A lézer története
A Science & Technology célja, hogy a Magurele-n épülő szuperhőshöz utazzon, amelynek segítségével megvizsgálják az anyag mély titkait. Most, hogy felkészüljek az utazásra, itt van a lézer története.
1. rész
Teljesen véletlenül fedeztem fel, hogy mindenféle bohóckodás kezd kúszni az internet virtuális terébe a Măgurelében felépülő szuperlaserra hivatkozva. Adok egy online napilap címsorát: „Jó hír: Romániában a világ legerősebb lézere lesz. Rossz hír: a nukleáris hulladékot elégetik vele ".
Az újságírók címe visszhangzott, bár a cikkben a dolgok (némileg) tisztázódnak, abban az értelemben, hogy Mr. idézik. Acad. Nicolae Zamfir, az IFIN Horia Hulbei igazgatója, aki megmutatta, hogy nem ez a célja a Măgurele-i szuperlézernek, és a nukleáris hulladék lézerrel történő kezelésének lehetősége még mindig csak tudományos hipotézis. Sok bejegyzés jelent meg az összeesküvés-elméletekre szakosodott blogokon, figyelmeztetve, hogy "Európa hulladéklerakójává válunk" a nukleáris hulladék számára.
Nem hiszem, hogy az ilyen garázdaság terjedése elhanyagolható lenne. Komoly problémával állunk szemben, amelyet a lakosság helyes tájékoztatásával kell megoldani. Kár lenne, hogy a Măgurelében épülő félelmetes kutatási eszköz elnyerje a Románia elleni európai összeesküvés auráját.
Mielőtt továbbmennék, el kell mesélnem egy olyan jelenség felfedezésének történetét, amelyről még nem beszéltünk. Intermezzo kell. Vissza kell mennünk az időben.
Az első kérdőjelek
1669-ben a dán Erasmus Bartholin furcsa jelenséget fedezett fel. Észrevette, hogy egy kalcitkristályon (Izland mögött) lévő vonalat nézve megduplázódott. Bartholin magyarázatot is adott erre a furcsa jelenségre. A hideg északi országokban a fény gyengülés helyett további energiát kap. Valójában felfedezte a kettős törés (vagy kettős fénytörés) jelenségét, amely bizonyos kristályok esetében megnyilvánul.
Huygens ennek a jelenségnek a magyarázatát javasolja, feltételezve, hogy a kristályban megjelenik egy primer, gömb alakú és egy másodlagos, ellipszoid hullám. A magyarázat kevésbé fontos, fontos valami más, egy kísérlet, amelyet 1690-ben jelentett be. Felfedezte, hogy ha egy második kristályt az első fölé helyez és kissé elforgatja, bizonyos pozíciókban a kép teljesen eltűnik.
1808-ban a francia Étienne Louis Malus viszont fontos megállapítást tett. Felfedezi, hogy amikor Izlandon a tükör által visszatükrözött napfény áthalad egy spatulán, a kapott két kép relatív fényereje változik, amikor a kristályt a visszavert fénysugár által ábrázolt tengely körül forgatják.
Malus ezt a jelenséget egy hipotézissel magyarázza: a fénytestek a reflexió után egymáshoz igazodnak, hasonlóan ahhoz, ahogyan a mágneses testeket a mágnes pólusai igazítják. Ezért bevezeti a fény "polarizációja" kifejezést.
Fresnel szintén alaposan tanulmányozza a polarizáció jelenségét, és kísérleteket követően arra a következtetésre jut, hogy a fény keresztirányú hullám, vagyis a fényhullámok oszcillációi merőlegesek a terjedési irányra. Erre a következtetésre jutott, miután megállapította, hogy két polarizált fénysugár nem avatkozik be bizonyos helyzetekbe.
Ezt a jelenséget csak egyféleképpen lehetett megmagyarázni: a fény egy keresztirányú hullám, és amikor polarizációs síkjaik merőlegesek, a két nyaláb között nem történik interferencia.
Most, ezen intermezzo után eljött az ideje, hogy jelenetet hozzon
Michael Faraday, az autodidakta zseni
Faraday-nak nem volt egyetemi tanulmánya, ehelyett szenvedélye volt a tudás iránt, amelyet rendkívüli szigor duplázott meg. Nem sajátította el a matematikát, ehelyett tudta, hogyan végezzen kísérleteket, mint senki más.
Egyébként elmondhatom, hogy Faraday, amikor tanítványa volt egy könyvkötőnek, felfedezett egy könyvet, a Jane Marcet beszélgetései a kémiáról. Akkor még csak 15 éves volt, és ez a kémia népszerűsítésének nagy készséggel írt könyve, párbeszéd formájában, számos kísérletet tartalmazott, amelyeket otthon is el lehetett végezni. A fiatal Faraday szenvedélyesen olvasta és a legtöbb kísérletet elvégezte benne.
A jövő tudósának második meghatározó pillanata 1812-ben következett be, amikor belépőjegyet kapott Sir Humphrey Davy nagy vegyész által tartott népszerűsítési konferenciákra. Faraday rendkívül lenyűgözte, és levelet és egy 300 oldalas könyvet küldött neki az ezen konferenciákon készült feljegyzések alapján.
Ugyanebben az évben Davy laboratóriumi balesetet szenvedett, és megsérült a bal szemében. Sajnálatos esemény a nagy vegyész számára, de alkalom Faraday számára, akit Davy laboratóriumi segítségére hívnak. Így kezdődik egy autodidakta tudós félelmetes karrierje…
Sokat lehet mondani Faraday nagyszerű felfedezéseiről a fizika és a kémia területén. Sajnos jelenleg nincs elég helyünk.
Témánk, a fény szempontjából sokkal fontosabb az autodidakta tudós bizonyos eredménye. 1845. szeptember 13-án Faraday felfedezi a nevét viselő hatást. Aznap jegyzetfüzetébe jegyezte egy kísérlet részleteit, amelynek során egy polarizált fénysugarat áthaladtak egy ólmot tartalmazó "nehéz üveg" darabján.
Ezután elektromágneset használt, és megállapította, hogy amikor a mágneses mező vonalak iránya párhuzamos volt a polarizált fényáram irányával, a fény polarizációs síkja elfordult. Mint Faraday megjegyezte, "a mágneses erő és a fény kapcsolatban áll egymással". A megállapítás nagyon fontos. Faraday megközelítette a fény elektromágneses hullámként való értelmezését.
De Faraday közreműködése itt nem áll meg. Két rendkívül fontos fogalmat mutat be: a mágneses mezőt és a mágneses mező vonalakat. Egyáltalán nem matematizálta őket, nem rendelkezett a szükséges képzettséggel, de az ő segítségükkel meg tudott magyarázni egy sor jelenséget az elektromágnesesség területén. Úgy képzelte el az erővonalakat, amelyek egy mágnes pólusaiból származnak (mágneses erővonalak), és amelyeket például vasreszelék segítségével lehet megjeleníteni.
1851-ben még egy fontos kijelentést tesz:
Szűkíteni akarom az erővonal kifejezés jelentését, hogy az ne jelentsen mást, mint az erő egy bizonyos ponton fennálló állapotát, mint erőt és irányt, és ne tartalmazzon (jelenleg) semmilyen elképzelést a jelenség fizikai okának természetéről.
A mező és a terep fogalmakat a maguk idejében némi vonakodással fogadták. Faraday csak ragyogó kísérleteket tudott felajánlani anélkül, hogy a megfelelő matematikai formalizmussal kísérte volna őket. Szerencsére volt egy ember, egy tiszta vérű teoretikus, aki kellő figyelmet szentelt nekik.
Maxwell és a matematikai egyenletek esztétikája
A skót James Clerk Maxwell korai tehetségét mutatta be a matematika, különösen a geometria iránt. Gyerekként felfedezte a szokásos poliédereket, mielőtt róluk olvasott. Állítólag introvertált, érzékeny ember volt, aki szenvedélyesen olvas és rajzol. Sajnos csak 48 éves korában hunyt el, vastagbélrákot követően.
Maxwell tudományos aggályai nagyon sokfélék voltak. Döntő szerepet játszott a termodinamikában, a színelméletben, az elektromágnesességben stb. Történelmünk szempontjából arra a forradalomra fogunk fordítani, amelyet az elektromágnesesség területén kiváltott.
1855-ben Maxwel kiadta első munkáját az elektromágnesességről. Sok más bajtársától eltérően matematikailag elemzi Faraday fogalmait, munkáját Faraday-féle erõvonalaknak hívják. Ezekből kiindulva Maxwell analógiákat vezet be az összenyomhatatlan folyadékmechanika területén, és sikerül matematikai formában leírnia az elektromágnesesség törvényeit, és megmutatja, hogy az elektromosság és a mágnesesség hogyan kapcsolódik egymáshoz. Alapvetően egyesíti az elektromosságot és a mágnesességet.
1861-ben kibővítette a matematikai formalizmust, és 20 differenciálegyenletből álló, 20 változóval rendelkező rendszeren keresztül leírta az akkor ismert összes jelenséget az elektromágnesesség területén. Ez csak a kezdet. Egyelőre túl sok az egyenlet, ezért nincs elegancia. Egyáltalán nem szépek.
1873-ban sikerült tovább lépnie. Az "A elektromosságról és mágnesességről szóló értekezés" című cikkben ezeknek az egyenleteknek a számát 20-ról csak 12-re csökkenti. Tizenkét egyenlet, amely a fizika teljes területét hozta össze! (Később, 1893-ban, Oliver Heaviside brit matematikusnak és fizikusnak sikerült átalakítania őket csak négy differenciálegyenlet halmazává, amelyek a mai formájukat képviselik)
Ugyanebben a műben Maxwel gyönyörű tisztelettel adózik Faraday előtt, aki a mező és az erővonalak fogalmának bevezetésével műanyag képet adott a mágneses jelenségekről:
Ahogy előrehaladtam Faraday tanulmányozása során, rájöttem, hogy a jelenségek felfogásának módja is matematikai, bár nem matematikai szimbólumok konvencionális formájában mutatta be őket. Rájöttem, hogy ezeket az ötleteket közös matematikai képletekkel lehet kifejezni, és összehasonlítani a professzionális matematikusok által kapottakkal.
Például Faraday az egész teret keresztező erővonalakat látta, ahol a matematikusok távolról ható erőközpontokat láttak; Faraday olyan környezetet vezetett be, amelyben csak a távolságot vette figyelembe; Faraday a jelenségek eredetét az ebben a környezetben lejátszódó valós cselekvésekben kereste; [matematikusok] megelégedtek azzal, hogy megtalálják az elektromos folyadékoknak tulajdonított távoli cselekvési tulajdonságokat.
Amikor matematikai formába fordítottam Faraday elképzeléseit, azt tapasztaltam, hogy általában a két módszer által kínált eredmények egybehangzóak abban az értelemben, hogy a két módszer ugyanazokat a jelenségeket veszi figyelembe, és ugyanazokra a törvényekre vezet, de Faraday módszere a közgyűlésből indul ki, hogy elemzéssel érje el az összetevőket, míg a szokásos matematikai módszerek az összetevőkből indulnak ki, hogy szintézis útján felemeljék az egész építményt.
Kíváncsi lehet, miért szenteltem ennyi helyet Maxwellnek. Végül is az elektromágnesességgel és nem a fényvel foglalkozik. Nos, az ok egyszerű és nyilvánvaló. Maxwell két egyenlete bizonyítja, hogy a fény elektromágneses hullám.
Ez az egyenlet, amelyet Faraday-törvénynek is neveznek, amely leírja, hogy a változó mágneses tér hogyan indukálja az elektromos teret, és az "Ampere-törvény Maxwell korrekciójával" nevű egyenlet, amely azt mutatja a mágneses mező kétféleképpen állítható elő: elektromos árammal (ez az "Ampere-törvény" kezdeti formája) és az elektromos tér változtatásával.
Ha kevésbé leszek pontos, a következõképpen foglalnám össze ezt a két törvényt: a változó mágneses tér változó elektromos teret indukál, és fordítva, a változó elektromos tér változó mágneses teret indukál. Anélkül, hogy belemennénk a matematikai részletekbe, jó tudni, hogy a fentebb bemutatott két törvény egyesítésével a vákuum adott esetben az elektromágneses hullám egyenletét kapjuk meg.
Valójában néhány évvel korábban, 1864-ben, "Az elektromágneses mező dinamikus elmélete" című cikkében Maxwell kijelentette:
Az eredmények látszólag azt mutatják, hogy a fény és a mágnesesség azonos természetű jelenségek, abban az értelemben, hogy a fény elektromágneses zavar, amely az elektromágnesesség törvényei szerint terjed.
Maxwelltől kezdve megvan a klasszikussá vált képviselet, amelyet az iskolában mutatnak be. Az elektromágneses hullám egy mágneses hullámból áll, amely párosul egy elektromos hullámmal, és a két hullám oszcillációs síkjai merőlegesek egymásra.
Remélem, nem unatkoztam ezzel a matematikai fejezettel. Nem tudtam elkerülni, mert a Maxwell-pillanat alapvető a fénytörténelemben. Ha megengedi, azzal fejezném be ezt a fejezetet, hogy Maxwell meggyújtotta a lámpát.
Intermezzo
Most egyértelműnek tűntek a dolgok. A fény elektromágneses hullám, amelynek rendkívüli matematikai leírása van. Nem térek ki a további részletekre, átugrom a történelmünk kevésbé jelentős mérföldköveit. A 19. század vége felé a fizika minden területén elért eredmények valóban meghökkentőek voltak. Úgy tűnt, hogy az alapvető fogalmakat tekintve a fizika (majdnem) befejezett tudomány. Csak néhány kérdés volt tisztázandó.
Egyikük a könnyű éterrel volt kapcsolatban, azzal a rugalmas közeggel, amelyen keresztül a fénynek elterjednie kellett volna. Michelson és Morley által 1881-ben végzett döntő kísérlet, amely megpróbálta meghatározni a Föld relatív sebességét ehhez a "fényéterhez", nem hozta meg a várt megerősítést. Bár 1887-ben megismételték, pontosabb műszerekkel, a kísérlet továbbra is negatív eredményeket adott. Ez a váratlan eredmény utat nyitott a relativitáselmélet előtt. De ez egy másik történet.
Történelmünk szempontjából fontosabb a második probléma, amely a fekete test sugárzási spektrumához kapcsolódott. Komoly probléma volt, amelyet a klasszikusokká vált fizika alapelveinek alkalmazásával nem lehetett megoldani.
Először nézzük meg, mi az a fekete test. A fizikusok ezzel a koncepcióval működnek, amely ideális tárgy, amely hullámhossztól függetlenül teljesen elnyeli a beeső elektromágneses sugárzást. A fekete test elektromágneses sugárzást bocsát ki, amelynek spektrális eloszlása csak a hőmérsékletétől függ.
A természetben nincs ilyen ideális tárgy, de lehet olyan konstrukciót készíteni, amely nagyon jól megközelíti a fekete test viselkedését. Képzeljünk el egy üreget, amelynek csak egy kis lyuk van, amelyen keresztül elektromágneses sugárzás távozhat belsejéből. Amikor a belseje hőegyensúlyban van, az általam korábban említett lyukon keresztül elektromágneses sugárzás bocsát ki, amely nagyon jól megközelíti az ideális fekete test által kibocsátottakat.
Ezen üregünk nyílásán keresztül kibocsátott elektromágneses sugárzás spektrális eloszlása nem az üreg alakjától vagy a falainak visszaverődési együtthatójától függ, hanem csak a benne lévő hőmérséklettől függ, amikor a hőegyensúly létrejött.
A fekete test komoly problémákat vetett fel a fizikusok számára, mert nem volt szigorú matematikai ábrázolás az általa kibocsátott sugárzás spektrális eloszlásáról. 1890 körül Wilhelm Wien német fizikus matematikai összefüggést kapott, amelyet Wien törvénynek fognak nevezni, hogy leírja a fekete test viselkedését, de két fő hiányossága volt.
Először is, Wien törvényének nem volt szilárd elméleti alapja, sokkal inkább egy empirikus kapcsolat volt, amelyet mérések alapján nyertek. A második probléma még súlyosabb volt. Wien képlete helyes eredményeket adott az elektromágneses spektrum magas frekvenciáira, és nagyban eltért az alacsony frekvenciájú területen végzett kísérleti adatoktól.
1900-ban Lord Raylegh az akkori klasszikus mechanikához kapcsolódó elméleti megfontolásokból kiindulva kidolgozta a matematikai összefüggést a fekete test által kibocsátott elektromágneses sugárzás spektrális eloszlására, a hőmérséklet függvényében. Öt évvel később Sir James Jeans kijavítja ezt a kapcsolatot, amelyet Raylegh-Jeans törvénynek fognak nevezni.
Minden jó és szép, a matematikai kapcsolat elméletileg szigorúan levezetésre került, és a dolgok nagyon világosnak tűnhettek. De… bár a nagyfrekvenciás területre vonatkozóan megfelelő eredményeket adott, exponenciálisan távolodott el a méréstől, mivel az elektromágneses hullámok frekvenciája csökkent.
Felhívjuk figyelmét: a Raylegh-Jeans törvény ragyogóan alkalmazta a klasszikus mechanika alapelveit. Az a tény, hogy nem tudta megmagyarázni a fekete test sugárzásának spektrális eloszlását minden hullámhosszon, nagyon komoly problémát jelentett. Valamit meg kellett változtatni valahol. A változtatást szinte akarata ellenére Max Plank hajtotta végre. És ez a változás a kvantummechanika megszületéséhez vezetett. De erről a következő epizódban mesélek.