Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

Интерференция в эксперименте Юнга получается потому, что волнам света от каждой щели нужно различное количество времени, чтобы дойти до определенной точки на экране. В точке ровно по центру между двумя щелями обе волны идут одно и то же расстояние и таким образом приходят в фазе, образуя яркое пятно. В точке несколько слева от центра волны от щели с левой стороны проходят более короткий путь до экрана, чем волны от щели с правой стороны. Это дополнительное расстояние означает, что волны от правой щели чуть дольше колебались и пики правощелевых волн совпадают с долинами лево-щелевых, образуя темное пятно. Еще чуть дальше, и дополнительное расстояние позволяет волнам закончить колебание до полного цикла, накладывая пики волн от правой и левой щели друг на друга и создавая следующее яркое пятно.

Этот паттерн повторяется много раз, создавая ряд светлых и темных пятен. Расстояние между светлыми пятнами имеет простую зависимость от длины волны, обеспечивая удобный способ измерять длину волны видимого света. В современных единицах она варьируется от 400 нанометров для фиолетового цвета до примерно 700 нанометров[31] для глубоко красного цвета. Добавление дополнительных щелей будет делать яркие точки уже и более отчетливыми. К 1820-м годам Йозеф фон Фраунгофер[32] использовал «дифракционные решетки», основанные на интерференции света, для того, чтобы сделать первые достаточно точные измерения длин волн света, испускаемого Солнцем и другими звездами.

Эксперимент Юнга, опубликованный в 1807 году, вызвал сенсацию в кругах физиков, но многие ученые неохотно расставались с теорией света как частиц (корпускулярной теорией света). Когда французский физик Огюстен Жан Френель представил статью по волновой теории для конкурса по физике, один из несогласных, Симеон Дени Пуассон[33], указал, что интерференция волн, которую используют для объяснения эксперимента Юнга, должна предсказывать, что в центре тени от круглого предмета должно появляться светлое пятно. Такое светлое пятно в центре тени казалось совершенно абсурдной идеей, и Пуассон, таким образом, забраковал волновую модель света.

Интерференция световых волн в двухщелевом эксперименте. На полпути между щелями волны проходят в фазе и объединяются, образуя яркое пятно. Немного выше центра, волны от нижней щели проходят большее расстояние, и таким образом происходит дополнительное полуколебание (пунктирная линия), так что пики от нижней волны заполняют поля сверху, производя темное пятно. На еще большем расстоянии волны от нижней щели завершают полное дополнительное колебание (пунктирная линия), и волны снова находятся в фазе, создавая еще одно яркое пятно.

Франсуа Араго[34], один из судей на конкурсе, был заинтригован идеей Пуассона и начал тщательный экспериментальный поиск светлых пятен в центре теней. Наблюдение светлого пятна требовало особенной тщательности, но Араго был вполне готов к такой задаче и окончательно показал, что свет, проходя вокруг округлого предмета, действительно может интерферировать и создавать светлое пятно в центре тени. Это «пятно Араго», или «пятно Френеля»[35], было окончательным доказательством, чтобы убедить большинство физиков, что свет в действительности является волной.

Эксперимент Араго обеспечил успех волновой теории, но все-таки это оставалось загадкой до 1860-х годов, когда уравнения Максвелла объяснили свет как электромагнитную волну. В последние десятилетия 1800-х волновая теория была надежно обоснована, и физики стремились объяснить все взаимодействия между светом и материей в терминах электромагнитных волн.

Спектр теплового излучения для различных температур. Вертикальные линии обозначают ограничения по видимому спектру, показывая, как максимум движется от инфракрасного в видимый диапазон с повышением температуры.

При изучении волн есть два свойства, которые мы можем легко измерить: длина волны и ее частота. Длина волны есть расстояние между максимумами (гребнями) волн, если смотреть на моментальный снимок всего паттерна на каком-то участке. Частота – это время прохождения гребней, отмеченное в какой-то одной точке, через которую проходят волны. Поскольку свет распространяется с постоянной скоростью, частота и длина волны тесно связаны: волна перемещается вперед на одну длину волны за одно колебание. Более короткие волны повторяются чаще за один и тот же период, поэтому они имеют более высокую частоту. Физики могут обсуждать свет в двух режимах, переключаясь то в один, то в другой, – либо в терминах частоты, либо в терминах длины волны, в зависимости что будет наиболее удобным для решения конкретной задачи на данный момент. Мы тоже переключимся парочку раз на протяжении этой главы.

Определение «цвета» света, испускаемого горячим предметом, – вопрос измерения его спектра: интенсивности света, излучаемого на каждой частоте в широком диапазоне. Когда мы измерим этот спектр для света при определенной температуре, то обнаружим простую характерную форму, распределение меньшего количества света на более низких частотах, возрастание до максимума и затем резкое падение на высокочастотном конце. «Цвет» света определяется положением этого максимума – точной частотой, на какой излучение максимально, и зависит только от температуры, все вот так просто. По мере возрастания температуры частота, на которой количество излучаемого света достигает максимума, становится выше. При комнатной температуре пик интенсивности излучения находится далеко в инфракрасном диапазоне спектра, передвигаясь к красному отрезку видимого спектра, когда температура возрастает до «раскаленно-красной», и дальше к синему отрезку при дальнейшем повышении температуры.

Предмет, нагретый добела, имеет максимум спектра излучения, это будет соответствовать зеленому цвету[36], но он излучает достаточно много света по всему видимому диапазону спектра и таким образом свет кажется белым.[37] Если вы удвоите температуру (измеряя ее по шкале Кельвина, которая начинается с абсолютного нуля), частота для максимума также удвоится.

Спектр света от Солнца весьма напоминает спектр от горячего объекта, соответствуя температуре около 5600 К, при максимуме на частоте около 600 ТГц. В действительности именно так началось измерение температуры Солнца и других звезд. На другом конце температурного ряда находится микроволновое фоновое излучение космоса, так называемое реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Оно пронизывает Вселенную и имеет спектр, соответствующий предмету с температурой 2.7 К и максимумом излучения около 290 ГГц.

Тепло и энергия

В течение XIX века параллельно с развитием теорий электромагнетизма и волновой модели света были сделаны существенные шаги в физике термодинамики. Точно так же, как в начале века шли споры о двух моделях света – волновой и корпускулярной, первые десятилетия 1800-х были свидетелями споров по двум конкурирующим моделям тепла. Одна школа рассматривала тепло как физический объект сам по себе – «тонкая жидкость», называемая «теплородом[38]», которая перетекала от одного объекта к другому. Конкурирующая модель – «кинетическая