Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
Глава 12 Природа света
Что такое свет, этот прекрасный и стремительный переносчик информации, без которого мы не можем изучать ни глубины Вселенной, ни секреты микромира? Ньютон считал, что свет состоит из частиц, в то время как Гюйгенс представлял свет как волны в гипотетической среде — эфире. Томас Юнг разгадал эту загадку раз и навсегда; по крайней мере, так казалось.
Юнг начал свою карьеру в медицине, которую он изучал в Лондоне, Эдинбурге и Геттингене; в конце концов ученую степень он получил в Кембриджском университете. Но еще до окончания университета ему досталось наследство от двоюродного деда, и это обеспечило его существование до конца дней (рис. 12.1). Юнг стал практикующим врачом в Лондоне, но в то же время интересовался всем, что было связано со светом: зрением, происхождением радуги и т. п. Он проводил опыты по разделению луча света на две части, а затем собирал их опять в один луч.
Рис. 12.1. Томас Юнг (1773–1829) продемонстрировавший волновую природу света.
Что получается, когда сливаются два световых луча? Если свет состоит из частиц, то интенсивность света должна возрастать: свет + свет = больше света. Но если свет имеет волновую природу, то возможен и другой результат: свет + свет = тьма. Представьте себе волны на воде с выступами над поверхностью и впадинами под ней. Волны могут разрушать друг друга, если впадина одной волны попадает на некоторый участок поверхности в тот момент, когда туда же попадает выпуклость другой волны. Юнг наблюдал это явление, называемое интерференцией (рис. 12.2). Ясно, что интерференция указывает на волновую природу явления. Это опыт очень помог Юнгу измерить крошечное расстояние между соседними гребнями волны, то есть длину волны, света. Она заключена в пределах от 0,4 мкм (1 мкм = 0,001 мм) для фиолетового света до 0,7 мкм для красного света.
Рис. 12.2. Опыт Юнга по интерференции света. Свет попадает на экран через две вертикальные щели. Вместо двух ярких линий на экране получается несколько перемежающихся белых и черных полосок. На белой полоске волны, приходящие из разных щелей, усиливают друг друга. Разность пути лучей от щелей до места расположения светлой полосы равна либо нулю, либо целому числу длин волны, поэтому пики волн приходят одновременно. На темных полосках они гасят друг друга, так как разность путей равна половине длины волны. Поэтому пик одной волны совпадает с впадиной другой волны. Этот эксперимент доказал волновую природу света.
Если свет — волна, то что же колеблется? В нашем примере поверхность воды колебалась вверх и вниз, перпендикулярно направлению перемещения гребней и впадин, — это поперечная волна. Звуковая волна распространяется в воздухе как волна сжатия, перемещая молекулы туда-сюда вдоль направления движения; волна движется как при резком сжатии пружины с одного конца — это продольная волна. Юнг показал, что световые волны являются поперечными, как волны на поверхности воды. К такому же выводу независимо, но немного позже, пришел и Огюстен Жан Френель (1788–1827). Таким образом, свет — как любая поперечная волна — может быть поляризован (и это используется в солнечных очках фирмы Polaroid, что невозможно для волн сжатия. В качестве аргумента против волновой природы света ученые той эпохи указывали, что ничего не известно о той среде, в которой распространяются световые волны и которую Юнг и Френель называли эфиром.
Как заметил Ньютон, когда луч солнечного света, проникнув сквозь дырочку в оконных ставнях, далее проходит через призму, он расщепляется на все цвета радуги, которые создают видимость непрерывной полосы цветов — солнечного спектра (рис. 12.3). Как показано на рисунке, свет данного цвета невозможно еще сильнее расщепить второй призмой. Проделав этот опыт, Ньютон пришел к выводу, что белый свет — это смесь, состоящая из отдельных компонентов, каждый из которых имеет свой цвет.
Рис. 12.3. Ньютон разложил солнечный свет на цвета радуги, применяя призму, расположенную справа. Затем он использовал вторую призму, слева, чтобы доказать, что отдельные цвета невозможно разложить еще сильнее, и сделал вывод, что свет — это смесь, состоящая из разных компонентов (цветов). Иллюстрация из «Оптики» Ньютона.
При расщеплении призмой широкого солнечного луча разные цвета перекрываются, что делает спектр недостаточно четким. Чтобы избежать взаимного наложения цветов, уже упоминавшийся нами Йозеф Фраунгофер использовал точно изготовленную систему из очень узкой щели, линз и призмы (такой прибор сейчас называют спектроскопом). Изучая солнечный свет, Фраунгофер обнаружил, что в спектре Солнца отсутствуют некоторые цвета! На цветной полосе спектра отсутствующие цвета видны как темные линии — на этом месте, то есть на этой длине волны, в спектре Солнца нет изображения узкой входной щели.
Еще до Фраунгофера, в 1802 году, это явление обнаружил Уильям Волластон (1766–1828). Он наблюдал всего несколько линий и принял их как естественную границу между основными цветами. А Фраунгофер наблюдал и измерил около 600 темных линий; теперь их так и называют — фраунгоферовы линии. Он заметил также, что в искрах и пламени огня спектр некоторых элементов дает яркие линии, которые появляются на тех же местах, что и определенные темные линии в спектре Солнца. Например, натрий дает яркий желтый цвет на той же длине волны, что и темная фраунгоферова линия «D». Некоторые линии Фраунгофера показаны на рис. 12.4.
Рис. 12.4. Положения основных линий Фраунгофера в спектре Солнца. Заметим, что «А» и «В» никак не связаны с самим Солнцем, они обусловлены молекулами кислорода в атмосфере Земли. За единицу длины волн принят 1 нм = 10 – 9м.
Истинное значение открытий Фраунгофера не было оценено еще несколько десятилетий. Наконец примерно в 1860 году Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899) и Густав Роберт Кирхгоф продемонстрировали важность спектральных линий в химическом анализе. Кирхгоф учился в Кёнигсберге и в весьма юном возрасте, в 26 лет, получил должность профессора в университете г. Бреслау (ныне — Вроцлав). Там он познакомился с Бунзеном, и они стали друзьями. Когда Бунзен переехал в Гейдельберг, он смог найти там место и для Кирхгофа. В 1871 году Кирхгоф стал профессором теоретической физики в Берлине. Говорят, что Кирхгоф на своих лекциях скорее усыплял студентов, а не придавал им энтузиазма, но среди его студентов были и Генрих Герц, и Макс Планк, ставшие великими физиками (рис. 12.5).
Рис. 12.5. Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) отождествил темные линии в спектре Солнца со спектральными линиями земных химических элементов.
Долгое время Кирхгоф в сотрудничестве с Бунзеном проводил свои успешные исследования. Бунзен начал анализ химического состава образцов по цвету, который они придавали бесцветному огню его знаменитой горелки. Кирхгоф решил, что будет лучше использовать спектроскоп для более точного измерения длины волны (цвета). Когда это удалось осуществить, все линии Фраунгофера были отождествлены.
Оказалось, что характерный цвет пламени обусловлен яркими спектральными линиями разной длины волны у разных элементов. Каждый элемент имеет собственный характерный признак в виде спектральных линий, которые появляются, когда образец нагревается до такой температуры, чтобы он превратился в горячий газ. По спектральным линиям можно определить химический состав исследуемого образца. В письме, датированном 1859 годом, Бунзен писал: «Сейчас вместе с Кирхгофом мы проводим исследования, которые не дают нам уснуть. Кирхгоф сделал совершенно неожиданное открытие. Он нашел причину возникновения темных линий в спектре Солнца, и он способен воспроизвести эти линии… в непрерывном спектре пламени на тех же местах, что и линии Фраунгофера. Это открывает путь к определению химического состава Солнца и неподвижных звезд…».