О чем рассказывает свет
Шрифт:
Превращение света в вещество
Исследование условий, при которых возникает свет в недрах вещества, углубило наши познания структуры атома, его составных частей — электронов, протонов, нейтронов, — так называемых элементарных частиц. Оно ввело физиков в мир малого — микромир — с его специфическими законами, в свете которых законы мира больших тел — макромира — оказались лишь приближенными. В микромире были открыты многие новые элементарные частицы.
Уже один тот факт, что свет рождается в недрах вещества, что фотоны появляются в результате каких-то пертурбаций, протекающих в недрах атома, говорит о том, что свет и вещество не внешне, а генетически связаны друг с другом. Это нашло свое подтверждение.
Английский физик Поль Дирак (родился в 1902 году) около тридцати лет назад попытался охватить
Рис. 37. Рождение пары электрон-позитрон из светового гамма-кванта. В магнитном поле налево (наверху) отклонен позитрон, направо — электрон
В свете прежних представлений, при которых вещество и свет противопоставлялись друг другу, как две чуждые по своей природе стихии (вещество — материя, свет — энергия), это требование теории казалось удивительным. Тем не менее соответствующие эксперименты были поставлены, и они действительно подтвердили, что гамма-кванты света в поле ядра превращаются в электрон и позитрон. Этот процесс превращения можно сфотографировать, если опыт производить в камере, в которой воздух пресыщен водяными парами, а вся камера помещена в сильное магнитное поле. Тогда возникшие электрон и позитрон будут разлетаться от точки своего рождения, загибаясь в разные стороны, поскольку у них противоположные заряды и они по-разному отклоняются магнитным полем. На своем пути они будут оставлять следы из осевших водяных паров. Эти-то следы и фотографируются.
На рис. 37 показана фотография, на которой видны следы электрона и позитрона, образовавшиеся в результате превращения гамма-кванта с длиной волны порядка одной десятитысячной ангстрема. Эта фотография получена в эксперименте русских ученых А. В. Трошева и И. М. Франка.
Возможен также и обратный процесс — превращения пары электрон-позитрон в кванты света, которое некоторые физики на Западе неправильно называют аннигиляцией, т. е. уничтожением материи.
Напротив. Факт взаимопревращений вещества и света показывает, что оба они являются не чем иным, как различными формами материи. Установление этого факта является высшим достижением современной физики. Технически этот факт еще не использован человеком. Но в будущем он, несомненно, откроет большие перспективы. Что касается принципиальной стороны дела, то и сейчас это открытие вооружает материалистов в борьбе за целостное материалистическое мировоззрение.
Модуляция света. Преобразование света
Об активном отношении человека к природе
Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в природе, без всякой попытки по-своему видоизменить (модулировать) характеризующие его величины (параметры), он сильно ограничил бы возможности использования законов природы для господства над ней. Его производительные силы, его техника оставались бы на низком уровне.
Кто в наше время может представить себе жизнь без радиосвязи, без телевидения? А ведь развитие радиотехники обязано тому, что человек не только открыл радиоизлучения, но и научился целенаправленно модулировать их амплитуды, частоты и другие параметры. Именно это позволило передавать по радио любые сигналы, музыку, пение и т. п.
В самом деле, про гармоническую волну с неизменными параметрами можно сказать, что она либо есть либо ее нет. С ее помощью можно передать азбуку Морзе — чередование коротких и длинных по времени импульсов, но, например, голос человека передать нельзя. Следует учесть, что природа звука и радиоизлучений различна, их отличает также и частота колебаний: для радиоизлучений она порядка сотен тысяч и миллионов циклов, а для звука — в тысячи и десятки тысяч раз меньше.
Но техническая мысль нашла возможным передавать по радио даже звуки, изображения и другие сигналы Достигается это посредством модуляции параметров радиоизлучений, в частности посредством
Рис. 38. Схема телефонной модуляции амплитуды радиоизлучения
Передача звука по радио
Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную катушку добавочный контур с обычным угольным микрофоном (рис.38). Допустим, что перед микрофоном скрипач взял определенную ноту. Скрипичный звук, падая на мембрану микрофона М, будет через нее оказывать переменное давление на угольный порошок в телефонной капсуле. Электрическое сопротивление порошка будет меняться с той же частотой, что и частота скрипичного звука. Сила тока в первичной обмотке катушки ИК3 будет меняться с той же частотой. Природа колебаний изменилась (вместо звука — электроток), но частота колебаний сохранилась. Теперь на переменное напряжение на сетке С лампы будет накладываться через вторичную обмотку катушки ИК4 еще дополнительное напряжение, колеблющееся с частотой скрипичного звука.
В результате амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре КК, не останется постоянной. Она будет меняться по закону низкочастотного звукового колебания, наложенного дополнительно на сетку лампы. Так же будет колебаться и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.
Если мы изобразим эти колебания графически, то получим следующую картину (рис. 39). Здесь а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; амплитуда их неизменна; б — звуковое низкочастотное колебание, изображающее скрипичную ноту, преобразованное затем в дополнительное колебание напряжения на сетке лампы; в — модулированное радиоизлучение в контуре и антенне.
Радиоизлучение, будучи само высокочастотным, понесло теперь в пространство, благодаря модуляции амплитуды, также и низкочастотное колебание, соответствующее частоте скрипичной ноты, взятой перед микрофоном.
Рис. 39. Графическое изображение амплитуды радиоизлучений: а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; б — модулирующее звуковое колебание; в — модулированное радиоизлучение в антенне
Задача состоит теперь в том, чтобы в приемнике разделить эти две частоты, которые несут радиоволны, превратить частоту колебаний амплитуды в соответствующую частоту электротока, а эту последнюю — в звуковое колебание мембраны. Это разделение частот осуществляется опять-таки с помощью электронной лампы или же кристаллического детектора. Как это реализуется технически, мы не можем здесь описывать. Для нас важно лишь в принципе показать необходимость и возможность модуляции радиоизлучений для передачи по радио звуковой частоты и других сигналов.
Передавать сигналы по радио можно посредством модуляции не только амплитуды, но и частоты, а также фазы.
Естественные преобразователи света
Большую роль в технике играет преобразование света одной частоты в свет другой частоты. Мы рассмотрим сначала случаи, в которых преобразователями света выступает сама природа.
Мы уже рассказывали, что некоторые вещества можно заставить светиться, возбуждая их атомы нагреванием или обстреливая их из электронной пушки. Но оказывается, что и сам свет может возбуждать атомы и молекулы у ряда веществ. Так, под влиянием падающего невидимого света светятся молекулы бензола, антрацена и составных веществ, в которые они входят. Светятся также и многие красители. Существует целый класс твердых веществ, светящихся под действием невидимого света. Их называют фосфорами. Например, одним из таких фосфоров является вещество, состоящее из сернистого цинка с примесью незначительных количеств солей меди.