Разговоры с Квантовой механикой. «Радужная» астрономия.

Представьте, что вы сидите в мягком кресле, укрывшись клетчатым пледом, и пьете чай. В кресле напротив вас устроилась прекрасная гостья, которая с радостью поддержит диалог и с удовольствием расскажет вам о себе. А зовут эту барышню… Квантовая механика! И сегодня у вас появился шанс задать ей все те вопросы, что будоражат умы ученых на протяжении последнего столетия!

Вдохновленная квантовой механикой работа фотографа Isabel M. Martinez.

Вдохновленная квантовой механикой работа фотографа Isabel M. Martinez. Источник: www.immartinez.com/

Начать разговор с такой важной гостьей всегда довольно нелегко, однако постепенно у вас с ней завязывается вот такой диалог:

- Вот Вы, госпожа Квантовая механика, принимаете непосредственное участие в изучении эволюции Вселенной. Безусловно, это дело почетное, но очень трудное. И мне, как обычному обывателю, не удается представить себе, что такое кварк-глюонная плазма, например. И как так получается, при первичном образовании ядерных элементов, что все фундаментальные частицы могли не иметь массы?

- Ну-ну, кто же начинает узнавать о Вселенной с таких сложных вопросов, решение которых на практике на данный момент получить почти невозможно?

- А с чего следовало бы начать с вашей точки зрения? Вы, барышня, по натуре своей далеко не простая личность. Думаете, мы найдем с Вами общий язык?
- Какое стереотипное мышление! Изучаю наипростейшие частицы – a считают меня чуть ли не наисложнейшей наукой! Но я ведь не только в теории хороша, но и помогаю познавать Вселенную с практической точки зрения.

- Простите, не хотела Вас обидеть. Расскажите-ка подробнее о том, как Вы помогаете нам познавать Вселенную на практике. Только как можно проще.

- Ну, хорошо. Как известно, люди с давних времен изучают небесные тела. На данный момент для подобных задач есть множество способов, но практически во всех из них используются различные телескопы. Оптические, радиотелескопы, гравитационные, нейтринные и т.д.

Сегодня телескопы могут выглядеть абсолютно по-разному и работать на совершенно разных физических принципах. Однако все они помогают нам познавать Вселенную.

Сегодня телескопы могут выглядеть абсолютно по-разному и работать на совершенно разных физических принципах. Однако все они помогают нам познавать Вселенную. Источник: galspace.spb.ru

- И Вас, конечно же, интересуют именно нейтринные телескопы?

- Это еще почему? Нейтрино ловить долго и нудно. Есть частицы, которые поймать проще остальных. И Вы, конечно же, о них слышали. Кванты света – фотоны. Переносчики электромагнитного взаимодействия. Таковых во Вселенной больше, чем других элементарных частиц.

- А зачем нам рассматривать свет на квантовом уровне? Неужели в изучении звезд это так важно?

- Еще как! Вот вы слышали о спектре света?

- Насколько я помню, спектр - это представление непрерывной электромагнитной волны в виде набора (суммы) отдельных волн различной частоты. В природе мы можем наблюдать собственными глазами лишь часть спектра – радугу. Помимо видимых, существуют и другие лучи: рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные, тепловые. Завершают этот список радиоволны. В экспериментальных целях свет раскладывают в спектр с помощью призмы.  Только как это связанно с астрономией?

- О! Напрямую! Это необходимо для спектрального анализа. Благодаря нему мы можем узнавать физические и химические характеристики небесных светил.

- Должно быть для такой работы одной призмы не достаточно?

- Только призмы – однозначно недостаточно. Но вот как часть одного прибора она просто незаменима. Называется такой прибор спектрографом. С его помощью мы можем не только получать спектр света, но и фотографировать его! Такие снимки называют спектрограммой.  Для разложения света в спектр на призму направляют пучок параллельных друг другу лучей под определенным углом. Это делается с помощью коллиматора - трубки с малюсенькой щелью одном конце и объективом на другом. Бывает, что для получения большей дисперсии спектрограф делают с двумя, а то и с тремя призмами.

Схематическое устройство спектрографа.

Схематическое устройство спектрографа.

- Ого, здорово! А все ли излучение небесных светил мы можем уловить с помощью спектрографа?

-  Увы, не все. Часть излучения поглощается атмосферой и просто не доходит до Земли. Так происходит, например, с жестким ультрафиолетом и рентгеном. (Хотя с обывательской точки зрения - это очень даже неплохо, ведь в противном случае жить на Земле было бы ой как несладко...)

- Но ведь различные источники света излучают по-разному, так?

- Да, само собой. Некоторые тела излучают волны только одной длины, свет других может состоять из нескольких видов волн, различных по интенсивности и яркости. От интенсивности света и длины волны зависит цвет источника. Есть источники, которые излучают одновременно свет всевозможных видов волн. Спектры таких источников называются непрерывными. Цвет источников непрерывного излучения зависит от того, как энергия распределена вдоль спектра. Например, если больше энергии излучается в зеленых лучах, то и цвет источника будет зеленый. Если же больше всего лучей испускается в лучах, которые глазу не видны, то цвет определяется по самой яркой части видимого непрерывного спектра.

Известный нам со школьных времен спектр электромагнитного излучения.

Известный нам со школьных времен спектр электромагнитного излучения. Источник: refdb.ru

- Ух ты! А волны в каком диапазоне может видеть человек?

- Человеческий глаз видит волны от 380 до 760 нанометров (1 нм = 10^{-9} метра). Остальные же электромагнитные волны не входят в диапазон видимого нам света. Например, ультрафиолетовое излучение. Его длина волны короче 380 нанометров. Тем не менее, на фотографическую пластинку действуют лучи и не входящие в видимый диапазон.

- Выходит, что особенности человеческого глаза делают спектральный анализ неэффективным? А что касается фотопластинки? Насколько она хороша в этом плане?

Болометр - тепловой приемник излучения.

Болометр - тепловой приемник излучения.

- Правильное замечание. Обычно в спектральном анализе изучают излучение в интервале от инфракрасного до ультрафиолетового. Как мы уже знаем, человек видит только середину спектра, причем самыми яркими для него являются желтые и зеленые лучи. Увы, но с помощью глаза мы не можем определить энергию излучения. Яркость излучения зависит от энергии в данном участке спектра и от чувствительности глаза. Из-за этого точности в измерении энергии глазами нет. Так же и с фотопластинкой.

- И как же быть? Неужели нет прибора, который помог бы в решении этой задачи?

- Есть! Он называется болометром. По своей сути это просто проволока, покрытая чернью, которая поглощает падающую на нее энергию, превращая ее в тепло. Во время этого процесса электропроводность проволоки меняется. Поэтому, если пропустить через нее электрический ток, то можно узнать то, как распределена энергия вдоль всего спектра.

- Ну хорошо, а если вернуться к спектрам небесных светил, то как мы их получаем и как они выглядят?

- Объектив телескопа, сфокусированный на щели спектрографа, дает точечные изображения звезд и протяженные изображения иных небесных тел. На фотопластинке получается изображение освещенной щели в различных местах. В каких именно – зависит от угла падения лучей на объектив фотокамеры. В итоге получается полоска спектра, состоящая из параллельных друг другу линий.

Вот так выглядят спектры некоторых звезд.

Вот так выглядят спектры некоторых звезд.

Длину волны излучения можно определить по месту, которое занимает соответствующая линия в спектре. Как я уже говорила, все спектры делятся на два типа:

  • Непрерывный – содержит все виды волн без перерыва
  • Линейчатый – спектр, источники которого излучают набор отдельных видов волн

Линейчатый спектр, в свою очередь, тоже бывает двух видов: излучения и поглощения. Если спектр имеет светлые линии, то его называют спектром излучения. Бывают случаи с непрерывным спектром, когда какое-то вещество перед источником поглощает свет определенных волн и появляются темные линии. В таких случаях возникает спектр поглощения.

Один из величайших физиков XIX века - Густав Кирхгоф.

Один из величайших физиков XIX века - Густав Кирхгоф. Источник: fictionbook.ru

Помню, как-то детстве моя бабушка рассказывала, что время от времени общалась с одним немецким физиком, Густавом Кирхгофом, который тогда активно увлекся изучением спектров нагретых тел. И после этих бесед он взял и сформулировал три закона о спектрах, связанных с состоянием вещества:

  1. Накаленное твердое тело или сильно нагретая жидкость излучают непрерывный спектр.
  2. Нагретый газ при низком давлении излучает спектр, состоящий из отдельных ярких линий испускания.
  3. Газ, помещенный перед более горячим источником непрерывного излучения, создает в спектре источника темные линии (линии поглощения), которые приходятся на те же длины волн, что и линии излучения этого газа.

Эх, ну и красавец же был этот Кирхгоф! Много чего еще полезного сделал, кстати! Жалко только, что мы с ним так и не познакомились, ведь он умер еще до моего рождения...

После этих слов госпожа Квантовая механика незаметно погрузилась в думы о прошлом, своей яркой молодости и гениальных ученых, встречавшихся на ее пути. Что касается нашего с ней диалога, то он обязательно продолжится, причем ровно через неделю!

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

Комментарии: