О чем рассказывает свет

Изучая свойства световых волн и электромагнитных волн, физики пришли к выводу, что Максвелл был прав: природа их, действительно, одинакова. И те и другие волны распространяются с одинаковой скоростью, отражаются и преломляются по одним и тем же законам, дают такие же тени и огибания краев препятствий. Пожалуй, наиболее важным было установление того, что скорость распространения световых волн в различных средах совершенно так же зависит от электрических и магнитных свойств этих сред, как от этих свойств зависит и скорость распространения в них электромагнитных волн. В частности, для любых электромагнитных волн, как и для света, скорость в среде уменьшается по мере укорочения длины волны. Вот поэтому-то когда белый свет падает на грань стеклянной призмы под углом, он расщепляется на составные части; каждая волна, входящая в состав белого света, движется в стекле со своей скоростью: красное излучение быстрее, чем желтое, желтое— быстрее, чем зеленое и т. д., поэтому фронт волны каждого излучения по-своему меняет направление.

Свет — это те же электромагнитные волны, как и волны, получаемые от искрового разряда или каким-либо иным техническим путем. Оба типа волн отличаются лишь тем, что у них различна длина волны или частота. Световые волны, действия которых воспринимаются глазом, имеют длину от 4000 до 7500Å, а радиоволны, с которыми работал Попов, — около 10 метров, т. е. в десятки миллионов раз больше.

Заметим, кстати, что изобретение Попова внесло принципиально новое отношение человека к такой области природы, как свет в широком смысле слова: ранее человек мог только пассивно возбуждать свет, теперь он научился модулировать его параметры, т. е. величины, его характеризующие. Но об этом скажем несколько позже.

Невидимый свет

Теперь мы можем говорить о свете в широком смысле слова, включающем в себя и невидимый свет. Впрочем, фактически физики с ним познакомились уже давно. Давно они замечали, что по обе стороны видимого светового спектра имеются какие-то невидимые излучения. Если за красным краем солнечного спектра поставить термометр, он сильно нагревается. А за фиолетовым концом спектра термометр нагревается слабее, но зато сильно чернеют фотопластинки, более бурно протекают химические процессы.

Невидимые излучения за красным концом спектра назвали инфракрасными, а за фиолетовым концом — ультрафиолетовыми. После работ Максвелла, Герца, Лебедева и других стало ясно, что инфракрасные и ультрафиолетовые излучения — это также электромагнитные волны; длина волн у первых больше, чем у красного света, а у вторых меньше, чем у фиолетового.

Теория Максвелла по-новому осветила огромную область процессов природы — электромагнитных излучений. Конец XIX века ознаменован открытием многих групп излучений, составляющих по своей природе одну и ту же семью.

Выше было сказано, что Герц и Попов получали электромагнитные волны порядка 10 метров. Важно было установить, можно ли с помощью технических устройств получить излучения со все меньшей длиной волны и, наконец, сомкнуть их с теми излучениями, которые уже встречались в природе. В этом направлении шли исследования физиков.

В 90-х годах прошлого века русский физик П. Н. Лебедев (1866—1912) много работал над практическим доказательством электромагнитной природы света. Он создал вибратор, от которого получил самые короткие в то время волны—длиной в 6 миллиметров. Дальше техника получения коротких волн развивалась крайне медленно, встречались большие технические трудности. Это легко понять из следующих расчетов. Чтобы получить электромагнитные волны длиной в 10 метров (Герц, Попов), надо заставить электрические заряды колебаться с частотой в 30 миллионов циклов. Волны, полученные Лебедевым, уже требуют вибратора с частотой в 50 миллиардов циклов. Только в 1922 году советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева изобрела «массовый излучатель», который излучал волны порядка десятых долей миллиметра. Благодаря ее работам спектр электромагнитных волн, получаемых от технических вибраторов, сомкнулся с инфракрасными излучениями.

Что же является излучателем более коротких электромагнитных волн — инфракрасных и еще более коротких? Колебания зарядов внутри молекул и атомов и их ядер. Световые излучения нам известны от природы, так как они воспринимаются нашим глазом. Другие же — были открыты физиками при помощи различных приборов.

В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген (1845—1923) обнаружил, что поток быстро летящих электронов, ударяясь о стекло или металлическую пластинку, вызывает появление невидимых излучений. Излучения были замечены случайно: они упали на бумагу, покрытую особым веществом — платино-цианистым барием, и бумага в темноте засветилась. Так были открыты «рентгеновские лучи», с помощью которых в настоящее время «просвечивают» внутренние органы человека. Длины волн рентгеновских излучений лежат в промежутке примерно от десятых долей до сотни ангстрем. По длине волны они следуют непосредственно за ультрафиолетовыми излучениями.

Вскоре после открытия рентгеновских излучений в природе были найдены излучения с еще более короткой длиной волны, так называемые гамма-излучения. Их испускают радиоактивные вещества.

Шкала электромагнитных излучений

Таким образом, шкала излучений, обнаруженных человеком в природе, оказалась очень широкой. Если идти от наиболее длинных волн к коротким, мы увидим следующую картину (рис. 27). Сначала идут радиоволны, они самые длинные. В их же число входят и излучения, открытые Лебедевым и Глаголевой-Аркадьевой; это — ультракороткие радиоволны. Далее последовательно идут инфракрасные излучения, видимый свет, ультрафиолетовые излучения, рентгеновские и, наконец, гамма-излучения.

Границы между различными излучениями весьма условны: излучения непрерывно следуют одно за другим и даже отчасти перекрывают друг друга.

Взглянув на шкалу электромагнитных волн, читатель может заключить, что видимые нами излучения составляют весьма небольшую часть известного нам общего спектра излучений.

Для обнаружения и изучения невидимых излучений физик должен был вооружиться дополнительными приборами. Невидимые излучения можно обнаружить по их действию. Так, например, радиоизлучения действуют на антенны, создавая в них электрические колебания: инфракрасные излучения сильнее всего действуют на тепловые приборы (термометры), а все остальные излучения наиболее сильно действуют на фотопластинки, вызывая в них химические изменения. Антенны, тепловые приборы, фотопластинки — это новые «глаза» физиков для различных участков шкалы электромагнитных волн.

Рис. 27. Шкала излучений. Заштрихованная сеткой область изображает часть спектра, видимую человеческим глазом

Открытие многообразных электромагнитных излучений— одна из самых блестящих страниц истории физики.

Развитие радиоастрономии

В последние годы установлено, что радиоизлучения испускаются не только грозовыми разрядами или специально созданной технической аппаратурой. Эти излучения непрерывно испускают также и звезды и особенно ядра галактик.

Спектры радиоизлучений звезд и галактик являются таким же мощным средством изучения свойств звезд и галактик и протекающих в них процессов, как и спектры видимой части света. Для получения и анализа спектров радиоизлучений в последнее десятилетие построены мощные радиотелескопы, в которых отсутствует обычная оптика. Радиотелескопия увеличила возможности изучения звезд и галактик, так как в радиоспектрах раскрываются новые особенности и процессы в источниках. Кроме того, радиотелескопы проникают во Вселенную гораздо глубже, чем оптические телескопы. Им доступны галактики на расстояния до 10 миллиардов световых лет и более, тогда как оптические телескопы проникают во Вселенную лишь до 5—6 миллиардов световых лет[2].

Призма отказывается служить