какое отношение к свету различают ученые
Свет: частица или волна? История развития представлений и корпускулярно-волновой дуализм.
История развития представлений о свете
Согласно представлениям древнегреческих философов, например, Аристотеля, свет – это лучи, исходящие из глаз человека. Через эфир, прозрачную субстанцию, заполняющую пространство, эти лучи распространяются, позволяя человеку видеть предметы.
Вам будет интересно: История и гибель лайнера «Нормандия» (Normandie)
Другой философ, Платон, высказал предположение, что источником света на Земле является Солнце.
Философ и математик Пифагор полагал, что из предметов вылетают крошечные частицы. Попадая в глаз человека, они дают нам представление о внешнем виде этих предметов.
Несмотря на кажущуюся наивность, данные гипотезы заложили основу для дальнейшего развития мысли.
Так, в XVII веке немецкий ученый Иоганн Кеплер высказал теорию, близкую к представлениям Платона и Пифагора. По его мнению, свет – частица, или точнее, поток частиц, распространяющийся от какого-либо источника.
Корпускулярная гипотеза Ньютона
Ученый Исаак Ньютон выдвинул теорию, объединившую до некоторой степени противоречивые представления о данном явлении.
Согласно гипотезе Ньютона, свет – частица, скорость перемещения которой очень велика. Корпускулы распространяются в однородной среде, двигаясь равномерно и прямолинейно от источника света. Если поток этих частиц попадает в глаз, то человек наблюдает его источник.
По мнению ученого, корпускулы имели неодинаковые размеры, давая ощущения различных цветов. Например, крупные частицы способствуют тому, что человек видит красный цвет. Явления отражения потока света он аргументировал отскоком частиц от твердой преграды.
Белый цвет ученый объяснил сочетанием всех цветов спектра. На этом заключении построена его теория дисперсии – явления, обнаруженного им в 1666 году.
Гипотезы Ньютона нашли большое признание среди его современников, объясняя многие оптические явления.
Волновая теория Гюйгенса
Другой ученый того же времени, Христиан Гюйгенс, не согласился с тем, что свет – частица. Он выдвинул волновую гипотезу природы света.
Гюйгенс полагал, что все пространство между предметами и в самих предметах заполнено эфиром, а световое излучение – это импульсы, волны, распространяющиеся в этом эфире. Каждый участок эфира, до которого доходит световая волна, становится источником, так называемых вторичных волн. Опыты по интерференции и дифракции света подтвердили возможность волнового объяснения природы света.
Теория Гюйгенса не получила большого признания в его время, так как большинство ученых склонны были считать свет частицей. Однако она была впоследствии принята и доработана многими учеными, например, Юнгом и Френелем.
Дальнейшее развитие представлений
Вопрос, что такое свет в физике, продолжал занимать умы ученых. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой световое излучение – это высокочастотные электромагнитные волны. Его представления основывались на факте, что скорость распространения света в вакууме равняется скорости распространения электромагнитных волн.
В 1900 году Макс Планк ввел в науку термин «квант», переводящийся как «порция», «небольшое количество». Согласно Планку, излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а порционно, квантами.
Эти представления развил Альберт Эйнштейн. Он высказал мнение, что свет не только излучается, но также поглощается и распространяется частицами. Для их обозначения он использовал слово «фотоны» (термин впервые предложен Гилбертом Льюисом).
Корпускулярно-волновой дуализм
Свет стал первой материей в истории физики, у которой признали наличие корпускулярно-волнового дуализма. В дальнейшем это свойство было обнаружено еще у ряда материй, например, волновое поведение наблюдается у молекул и нуклонов.
Подводя итог, можно сказать, что свет – уникальное явление, история развития представлений о котором насчитывает более двух тысяч лет. Согласно современному понимаю данного явления, свет обладает двойственной природой, проявляя свойства и волн, и частиц.
Свет и цвет: основы основ
Мы окружены
Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.
На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.
От света к цвету и обратно
Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.
Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.
Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.
Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).
Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.
Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный — пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — иллюстрация 4.
Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения
Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.
Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения
Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).
– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.
– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии — нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный — алый — бордовый — бурый — черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».
– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.
– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.
Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).
Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.
Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop
Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% — это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) — это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 — это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах, в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.
Цвет объектов
Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.
Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.
Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.
— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.
— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.
— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.
Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).
Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра
Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.
Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра
Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.
Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра
Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.
В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.
Исследования природы света величайшими умами человечества
Первые шаги к пониманию свойств света сделал знаменитый древнегреческий математик Евклид в третьем веке до нашей эры. Он обратил внимание на нечто столь очевидное, что многим из нас и в голову не приходит над этим задуматься. Для оценки расстояния наш мозг принимает как данность следующее: чем предмет дальше, тем меньше он видится человеку. Задавшись вопросом, почему крупные предметы вдалеке не отличаются от предметов небольших, но расположенных вблизи, Евклид открыл одно из основополагающих свойства света. Чем это можно объяснить? Евклид открыл, что свет распространяется по прямой линии. С этого открытия берет начало научное понимание природы света. И осознание того, что если изменить путь, который проделывает свет, изменится и то, как мы видим окружающий мир. Но для полного осознания этого факта, потребуется еще две тысячи лет. Решающее открытие сделает один из основоположников современной науки.
Галилео Галилей, его телескоп и основы мироздания
Летом 1669 года, Галилео Галилей, отправился в Венецию – столицу венецианской республики. Галилео был известен как непревзойденный естествоиспытатель и математик, нечуждый еретических взглядов. Будучи профессором университета, Галилей, имел постоянный источник дохода, однако часто оказывался на грани нищеты. Он постоянно искал способы поправить свое финансовое положение. Венецию в то время будоражили слухи об инструменте, который делал, казалось бы невозможное. Так называемая, подзорная труба, приближала удаленные предметы. Галилей понял, что ему улыбнулась удача.
Последнее достижение научно-технического прогресса того времени – устройство подзорной трубы, хранилось в строжайшей тайне. Галилею было известно лишь то, что нужны были две линзы, особым образом, расположенные в трубке. Так что устройство собственного прибора он тоже держал от всех в тайне.
То, что стекло каким-то образом искривляет свет, было известно с момента изобретения первых очков в начале тринадцатого века. Но в отличие от очков, в подзорной трубе и телескопе, используется система линз, которая располагается в строго определенном порядке.
Собранный за несколько недель телескоп Галилея, имел восьмикратное увеличение, то есть, был гораздо мощнее, чем первые подзорные трубы. Оставалось только обратить изобретение в звонкую монету.
И вот 21 августа 1609 года, Галилей взобрался на одну из городских колоколен и продемонстрировал свое изобретение местной знати. Телескоп произвел фурор. Теперь венецианцы были в состоянии заметить приближение кораблей на два часа раньше, чем при наблюдении невооруженным глазом. Военное преимущество и экономические выгоды, которые могла дать подобная информация, были очевидны всем присутствующим. Галилей подарил свой телескоп венецианскому доджу, а взамен ему было обещано пожизненное трудоустройство и двойное жалование.
Поправив свои финансовые дела, Галилей приступил к созданию более мощного телескопа. С его помощью великий ученый вознамерился изменить представление человека о мироздании.
В 1610 году, вышла книга Галилея «Звездный вестник». В ней приводится описание его астрономических наблюдений через оптический прибор.
Издревле считалось, что Земля является центром мироздания, а все небесные тела имеют гладкую поверхность. В телескоп Галилей разглядел, что поверхность Луны не равна и шершава, что там существуют кратеры и горы, достигающие шести километров в высоту, насколько он мог судить по теням, которые они отбрасывают.
Раскрыв ошибочность прежних теорий о небесных телах, телескоп дал Галилею представление и о масштабе Вселенной. Его взору открылось гораздо больше звезд, чем было видно невооруженным глазом. В последних главах книги Галилей сообщает об открытии четырех светил, расположенных на одной оси с Юпитером. Из его рисунков видно, как ночь за ночью меняется их положение. И ввиду того, что тела оставались на одной оси, Галилей заключил, что это вероятно спутники Юпитера, то есть, — это не звезды, — это луны.
Увиденное Галилеем в телескоп, опровергло общепринятое мнение, что Земля является центром, вокруг которого, вращается вся Вселенная.
Открытие спутников Юпитера означало, что не все во Вселенной вращается вокруг Земли, и, что Земля не центр мироздания, а всего лишь одна из множества планет.
Умение искривлять световые волны открыло Галилею глаза на природу мироздания и места человека в нем.
А следующее открытие в области природы света, уводит нас далеко за пределы солнечной системы и знакомит с историей зарождения звезд.
Открытие Ньютоном спектра белого света
Исаак Ньютон – один из величайших ученых в истории человечества. Это он сформулировал закон всемирного тяготения. Не менее важными были исследования Ньютона в области исследования природы света. Мало кто знает, как зародился его интерес к оптическим явлениям. Ньютон купил на ярмарке стеклянную призму из-за ее удивительного свойства – разлагать солнечный свет. Позднее Ньютон напишет, что пытался воспроизвести феномен разложения белого света на цвета радуги. Его опыты предварили одно из фундаментальных открытий в области природы света.
Многие ученые полагали, что радужные цвета белому свету придавала сама призма. Ложность этой гипотезы Ньютон доказал путем уникального эксперимента. Он собственноручно зарисовал опыт, результаты которого называл решающими. Он установил призму так, что свет на нее падал из небольшого отверстия в плотной материи, которой были закрыты окна. Свет проходил через призму и разлагался на составные цвета на экране. Надо сказать, что эти свойства призмы в то время были уже известны, но Ньютон пошел еще дальше.
Во-первых, он поставил два листа плотной бумаги так, чтобы между ними попал только один цвет, например, оранжевый. А затем пропустил этот цвет через вторую призму. Если бы цвета придавала сама призма, то она добавила бы к этому цвету, все остальные цвета радуги, но получился все тот же оранжевый цвет. Призма ничего к нему не добавила. Из этого Ньютон заключил, что цвета изначально содержались в белом свете. И что призма, как таковая, никакие цвета не производит, а лишь разлагает, проходящий через нее белый свет, на составные части.
Цвета, составляющие белый свет, Ньютон назвал – спектром. Использование этого открытия вместе с телескопом, принесло поразительные результаты.
Спектральный анализ позволил ученым сделать еще один шаг в изучении Вселенной. Исследователи определили, что между цветами спектра имеются тонкие черные полосы. Это линии поглощения. Вскоре их существованию нашли объяснение. Дело в том, что атомы в верхних слоях атмосферы, поглощают часть световых волн, испускаемых Солнцем. Это открытие позволило ученым определить химический состав нашего светила.
Каждый элемент поглощает световые волны строго определенной длины. Это словно подсказка, – из каких химических элементов состоит небесное тело, свет которого, достиг Земли.
В Римской обсерватории спектральный анализ использовали для изучения света, достигшего Земли из глубин Вселенной.
Спектральный анализ звезд Анджело Секки
Анджело Секки, был не просто священником. Другие члены ордена Иезуитов, косились на него, как на еретика. А ведь он имел звание профессора физики и был фанатично предан астрономии.
В 1852 году, Секки возглавил ватиканскую обсерваторию. Астрономы в то время занимались тем, что составляли звездные карты и отслеживали движения светил на небосводе. Но Секки был не таков. Ему хотелось знать, что такое звезды. В обсерватории, он занялся спектральным анализом света звезд. Подсоединив к телескопу обсерватории спектроскоп, астроном-иезуит собрал спектральные характеристики более четырех тысяч звезд. Все свои наблюдения он собрал и систематизировал в книге «Звезды» в 1877 году.
Например, спектральный анализ звезды Сириус показал, что она расположена на расстоянии 8,6 световых лет от Земли и в двадцать раз ярче Солнца. В ее спектре отчетливо видна последовательность, свидетельствующая о наличии водорода. Эта звезда относительно молода. В спектре самых ярких и горячих звезд отчетливо прослеживается обилие двух самых легких элементов: водорода и гелия. По мере старения звезды остывают, а в спектре начинают проявляться наличие более тяжелых элементов.
Это открытие стало, без преувеличения, поворотной точкой в астрономии. Человек научился получать информацию о далеких звездах, изучая их свет.
Секки систематизировал данный о звездах на разных стадиях их развития и его наблюдения сделали возможным следующие. По характеру излучения звезд, человек научился определять их жизненный цикл, время из зарождения, и время гибели. Спектральный анализ раскрыл перед человеком историю жизни звезд. Вы только представьте себе! То, что начиналось, как обычный опыт в темной комнате, значительно расширило наши знания о Вселенной. Ведь рассеянный свет, достигаемый Земли через значительные расстояния, может поведать об истории мироздания.
Но этим возможности спектрального анализа не исчерпываются. Науке известно, что спектр состоит из световых волн различной длины, и, что существуют световые волны, так называемого, невидимого спектра. Спектр, от самых длинных волн, применяемых для передачи радиосообщений, до самых коротких, то есть, гамма лучей, охватывает широчайший диапазон. Широта его определяется числом, равным единице с тридцатью нулями. То есть разница между самыми длинными и короткими волнами – это все равно, что разница между массой одной единственной песчинки и массой всей воды в мировом океане. И дневной свет, то есть световые волны, доступные нашему зрению, составляют лишь малую часть этого огромного диапазона.
Исследования природы света в двадцатом веке
Исследования спектра в 20 веке еще больше приблизили человека к пониманию тайн мироздания. В инфракрасном свете видны самые холодные звезды вселенной. А радиотелескопы, работающие на самых длинных волнах, принесли весть о далеких катаклизмах. Происходит нечто невообразимое. Взрываются звезды и целые галактики. А спутники настроены на поиск коротковолнового ультрафиолета. Орбитальные обсерватории улавливают ультрафиолетовое излучение, которое не доходит до поверхности Земли. Гамма лучи обладают большой проникающей способностью. Эти исследования открывают взору человека глубинную вселенную.
Свет оказался весьма удобным инструментом для исследования и изучения Вселенной, благодаря одному из своих самых загадочных свойств. Свет ведет себя как волна. А раз это волна, то волна, в какой среде? Океанские волны перемещает сама вода. То, что мы слышим, доносят воздушные волны. В вакууме воздуха нет, значит, нет и звуков. Видим же мы все вокруг, благодаря свету Солнца, который пересек 150 миллионов километров космической пустоты. Так, что же такое свет? И как могут быть волны там, где нет ничего? Ответ на эти вопросы объяснит нам, что такое свет, и, в конечном итоге, позволит взглянуть на зарождение Вселенной.
Частью ответа на этот вопрос, стало открытие, которое перевернуло наше представление о собственном зрении. Нам кажется, что световые волны пронизывают пространство мгновенно. Но еще во второй половине семнадцатого века выяснилось, что это не так. Даже свету требуется время на перемещение в пространстве и скорость света все-таки конечна. Наука не просто определила скорость света с невероятной точностью, она зафиксировала свет в движении. Зрение человека фиксирует лишь кратчайшую вспышку света. Свет движется со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Но знать с какой скоростью движется свет – это одно, а увидеть движение света – это совершенно другое.
Открытие скорости света имело колоссальное значение. В частности оно существенно приблизило науку к пониманию того, что такое свет.
Уравнения Джеймса Максвелла
Джеймс Максвелл был выдающимся физиком 19 века. Одним из его величайших достижений стали исследования в области электромагнитного поля. Свой первый научный труд, Максвелл представил в четырнадцать лет.
Шестидесятые годы девятнадцатого века увидели труд Максвелла, где он доказал, что электричество и магнетизм суть разные аспекты одного и того же явления. Однако его исследования привели к неожиданным результатам. Получилось так, что они раскрыли человеку истинную природу света. Если электромагнитные волны двигаются со скоростью света (исходя из четырех уравнений Максвелла), то это может означать, лишь одно – свет является одним из видов электромагнитного излучения.
Определив, наконец, природу света, наука смогла объяснить и одно из самых загадочных его свойств. Уравнения Максвелла показывают, что свет есть электромагнитные волны, путешествующие в пространстве. Это просто электрические магнитные колебания, которые подпитывают друг друга. Как известно у этих электромагнитных волн есть одно замечательное свойство. Им совершенно не нужна никакая среда. Они могут распространяться в пустоте.
Понимание того, что свет распространяется с определенной скоростью, и знание ее величины, позволили человеку заглянуть в прошлое. Смотря в зеркало с расстояния один метр, мы видим, какими мы были шесть наносекунд назад. Луну с поверхности Земли мы видим с опозданием в одну секунду, а Солнце с опозданием в восемь минут. Чем дальше мы смотрим в пространство, тем глубже мы проникаем в прошлое. Свет отраженный небесными телами в отдаленных просторах вселенной, достигает Земли через миллиарды лет. Но есть один источник, рассеянный свет которого идет к нам от самого начала времен, от момента зарождения Вселенной.
Реликтовое излучение космоса
В шестидесятых годах прошлого века учеными был пойман сигнал непонятного происхождения. В том спектральном диапазоне не должно было быть никаких сигналов из космоса. И вдруг ученые начали принимать мощные сигналы на антенну буквально отовсюду. Они были на порядок мощнее, чем шумовой фон галактики.
Вначале ученые решили, что это самые обыкновенные помехи, быть может, создаваемые самой антенной. Но потом начали искать астрономическое значение феномену. Сигнал шел не из пределов нашей галактики, и даже не из какой-то другой галактики. Казалось, что он поступает отовсюду. Его не мог излучать ни один из известных нам источников радиоволн. Ученым оставалось предположить только самое невероятное. Этот шум идет откуда-то из немыслимых глубин космоса, расположенных неизмеримо дальше, чем все известные нам источники радиосигналов.
Это были световые волны, такие древние, что со временем превратились в микроволны и охладились до нескольких градусов выше абсолютного ноля. Этот свет шел к земле практически все время существования Вселенной. Этот свет древнее любой звезды. По всей Вселенной до сих пор распространяются слабые отзвуки большого взрыва. Ученые назвали это реликтовым излучением. Оно появилось, когда возраст Вселенной составлял всего 380 тысяч лет. Оно позволяет взглянуть на мироздание в эпоху младенчества.
В раннюю эпоху своего существования, Вселенная представляла собой шар раскаленной плазмы, такой плотности, что заключенный внутри свет, не мог вырваться наружу. Затем по мере остывания плазма сжималась, и возникли первые атомы. В итоге, первый свет, тот, которому предстоит стать реликтовым излучением, вырвался на просторы космоса.
Значимость этого достижения, просто невозможно переоценить. Обитатели небольшой планеты, в системе ни чем непримечательной звезды, мы, презрели пространство и время и увидели Вселенную во всем ее величии. Так встал на место последний кусочек мозаики, составляющий актуальное представление о Мироздании. Написана последняя глава в использовании световых волн для изучения Вселенной.
Понимание природы света, позволило человеку осветить свой мир. Световые волны пронизывают как пространство, так и время. Практически все, что нам известно о вселенной, мы обязаны свойствам света.
Казалось, что дальнейшие исследования света, дадут ответы на все вопросы. Однако за последние тридцать лет, нам открылось нечто пугающее.
Большая часть Мироздания, нам просто напросто невидна. Вселенная не только бесконечна, ее скрывает вечная тьма, окутывающая ее на девяносто девять процентов.