4. Свет

Теперь мы перейдем к другому разделу физики - эффектам, связанным со светом.

Наш повседневный опыт сразу же указывает на две особенности света. Во-первых, свет распространяется прямолинейно, а во-вторых, скорость его рас-пространения чрезвычайно велика. Первое свойство следует из того факта, что мы не видим, что делается за углом. Второе же свойство основывается на следующем: свет распространяется так быстро, что мы не замечаем, требуется ли ему вообще для этого время. На этих двух свойствах и на связанных с ними законах отражения и преломления основывается наука, называемая геометрической оптикой. Несмотря на всю свою полезность, она во многих отношениях несовершенна и полностью оторвана от остальной физики. Физическая теория, связывающая свет с другими явлениями природы, сравнительно молодая и в основном заложена Максвеллом (Джеймс Кларк Максвелл (1831-1879), родом из Шотландии, один из величайших физиков. Знаменитые уравнения, носящие его имя, раскрыли электромагнитную природу света и позволили предсказать существование радиоволн. Часто говорят, что они выражают единственный закон физики, выдержавший все испытания при развитии научного мышления в XX в). Первый эксперимент, наглядно продемонстрировавший связь между светом и другими явлениями (в данном случае магнетизмом), принадлежит Фарадею (Майкл Фарадей (1791-1867) - великий английский физик-экспериментатор, открывший электромагнитную индукцию и заменивший представление о действии на расстоянии понятием "поля". Максвелл вывел свои уравнения, чтобы математически выразить открытые Фарадеем законы и введенные им понятия. Открытия Фарадея тем более замечательны, что он был самоучкой).

Фарадей и поляризация света

Свету можно придать свойство, называемое поляризацией. Нам незачем входить в подробности этого явления; скажем только, что поляризованный свет - это как бы "причесанный" свет. Проходя через определенные вещества, например сквозь некоторые кри-сталлы, свет становится таким, как будто его "причесали" в направлении, перпендикулярном направлению его распространения. Это направление "прически" называется плоскостью поляризации. Если повернуть кристалл, то плоскость поляризации пропущенного через него света также повернется. Плоскость поляризации обладает тем замечательным свойством, что свет, который мы поляризовали, в дальнейшем ее уже не меняет. Например, такой свет уже не сможет пройти сквозь подобный кристалл, повернутый на 90° по отношению к первому кристаллу, просто потому, что он "причесан" не в том направлении, чтобы его пропустил второй кристалл. Фарадей обнаружил, что хотя плоскость поляризации света и не изменяется при отражении от обычного зеркала или поверхности металла, но она поворачивается, когда мы отражаем свет от поверхности сильного магнита (рис. 5). Таким образом, Фарадей доказал, что существует связь между магнитными силами и светом, и подготовил тем самым почву для последующих работ Максвелла, открывшего электромагнитную природу света.

Рис. 5. Когда электомагнит выключен, исследование с помощью анализатора света, отраженного от металла на полюсе магнита, не обнаруживает изменения поляризации. Если же включить электромагнит, то анализатор перестает пропускать свет, потому что плоскость поляризации изменилась

Максвелл и электромагнитная теория света

Максвелл пришел к замечательному выводу, что изменения так называемого электромагнитного поля распространяются с определенной скоростью, а лабораторные опыты над электромагнитной индукцией показали, что эта скорость равна скорости света. Такое совпадение скорости, найденной из опытов над элек-тромагнитными явлениями в лаборатории, и совершенно независимо измеренной скорости света было мощным доводом в пользу электромагнитной теории света. Теория Максвелла привела к удивительному, выводу, что свет - это всего лишь частный случай таких движущихся изменений поля, которые всегда являются волновыми процессами. Иначе говоря, во всех этих случаях существуют период колебаний и длина волны, и вывод Максвелла состоял в том, что все эти возмущения должны распространяться со скоростью света независимо от их длины волны.

Так была подготовлена почва для открытия Герца (Генрих Герц (1857-1894) - немецкий физик, прославившийся своими опытами над электромагнитными волнами. Его перу принадлежат также первоклассные работы в других областях физики и прекрасная книга "Принципы механики"), показавшего, что при самых обычных электрических возмущениях, например при разряде, на некотором удалении возникает электрическое поле, которое подчиняется закону распространения, открыто-му Максвеллом. От этого открытия оставался всего один шаг до приема и передачи радиоволн со всем огромным разнообразием их длин волн - от очень длинных, используемых для радиопередач, и до коротких, применяемых в телевидении и радиолокации. Таким образом, электрические устройства можно применить для передачи и приема радиоволн с длиной волны от нескольких миллиметров до нескольких метров, используемых в телевидении, и далее до волн длиной во много километров, применяемых для радиопередач. Каждой длине волны соответствует определенная частота, т. е. число колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах (гц), тысячах герц (килогерцах) и миллионах герц (мегагерцах). Для возбуждения и приема еще более коротких волн, чем самые короткие радиоволны, применяются уже пе электрические приборы, а устройства, использующие возбуждение атомов или молекул, и, наконец, для получения самых коротких волн возбуждаются атомные ядра.

В сетчатке наших глаз содержатся вещества, атомы которых реагируют на определенный диапазон длин волн (середина этого диапазона лежит где-то около 1/20 000 см). Самые длинные из таких волн возбуждают именно те атомы, которые вызывают у нас ощущение красного цвета, средние дают ощущение желтого, затем зеленого и синего, а самые короткие - фиолетового цвета. В действительности механизм цветового зрения очень сложен, и нельзя даже сказать, что определенные длины волн дают определенные цвета; все это несравненно хитрее, и процесс цветового зрения нельзя свести к простой схеме.

Более длинными волнами, чем видимый свет, но более короткими, чем радиоволны, обладают те лучи, которые называются инфракрасными или тепловыми; с другой стороны, короче волн видимого света будут ультрафиолетовые - под действием некоторых из них наша кожа становится коричневой - приобретает загар. Еще короче длина волны у рентгеновских лучей, а уж совсем коротковолновыми являются гамма-лучи, испускаемые при ядерных превращениях. Огромная мощь теории Максвелла в том, что она охватывает весь этот необозримый диапазон волн, по-разному возбуждаемых, по-разному принимаемых и при всем том распространяющихся всегда согласно законам, открытым Максвеллом. Ко всем этим волнам применим закон прямолинейного распространения, но волновая природа их движения приводит к тому, что они способны немного огибать объекты, размеры которых сравнимы с длиной волны.

Однако не следует думать, что для радиосвязи вокруг земного шара используется именно это свойство, - вовсе нет. Просто под действием излучения, исходящего от Солнца, вещество верхних слоев нашей атмосферы становится способным отражать радиоволны, подобно зеркалу. Этот слой называется ионосферой, и чрезвычайно удобно, что волны, начиная с длины около 15 ж и больше, отражаются от ионосферы, а затем от поверхности Земли и т. д. - они оказываются пойманными в этом промежутке. Поэтому-то можно охватить радиосвязью весь земной шар. С другой стороны, для некоторых целей, например в телевидении, требуются более высокие частоты (меньшие длины волн), главным образом потому, что низкочастотные волны не могут нести то чудовищное количество информации, которое требуется для передачи изображений по радио. Поэтому прием телевизионных передач более или менее ограничен той областью, где передатчик и приемник могут лежать практически в пределах прямой видимости. Значит, охватить телевидением большие области гораздо труднее, чем длинноволновыми радиопередатчиками. Для лучшего воспроизведения звука также предпочтительнее использовать очень короткие волны; поэтому, чтобы обеспечить наилучший прием, используются высокочастотные передачи с частотной модуляцией. Применяемые при этом волны все-таки достаточно длинны, чтобы огибать такие небольшие препятствия, как деревья и даже здания.

Радиолокация для измерения расстояний

Радиолокация - это особый случай применения коротких радиоволн, имеющий огромное значение для военных и мирных целей и представляющий большой интерес для физика. Принцип радиолокации состоит в посылке и последующем приеме отраженного от цели короткого импульса излучения. Принятый сигнал дает информацию о расстоянии до цели и о направлении на нее. Что касается последнего, так это просто-напросто то направление, в котором мы посылали импульсы и получали отражения. Определение расстояния немного сложнее, но оно нас интересует гораздо больше.

Измерению подлежит промежуток времени между испусканием и обратным приемом одного и того же импульса. Поскольку известно, что радиоволны распространяются со скоростью света, то, умножая этот промежуток времени на скорость света, мы получим всю длину пути, пройденного импульсом, - до цели и обратно, т. е. удвоенное расстояние до цели. Принцип такого измерения расстояний особенно интересен тем, что в нем не используется ни линейка, ни измерительная рулетка - вообще никакой эталон длины. Все, что требуется сделать, - это измерить промежуток времени и помножить его затем на определенное число - скорость света.

Теперь мы можем немного поразмыслить об истинной природе длины. В физике часто оказывается очень полезно отвлечься от конкретных обстоятельств нашей жизни, в которой одни материалы дешевле, а другие дороже, в которой температура лишь незначительно колеблется около некоторого среднего значения, весьма далекого от сурового мороза космического пространства и от невероятного жара звезд, и т. д. Сделаем здесь очень простое предположение в этом духе. Пусть, например, строители радиолокаторов настолько превзошли изготовителей линеек, что вместо линеек все стали пользоваться исключительно радиолокаторами, измеряя время между испусканием и приемом импульса. И если бы мы выросли в такой век, когда расстояния определяются путем измерения времени, если бы мы выросли, не пользуясь ни линейками, ни другими эталонами длины, то, я думаю, никому и в голову не пришло бы вообще говорить о масштабах длины.

Единицы длины

Но мы и так уже пользуемся временем для выражения длин. Это сплошь и рядом делают в астрономии, когда для того, чтобы избежать громоздких чисел, выражают расстояние до звезд в световых годах, т. е. в таких отрезках, которые свет проходит за год. Однако нет никаких причин применять эти единицы длины в одних только грандиозных астрономических масштабах. Мы могли бы говорить о световых микросекундах, т. е. расстояниях, которые свет проходит в одну миллионную долю секунды. Эта длина составляет около 300 м, и ею вполне удобно пользоваться. Световая миллимикросекунда равна 1/1000 этой единицы и составляет около 30 см и т. д. Представим себе теперь такое общество разумных существ, которое не знает ни метров, ни футов, а выражает все длины в световых секундах, миллимикросекундах или вообще в такого рода единицах. Если представителю такого общества задать вопрос, что такое скорость света, то он только широко раскроет глаза. Он не сможет представить себе эту величину выраженной в метрах в секунду, как это могло бы быть; для него это просто единица - естественная единица скорости. Если предмет движется с этой скоростью, то он движется так же быстро, как свет. Все обычные скорости выражались бы в долях этой стандартной величины. Тогда скорость реактивного самолета равнялась бы примерно одной миллионной; иначе говоря, на полет между двумя пунктами этот самолет затрачиваете миллион раз больше времени, чем свет. Подобным же образом скорость поезда или автомобиля равна одной десятимиллионной (около 110 км/час). Другими словами, приняв естественный эталон скорости - скорость света, это общество избавилось бы от необходимости вводить вместе два эталона - и времени и длины, а также пользоваться громоздким значением скорости света как коэффициентом, связывающим время и длину. Эта цивилизация признавала бы только эталон времени, что, пожалуй, заметно упростило бы жизнь, и члены этого общества удивлялись бы нам, как людям, туманно и глупо оперирующим с длиной и со временем.

Здесь не мешает упомянуть и о возможности другого общества, которое относилось бы к нам так же, как мы к только что описанной цивилизации. Пусть это новое общество считает направление с севера на юг священным и всегда измеряет его в милях, тогда как направление с востока на запад рассматривается как самое заурядное и всегда измеряется в ярдах. Если человек с самого раннего возраста воспитан в таком взгляде на вещи, то потребуется довольно-таки пытливый ум, чтобы предположить какую-то связь между длинами, взятыми с севера на юг, с одной стороны, и с востока на запад, с другой. Исследуя эту проблему, их физики обнаружили бы, наконец, замечательный факт: 1760 ярдов, отмеренных с востока на запад, "в некотором смысле" равноценны одной миле, отмеренной с севера на юг; это число 1760 было бы провозглашено святая святых учеными этой цивилизации, примерно так же, как нами - скорость света. Конечно, мы должны были предположить, что в национальном бюро стандартов этой цивилизации хранятся два отдельных эталона - эталон мили, предназначенный для измерений в направлении с севера на юг, и эталон ядра для измерений с востока на запад. На наш взгляд это представляется бессмысленной путаницей, но я не сомневаюсь, что точно так же выглядели бы и мы сами с точки зрения цивилизации, которую мы описали первой. Физик всегда предпочитает более простые заключения; он сразу же согласится, что действительно нет никаких оснований для того, чтобы пользоваться эталоном длины, и что вполне достаточно иметь эталон времени.

Спросим теперь, чему же равна скорость света? Конечно, скорость света по определению равна единице. Поэтому то, что называется измерением скорости света, будет представляться этому физику сложным и окольным путем определения длины эталона метра в Париже через величину общеизвестного эталона времени.

Скорость света

С этих позиций мы можем рассматривать эталон времени как основной, а эталон длины - как второстепенный и несущественный. Такое заключение представляется разумным, особенно если подумать, из чего на самом деле изготовлены наши линейки и измерительные рулетки. Известно, что они состоят из атомов, а их внешняя форма поддерживается электрическими силами, действующими между этими атомами. У атомов, как известно, есть свои периоды колебаний, и мы называем очень твердыми те вещества, в которых, благодаря определенным периодам колебаний атомов, между атомами сохраняется одно и то же расстояние независимо от формы сделанного из этих веществ предмета. Поэтому мы можем утверждать, что на самом деле длина стержня определяется периодом колебаний атомов, составляющих этот стержень, причем величина этого периода, как обычно, переведена на язык длины с помощью скорости света. И если мы (с полным основанием) говорим, что расстояния между атомами в так называемых твердых телах соответствуют периодам колебаний этих атомов, то мы можем также сказать, что эти расстояния по существу определены радиолокационными методами. При таком подходе длина становится второстепенным, а время - самым основным понятием, причем скорость света с необходимостью оказывается равна единице. Но если мы настолько извращены, что предпочитаем измерять длины в метрах, а не в световых миллимикросекундах, то нам придется внести условный множитель перехода, фактически определяющий этот метр, и мы называем такой множитель скоростью света.