Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Мои источники из социальных медиа полны обычных мелочей: утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детей и котов от друзей со всего мира…

Я регулярно пишу про исторические открытия в науке и часто бываю поражен, как мало существует фотографий великих ученых прошлого. Имеющиеся изображения обычно относятся к позднейшему периоду жизни, после того как ученый уже стал знаменитым, что до определенной степени искажает наше восприятие ученых. Фотографии Эйнштейна, сделанные в те времена, когда он уже совершал революцию в физике, показывают хорошо ухоженного молодого человека, что резко контрастирует с иконоподобными образами позднего периода, где он в помятой одежде и с дикой копной белых волос. Мало того, их мало, да еще и вопросы авторских прав осложняют дело, но даже в профессиональных архивах обычно имеется лишь пара дюжин фотографий великих физиков XX столетия.

Это ограниченное количество особенно поражает с точки зрения современности: в течение нескольких последних десятилетий цифровая фотография стала вездесущей, что привело к огромному росту количества запечатленных образов. Я давно интересовался фотографией, но стоимость пленки и ее обработки представляла достаточно препятствий для того, чтобы у меня было лишь несколько сотен фотографий до 2004 года, когда у меня впервые появилась цифровая камера.

С тех пор я сделал десятки тысяч цифровых фотографий, почти все из них я храню на жестком диске своего компьютера. Наверное, больше всего фотографий моих детей (которым будет десять и семь, когда выйдет эта книга), чем родителей за всю их жизнь, и это если считать только те, что я специально снимал своей камерой, а не телефоном.

Невероятная легкость цифровой фотографии, особенно благодаря распространению камер в мобильных телефонах, оказала революционное воздействие на повседневную жизнь. Сегодня есть компании с капиталом в миллиарды долларов, которые не делают ничего, только обрабатывают, хранят и предоставляют для общего просмотра фотографии, сделанные пользователями, и вокруг этой технологии выросло целое новое культурное явление – такое как «селфи». Легкость работы и доступность камер трансформировали все формы взаимодействия между людьми в целом и различными важными персоналиями. Раньше, в дни аналоговой пленки, события описывались бы, как «он сказал – она сказала», сегодня неизбежно будут пойманы на видео мобильным телефоном, с неизбежными и далекоидущими последствиями для общества.

Цифровые камеры совершили прорыв от редких и дорогих приборов к привычным, стали неотъемлемой частью повседневной жизни впечатляюще быстро, но наука, лежащая в основе этих приборов, остается недооцененной. Сенсор вашего телефона, который делает фото ваших детей, котов или завтрака, чтобы разместить в Твиттере, в основе своей базируется на квантовой механике, опираясь на корпускулярную природу света. Ирония в том, что в действительности открытие в физике, позволившее создать эту технологию, было лишь побочным продуктом экспериментов, с их помощью пытались доказать волновую природу света.

Эксперимент Герца[58]

Как было упомянуто в предыдущей главе, эксперименты Томаса Юнга и Франсуа Араго в начале 1800-х годов, демонстрирующие, что световые волны дают эффект интерференции, когда проходят вокруг препятствий, соответственно показали: свет ведет себя как волна. В середине того же века уравнения Максвелла ответили на вопрос «Что есть волна?», предсказывая существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

Одно из применений теории света как электромагнитных волн заключается в том, что возможно создать такие волны, используя электрические токи. В поздние 1880-е годы молодой немецкий физик Генрих Герц решил это сделать и подверг уравнения Максвелла непосредственной экспериментальной проверке. Ученый создал гениальный прибор, в котором были «искровые зазоры», пары металлических шариков, разделенных между собой несколькими миллиметрами воздушного зазора. Один искровой зазор был присоединен к антенне, подключенной к системе батареек, она подавала колебания высокого напряжения между шариками. Это создавало яркую искру в зазоре, по мере того как электрическое поле пробивало воздух между шариками, позволяя току течь с частотой, определяемой колебаниями напряжений, которые Герц выставлял соответственно своему выбору.

Когда электроны метались туда-сюда через зазор, согласно уравнениям Максвелла, их движение должно было генерировать электромагнитные волны, испускаемые из зазора и колеблющиеся на той же частоте.

Другой искровой зазор – шарик на любом из концов кольца из провода, расположенного на некотором расстоянии, – служил детектором. Приходившая к нему электромагнитная волна из излучателя-зазора создавала меньшее напряжение на детекторе и производила меньшую искру. Расстояние между шариками детектора можно было регулировать и настраивалось, пока приходящие волны были способны едва зажечь искру в зазоре. Более мощные приходящие волны создавали более высокое напряжение в детекторе, увеличивая расстояние, через которое могла пробить искра. Используя этот детектор, Герц был способен создать картину интенсивности создаваемых волн и показать, что результаты точно совпадали с предсказаниями Максвелла как для распространившихся волн, покидавших детектор, так и для стоячих, сформированных отражением начальных волн от металлического листа у дальней стены лекционного зала. Аппарат Герца генерировал волны на крайне низких частотах по сравнению с видимым светом, но он показал, что они распространяются с той же скоростью, подтвердив: свет – это электромагнитное явление.

Принцип прибора с искровыми зазорами, который использовал Герц. Высокое переменное напряжение создает искры через зазор в контуре из провода, генерируя электромагнитные волны на этой частоте. На зазоре детектора волна создает напряжение, которое может дать искру, если зазор мал или волна достаточно мощная. Размер самой большой искры, какая может проскочить через зазор, дает измерение размера волны.

Когда его спросили о значимости его экспериментов, Герц продемонстрировал деловую хватку великого физика, бодро ответив: «Вообще никакой пользы. Это просто эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав: действительно существуют эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем видеть невооруженным глазом, но они есть!» Однако, несколькими годами позже, те же принципы, что были использованы в эксперименте Герца с искровыми зазорами, были использованы для генерирования радиоволн у «беспроводного телеграфа», что затем привело к созданию радиовещания, телевидения и мобильных телефонов.

Эксперименты Герца требовали невероятной аккуратности и точности плюс исследования множества возможных не вполне ясных факторов. В ходе исследования ученый заметил, что размер зазора детектора для конкретной настройки был чуть больше, когда детектор и источник волн находятся на прямой в пределах видимости. Если он загораживал свет от начальной искры, попадавшей на детектор, то размер зазора, через который могла проскочить искра, уменьшался. Таким образом он обнаружил, что сейчас называется «фотоэлектрическим эффектом»: ультрафиолетовый свет, падающий на металлическую поверхность, производит в металле заряд. Этот заряд облегчает слабым приходящим волнам зажигание искры между шариками детектора.

Для Герца открытие