, което се разпространява съгласно законите на електромагнетизма.
От Максуел нататък имаме представителството, което се превърна в класика и се представя в училище. Електромагнитната вълна е съставена от магнитна вълна, която се свързва с електрическа, а равнините на трептене на двете вълни са перпендикулярни една на друга.
Надявам се, че не ви отегчих с тази математическа глава. Не можах да го избегна, защото моментът на Максуел е основен в историята на светлината. Ако ми позволите, бих завършил тази глава, като казах, че Максуел запали светлината.
Интермецо
Сега нещата изглеждаха ясни. Светлината е електромагнитна вълна и ние имаме изключително математическо описание за нея. Няма да навлизам в повече подробности, ще пропусна по-малко важни етапи за нашата история. Към края на 19 век резултатите, получени във всички области на физиката, бяха наистина изумителни. Изглеждаше, че по отношение на фундаменталните понятия физиката е (почти) завършена наука. Имаше само няколко въпроса, които трябваше да бъдат изяснени.
Едно от тях беше свързано със светлинния етер, еластичната среда, през която светлината трябваше да се разпространява. Решаващ експеримент, проведен от Майкълсън и Морли през 1881 г., който се опита да определи относителната скорост на Земята спрямо този "светещ етер", не успя да донесе очакваното потвърждение. Въпреки че е повторен през 1887 г., с по-точни инструменти, експериментът продължава да дава отрицателни резултати. Този неочакван резултат проправи пътя за теорията на относителността. Но това е друга история.
За нашата история вторият проблем е по-важен, който беше свързан със радиационния спектър на черното тяло. Това беше сериозен проблем, който не можеше да бъде решен чрез прилагане на класическите принципи на физиката.
Първо, нека видим какво е черно тяло. Физиците оперират с тази концепция, която е идеален обект, който абсорбира напълно падащото електромагнитно излъчване, независимо от дължината на вълната. Черното тяло излъчва електромагнитно излъчване със спектрално разпределение, което зависи само от неговата температура.
В природата няма такъв идеален обект, но човек може да конструира такъв, който да приближава много добре поведението на черното тяло. Представете си кухина, която има само малка дупка, през която електромагнитното излъчване може да излезе отвътре. Когато вътрешността му е в топлинно равновесие, през дупката, която споменах по-рано, се излъчва електромагнитно излъчване, което много добре се приближава до тези, излъчвани от идеално черно тяло.
Спектралното разпределение на тези електромагнитни лъчения, излъчвани през отвора на нашата кухина, не зависи от формата на кухината или коефициента на отражение на нейните стени, а само от температурата вътре в нея, когато е установено топлинното равновесие.
Черното тяло създава сериозни проблеми пред физиците, тъй като няма строго математическо представяне на спектралното разпределение на излъченото от него лъчение. Около 1890 г. германският физик Вилхелм Виен получава математическа връзка, която ще се нарича закон на Виен, за да опише поведението на черното тяло, но тя има два основни недостатъка.
Първо, законът на Wien няма солидна теоретична основа, а по-скоро емпирична връзка, получена на базата на измервания. Вторият проблем беше още по-сериозен. Формулата на Wien предоставя коректни резултати за високите честоти на електромагнитния спектър и значително се отклонява от експерименталните данни в нискочестотната област.
През 1900 г. лорд Рейлей, изхождайки от теоретични съображения, свързани с класическата механика по това време, разработва на свой ред математическа връзка за спектралното разпределение на електромагнитното излъчване, излъчвано от черното тяло, в зависимост от температурата. Пет години по-късно сър Джеймс Джийнс прави корекция на тази връзка, която ще се нарече Законът на Рейлъг-Джинс.
Всички добри и красиви, математическата връзка е била строго изведена теоретично и нещата може да изглеждат много ясни. Но ... въпреки че даде коректни резултати за високочестотната област, тя се отдалечи експоненциално от измерванията, тъй като честотите на електромагнитните вълни намаляваха.
Моля, обърнете внимание: законът на Raylegh-Jeans прилага блестящо принципите на класическата механика. Фактът, че не може да обясни спектралното разпределение на лъчението на черното тяло за всички дължини на вълните, е много сериозен проблем. Нещо трябваше да се промени някъде. Промяната беше направена почти против волята му от Макс Планк. И тази промяна доведе до раждането на квантовата механика. Но ще ви разкажа за това в следващия епизод.