วันนี้เราจะพูดถึงการทดลองของ Lebedev ในการพิสูจน์แรงกดดันของโฟตอนแสง เราจะเปิดเผยความสำคัญของการค้นพบนี้และภูมิหลังที่นำไปสู่การ
ความรู้คือความอยากรู้
ปรากฏการณ์ของความอยากรู้อยากเห็นมีสองมุมมอง ประโยคหนึ่งแสดงโดยคำพูดที่ว่า "จมูกของ Varvara ที่อยากรู้อยากเห็นถูกฉีกขาดออกจากตลาด" และอีกคำหนึ่งมีคำพูดว่า "ความอยากรู้ไม่ใช่ความชั่วร้าย" ความขัดแย้งนี้แก้ไขได้ง่ายหากแยกความแตกต่างระหว่างพื้นที่ที่ไม่ต้องการความสนใจหรือในทางกลับกัน
โยฮันเนส เคปเลอร์ไม่ได้เกิดมาเพื่อเป็นนักวิทยาศาสตร์ พ่อของเขาต่อสู้ในสงคราม และแม่ของเขาเป็นเจ้าของร้านเหล้า แต่เขามีความสามารถพิเศษและแน่นอนว่าอยากรู้อยากเห็น นอกจากนี้เคปเลอร์ยังได้รับความบกพร่องทางสายตาอย่างรุนแรง แต่เป็นผู้ค้นพบสิ่งที่ต้องขอบคุณวิทยาศาสตร์และโลกทั้งโลกที่พวกเขาอยู่ในขณะนี้ Johannes Kepler มีชื่อเสียงในการชี้แจงระบบดาวเคราะห์ของ Copernicus แต่วันนี้เราจะพูดถึงความสำเร็จอื่นๆ ของนักวิทยาศาสตร์
ความเฉื่อยและความยาวคลื่น: มรดกในยุคกลาง
ห้าหมื่นปีที่แล้ว คณิตศาสตร์และฟิสิกส์อยู่ในหมวด "ศิลปะ" ดังนั้นโคเปอร์นิคัสจึงมีส่วนร่วมในกลไกการเคลื่อนที่ของวัตถุ (รวมถึงวัตถุท้องฟ้า) และทัศนศาสตร์และแรงโน้มถ่วง เขาเป็นคนที่พิสูจน์การมีอยู่ของความเฉื่อย จากข้อสรุปนักวิทยาศาสตร์คนนี้ได้พัฒนากลศาสตร์สมัยใหม่ แนวคิดเรื่องปฏิสัมพันธ์ของร่างกาย ศาสตร์แห่งการแลกเปลี่ยนความเร็วของวัตถุที่สัมผัส โคเปอร์นิคัสยังได้พัฒนาระบบออปติกเชิงเส้นที่กลมกลืนกัน
เขาแนะนำแนวคิดเช่น:
- "การหักเหของแสง";
- "หักเห";
- "แกนแสง";
- "ภาพสะท้อนภายในทั้งหมด";
- "การส่องสว่าง".
ในที่สุดงานวิจัยของเขาก็ได้พิสูจน์ธรรมชาติคลื่นของแสงและนำไปสู่การทดลองของ Lebedev ในการวัดความดันของโฟตอน
คุณสมบัติควอนตัมของแสง
ก่อนอื่น ควรกำหนดสาระสำคัญของแสงและพูดถึงว่ามันคืออะไร โฟตอนเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เป็นชุดของพลังงานที่เคลื่อนที่ผ่านอวกาศโดยรวม คุณไม่สามารถ "กัด" พลังงานเพียงเล็กน้อยจากโฟตอน แต่สามารถเปลี่ยนได้ ตัวอย่างเช่น หากแสงถูกดูดซับโดยสสาร ภายในร่างกาย พลังงานของแสงก็จะสามารถรับการเปลี่ยนแปลงและปล่อยโฟตอนกลับด้วยพลังงานที่ต่างกันออกไป แต่อย่างเป็นทางการ นี่จะไม่ใช่ควอนตัมของแสงแบบเดียวกับที่ถูกดูดกลืน
ตัวอย่างนี้คือลูกเหล็กแข็ง หากชิ้นส่วนของสสารขาดออกจากผิวของมัน รูปร่างจะเปลี่ยนไป มันก็จะเลิกเป็นทรงกลม แต่ถ้าคุณละลายวัตถุทั้งหมด ให้นำโลหะเหลวแล้วสร้างลูกบอลขนาดเล็กขึ้นจากเศษที่เหลือ มันก็จะกลับเป็นทรงกลมอีกครั้ง แต่แตกต่างไปจากเดิมไม่เหมือนเดิม
คุณสมบัติของคลื่นแสง
โฟตอนมีคุณสมบัติของคลื่น พารามิเตอร์พื้นฐานคือ:
- ความยาวคลื่น (แสดงช่องว่าง);
- ความถี่ (ลักษณะเวลา);
- แอมพลิจูด (แสดงความแข็งแกร่งของการแกว่ง)
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโฟตอนเป็นควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า โฟตอนก็มีทิศทางการแพร่กระจายเช่นกัน (แสดงเป็นเวกเตอร์คลื่น) นอกจากนี้เวกเตอร์แอมพลิจูดยังสามารถหมุนรอบเวกเตอร์คลื่นและสร้างโพลาไรซ์ของคลื่นได้ ด้วยการปล่อยโฟตอนหลายตัวพร้อมกัน เฟสหรือความแตกต่างของเฟสก็กลายเป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน โปรดจำไว้ว่าเฟสเป็นส่วนหนึ่งของการแกว่งที่หน้าคลื่นมีในช่วงเวลาหนึ่ง (เพิ่มขึ้น สูงสุด ลดลง หรือต่ำสุด)
มวลและพลังงาน
ดังที่ไอน์สไตน์พิสูจน์แล้ว มวลคือพลังงาน แต่ในแต่ละกรณี การค้นหากฎหมายตามค่าหนึ่งเปลี่ยนเป็นค่าอื่นอาจเป็นเรื่องยาก ลักษณะคลื่นทั้งหมดของแสงข้างต้นสัมพันธ์กับพลังงานอย่างใกล้ชิด กล่าวคือ การเพิ่มความยาวคลื่นและลดความถี่หมายถึงพลังงานที่น้อยลง แต่เนื่องจากมีพลังงาน โฟตอนจึงต้องมีมวล ดังนั้นจึงต้องมีแรงกดเบา
โครงสร้างประสบการณ์
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโฟตอนมีขนาดเล็กมาก มวลของพวกมันจึงควรมีขนาดเล็กด้วย การสร้างอุปกรณ์ที่สามารถระบุได้อย่างแม่นยำเพียงพอนั้นเป็นงานด้านเทคนิคที่ยาก นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Lebedev Petr Nikolaevich เป็นคนแรกที่รับมือกับมัน
การทดลองนี้มีพื้นฐานมาจากการออกแบบตุ้มน้ำหนักที่กำหนดโมเมนต์ของแรงบิด คานประตูถูกแขวนไว้บนด้ายสีเงิน ติดปลายเป็นแผ่นบางๆ เหมือนกันหลายแผ่นวัสดุ. ส่วนใหญ่มักใช้โลหะ (เงิน, ทอง, นิกเกิล) ในการทดลองของ Lebedev แต่ก็มีไมกาด้วย โครงสร้างทั้งหมดถูกวางไว้ในภาชนะแก้วซึ่งมีการสร้างสุญญากาศ หลังจากนั้น จานหนึ่งก็สว่าง ขณะที่อีกจานยังคงอยู่ในเงา ประสบการณ์ของ Lebedev พิสูจน์ว่าการส่องสว่างด้านใดด้านหนึ่งทำให้ตาชั่งเริ่มหมุน ตามมุมเบี่ยงเบน นักวิทยาศาสตร์ตัดสินความแรงของแสง
ความยากลำบากของประสบการณ์
ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เป็นเรื่องยากที่จะสร้างการทดสอบที่แม่นยำเพียงพอ นักฟิสิกส์ทุกคนรู้วิธีสร้างสุญญากาศ ทำงานกับกระจก และขัดพื้นผิว อันที่จริง ความรู้ได้มาด้วยตนเอง ในเวลานั้นไม่มีองค์กรขนาดใหญ่ที่ผลิตอุปกรณ์ที่จำเป็นหลายร้อยชิ้น อุปกรณ์ของ Lebedev สร้างขึ้นด้วยมือ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงประสบปัญหามากมาย
สูญญากาศในตอนนั้นยังไม่ธรรมดาด้วยซ้ำ นักวิทยาศาสตร์สูบลมออกจากใต้ฝาแก้วด้วยปั๊มพิเศษ แต่การทดลองเกิดขึ้นอย่างดีที่สุดในบรรยากาศที่ไม่เอื้ออำนวย การแยกแรงดันของแสง (การถ่ายเทแรงกระตุ้น) ออกจากความร้อนจากด้านสว่างของอุปกรณ์นั้นทำได้ยาก: อุปสรรคหลักคือการมีอยู่ของก๊าซ หากทำการทดลองในสุญญากาศลึก ก็จะไม่มีโมเลกุลใดที่การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนด้านสว่างจะแรงกว่า
ความไวของมุมโก่งตัวเหลือมากเป็นที่ต้องการ ตัวค้นหาสกรูสมัยใหม่สามารถวัดมุมได้จนถึงหนึ่งในล้านของเรเดียน ในตอนต้นของศตวรรษที่สิบเก้า มาตราส่วนสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เทคนิคเวลาไม่สามารถให้น้ำหนักและขนาดของจานได้เท่ากัน ส่งผลให้ไม่สามารถกระจายมวลได้อย่างทั่วถึง ซึ่งทำให้ยากในการกำหนดแรงบิด
ฉนวนและโครงสร้างของด้ายส่งผลกระทบอย่างมากต่อผลลัพธ์ หากปลายด้านหนึ่งของชิ้นส่วนโลหะถูกทำให้ร้อนมากขึ้นด้วยเหตุผลบางอย่าง (ซึ่งเรียกว่าการไล่ระดับอุณหภูมิ) ลวดก็จะเริ่มบิดโดยไม่มีแรงกดเล็กน้อย แม้ว่าอุปกรณ์ของ Lebedev จะค่อนข้างเรียบง่ายและทำให้เกิดข้อผิดพลาดครั้งใหญ่ แต่ความจริงของการถ่ายโอนโมเมนตัมโดยโฟตอนของแสงก็ได้รับการยืนยัน
รูปทรงของแผ่นไฟ
ส่วนก่อนหน้านี้ระบุปัญหาทางเทคนิคมากมายที่มีอยู่ในการทดลอง แต่ไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งสำคัญ - แสง ตามทฤษฎีแล้วเราคิดว่าลำแสงเอกรงค์ตกลงบนจานซึ่งขนานกันอย่างเคร่งครัด แต่ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 แหล่งกำเนิดแสงคือดวงอาทิตย์ เทียน และหลอดไส้ธรรมดา เพื่อให้ลำแสงขนานกัน ระบบเลนส์ที่ซับซ้อนจึงถูกสร้างขึ้น และในกรณีนี้ เส้นความเข้มของการส่องสว่างของแหล่งกำเนิดเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด
ในวิชาฟิสิกส์ มักกล่าวกันว่ารังสีมาจากจุดหนึ่ง แต่เครื่องกำเนิดแสงจริงมีมิติที่แน่นอน นอกจากนี้ เส้นใยที่อยู่ตรงกลางสามารถปล่อยโฟตอนได้มากกว่าที่ขอบ ส่งผลให้หลอดไฟส่องสว่างบริเวณรอบข้างได้ดีกว่าส่วนอื่นๆ เส้นที่ลากไปรอบๆ พื้นที่ทั้งหมดที่มีความสว่างเท่ากันจากแหล่งกำเนิดที่กำหนดเรียกว่าเส้นโค้งความเข้มของการส่องสว่าง
พระจันทร์สีเลือดและสุริยุปราคาบางส่วน
นิยายแวมไพร์เต็มไปด้วยการเปลี่ยนแปลงอันเลวร้ายที่เกิดขึ้นกับผู้คนและธรรมชาติในพระจันทร์สีเลือด แต่ไม่ได้บอกว่าปรากฏการณ์นี้ไม่ควรกลัว เพราะมันเป็นผลมาจากขนาดของดวงอาทิตย์ที่ใหญ่ เส้นผ่านศูนย์กลางของดาวใจกลางของเราอยู่ที่ประมาณ 110 เส้นผ่านศูนย์กลางโลก ในเวลาเดียวกัน โฟตอนที่ปล่อยออกมาจากขอบด้านหนึ่งและอีกด้านของดิสก์ที่มองเห็นได้จะไปถึงพื้นผิวของดาวเคราะห์ ดังนั้นเมื่อดวงจันทร์ตกลงสู่เงามัวของโลก ดวงจันทร์จะไม่ถูกบดบังอย่างสมบูรณ์ แต่กลับกลายเป็นสีแดงเหมือนเดิม บรรยากาศของโลกก็มีโทษเช่นกันสำหรับเฉดสีนี้: มันดูดซับความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ทั้งหมด ยกเว้นช่วงสีส้ม อย่าลืมว่าดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนเป็นสีแดงเมื่อพระอาทิตย์ตก และทั้งหมดนี้ก็เป็นเพราะว่าดวงอาทิตย์เคลื่อนผ่านชั้นบรรยากาศที่หนาขึ้น
ชั้นโอโซนของโลกเกิดขึ้นได้อย่างไร
ผู้อ่านที่พิถีพิถันอาจถามว่า: "ความกดดันของแสงเกี่ยวข้องกับการทดลองของ Lebedev อย่างไร" ผลกระทบทางเคมีของแสงก็เนื่องมาจากโฟตอนมีโมเมนตัม กล่าวคือ ปรากฏการณ์นี้ทำให้เกิดชั้นบรรยากาศบางส่วนของดาวเคราะห์
อย่างที่คุณทราบ มหาสมุทรในอากาศของเราดูดซับองค์ประกอบรังสีอัลตราไวโอเลตของแสงแดดเป็นหลัก ยิ่งไปกว่านั้น ชีวิตในรูปแบบที่รู้จักจะเป็นไปไม่ได้หากพื้นผิวหินของโลกถูกอาบด้วยแสงอัลตราไวโอเลต แต่ที่ระดับความสูงประมาณ 100 กม. บรรยากาศยังไม่หนาพอที่จะดูดซับทุกสิ่ง และรังสีอัลตราไวโอเลตได้รับโอกาสในการโต้ตอบกับออกซิเจนโดยตรง มันทำลายโมเลกุล O2 เป็นอะตอมอิสระและส่งเสริมการรวมกันเป็นการดัดแปลงอื่น - O3 ในรูปแบบที่บริสุทธิ์ ก๊าซนี้เป็นอันตรายถึงชีวิต จึงใช้ฆ่าเชื้อในอากาศ น้ำ เสื้อผ้า แต่เนื่องจากเป็นส่วนหนึ่งของชั้นบรรยากาศของโลก ช่วยปกป้องสิ่งมีชีวิตทั้งหมดจากผลกระทบของรังสีที่เป็นอันตราย เนื่องจากชั้นโอโซนดูดซับควอนตาของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยพลังงานที่อยู่เหนือสเปกตรัมที่มองเห็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
