Текст книги "Новейшая книга фактов. Том 3. Физика, химия и техника. История и археология. Разное"

Как обнаружены инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, недоступные глазу?

В 1800 году английский астроном и оптик Уильям Гершель (1738–1822) выполнил очень простой, но интересный эксперимент, намереваясь проверить, действительно ли тепло, как принято было тогда считать, равномерно распределено по солнечному спектру. Передвигая термометр вдоль солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показываемая им температура не только непрерывно повышалась при перемещении от ультрафиолетового конца спектра к красному, но ее максимум вообще достигался в области, лежащей за красной частью спектра, то есть там, где глаз никакого света не видит. Гершель объяснил это явление невидимым тепловым излучением, исходящим от Солнца и отклоняемым призмой слабее красного цвета, почему оно и получило название инфракрасного (ниже красного). В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) сделал другое открытие, «симметричное» открытию Гершеля и столь же важное. Он задался целью исследовать химическое действие различных участков светового спектра. Для этого он применял хлористое серебро, почернение которого под действием лучей обнаружил еще в 1727 году Иоганн Генрих Шульце (1687–1744). Риттер установил, что химическое действие излучения возрастает постепенно по спектру от красного конца к фиолетовому и достигает максимума за фиолетовой областью – там, где глаз уже не воспринимает никакого света. Так было найдено в спектре новое излучение, присутствующее в солнечном свете и преломляемое призмой сильнее, чем фиолетовое, в связи с чем его и назвали ультрафиолетовым (выше фиолетового). Практически одновременно с Риттером ультрафиолетовое излучение открыл английский ученый Уильям Хайд Волластон (1766–1828), проводивший аналогичные опыты с раствором гуммигута, который под действием света меняет свой цвет с желтого на зеленый.

При каких условиях возникает мираж?

Мираж – оптическое явление в атмосфере, состоящее в том, что вместе с отдаленным предметом (или участком неба) видно его мнимое изображение, смещенное относительно предмета. Если предмет находится под горизонтом, видно только мнимое изображение. Мираж может располагаться под предметом (нижний мираж), над предметом (верхний мираж) и сбоку от него (боковой мираж). Мираж объясняется искривлением лучей света, идущих от предмета, вследствие аномального распределения показателя преломления света в атмосфере, которое связано с распределением температуры (и следовательно, плотности) воздуха. Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (росте ее с высотой), нижний мираж – при очень большом вертикальном градиенте температуры (то есть сильном падении ее с высотой) над перегретой ровной поверхностью (пустыня, дорога). Мнимое изображение неба создает при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой. Боковой мираж иногда наблюдается у сильно нагретых стен или скал.

Что такое фата-моргана?

Фата-морганой называют редко встречающуюся разновидность миража, когда на горизонте появляются сложные и быстро меняющиеся изображения предметов с разнообразными искажениями. Фата-моргана по своей сути представляет одновременное появление нескольких форм миража. Возникает она, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку искаженных изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создает причудливую картину фата-морганы. В некоторых средиземноморских странах фата-морганой называют обычный мираж в любой его форме.

Во сколько раз освещенность, создаваемая ночью полной Луной, больше освещенности, создаваемой безоблачным ночным небом (без Луны)?

Освещенность ночью при полной Луне в зените составляет 0,25 люкса, а освещенность, создаваемая безоблачным ночным небом (звездами) в безлунную ночь, равна 0,0003 люкса. Таким образом, в безоблачную ночь Луна ярче звезд более чем в 800 раз.

Во сколько раз Солнце ярче освещает Землю летом, чем зимой?

Освещенность, создаваемая солнечным светом в средних широтах Земли летом, составляет величину порядка 100 тысяч люксов, зимой – величину порядка 10 тысяч люксов. Таким образом, освещенность, создаваемая солнечным светом летом, больше освещенности, создаваемой солнечным светом зимой, на порядок, то есть приблизительно в 10 раз.

Во сколько раз освещенность, создаваемая солнечным светом, больше освещенности при полной Луне ночью?

Освещенность, создаваемая солнечным светом, больше освещенности при полной Луне ночью на поверхности нашей планеты в 40—400 тысяч раз (в зависимости от времени года), а вне земной атмосферы – в 540 тысяч раз.

Кто лучше исполняет роль ночного светила: Луна в отношении Земли или Земля в отношении Луны?

Освещенность, создаваемая полной Луной в зените на поверхности Земли, составляет 0,25 люкса, а освещенность, обеспечиваемая Землей на Луне в полнолуние, равна 15 люксам. Таким образом, с ролью ночного светила Земля справляется в 60 раз лучше, чем Луна.

Что такое поляризованный свет?

Свет, излученный Солнцем или обыкновенной электрической лампой, состоит из электромагнитных волн, совершающих колебания во всех возможных направлениях вокруг светового луча. Из этих неупорядоченных колебаний можно «вырезать» волну с одним-единственным направлением колебаний в одной плоскости. Такой свет называется плоскополяризованным. Поляризация происходит при прохождении света сквозь некоторые кристаллы (турмалин, исландский шпат) и тонкие пленки из синтетических материалов. Свет, прошедший через такой поляризатор, на взгляд ничем не отличается от обычного. Но если на пути поляризованного луча поместить второй кристалл или кусок пленки – анализатор, – обнаружатся его особые свойства. При повороте анализатора вокруг оси, совпадающей с направлением луча, проходящий свет периодически пропадает. Это происходит в тот момент, когда поляризаторы «скрещены» – пропускают колебания во взаимно перпендикулярных направлениях. Если же между скрещенными поляроидами поместить несколько листочков целлофана или полоску прозрачной пластмассы, станут видны разноцветные полосы, покрывающие всю поверхность. Явление поляризации света открыл в 1699 году датчанин Эразм Бартолин (1635–1698), экспериментировавший с кристаллом исландского шпата. Сам термин «поляризация света» ввел французский военный инженер Этьенн Малюс (1775–1812). В 1808 году он обнаружил, что свет, отраженный от поверхности воды или стекла, поляризуется так же, как при прохождении сквозь исландский шпат. В 1811 году Малюс открыл поляризацию света при преломлении. В 1815 году шотландский физик Дэвид Брюстер (1781–1868) открыл замечательный закон, названный его именем. Закон гласит, что свет полностью поляризуется, если падает на поверхность вещества под углом, тангенс которого равен показателю преломления вещества. При этом преломленный луч пойдет перпендикулярно отраженному и будет максимально (но не полностью) поляризован. Если же свет пропустить через стопку стеклянных пластин, степень поляризации будет возрастать пропорционально числу поверхностей. На практике бывает достаточно 7–8 пластинок, чтобы получить полностью поляризованный свет. Важно, что поляризация происходит только при отражении от диэлектрика, изолятора. Отражение от металла (например, покрывающего зеркала) происходит по другим законам и свет не поляризует.

Что представляет собой радуга?

Радугой мы называем оптическое явление в атмосфере, имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается радуга в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск и глаз наблюдателя, то есть в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42 градуса. Последовательность цветов в радуге такая же, как в солнечном спектре, причем обычно по наружному краю располагается красный цвет, по внутреннему – фиолетовый. Со стороны внутреннего края иногда бывают видны вторичные цветовые дуги, примыкающие к главной радуге. Видимая часть дуги определяется положением Солнца: когда оно на горизонте, радуга имеет вид полукруга, с повышением Солнца видимая часть дуги уменьшается, и при высоте Солнца в 42 градуса радуга исчезает. Явление, подобное радуге, можно наблюдать в брызгах фонтанов, водопадов. Возможно появление лунной радуги и радуги от искусственных источников света. Нередко наблюдается вторая радуга с угловым радиусом около 52 градусов и обратным расположением цветов. Радуга с древнейших времен привлекала пристальное внимание человека. В Библии она фигурирует в качестве знамения, данного Богом в знак прощения и примирения с людьми. Английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон (около 1214–1292) тщательно рассмотрел явление радуги в главном своем сочинении «Большой труд». Он полагал, что цвета радуги представляют собой субъективное явление, вызванное влажностью глаза. Первую теорию радуги дал в 1637 году французский философ и математик Рене Декарт (1596–1650). Более точную теорию разработал в 1836 году английский астроном Джордж Эри (1801–1892). Его теория основана на расчете явлений дифракции и интерференции, сопровождающих встречу солнечных лучей с решеткой, образуемой дождевыми каплями.

Как запомнить последовательность цветов в спектре солнечного света?

Для этой цели кто-то когда-то придумал очень простую и легко запоминающуюся фразу. В ней каждое слово начинается с той же буквы, что и название соответствующего цвета, а последовательность начальных букв в точности повторяет последовательность цветов в спектре солнечного света: Каждый (К – красный цвет) охотник (О – оранжевый) желает (Ж – желтый) знать (З – зеленый), где (Г – голубой) сидит (С – синий) фазан (Ф – фиолетовый).

Как впервые обнаружена конечность скорости распространения света?

В 1672 году директор Парижской обсерватории Жан Доминик Кассини (1625–1712), исследуя спутники Юпитера, заметил определенные запаздывания в моментах вхождения одного из них – Ио – в конус тени планеты и выхода из нее, как если бы время обращения спутника вокруг Юпитера было больше, когда он находится дальше от Земли. Это явление никто не мог объяснить, пока его исследованием не занялся датский астроном Олаф Рёмер (1644–1710), который пришел к выводу, что наблюдаемую аномалию движения Ио следует приписать конечности скорости распространения света. В сентябре 1676 года Рёмер предсказал отставание, которое должно наблюдаться при предстоящем затмении Ио в ноябре. Убедившись в правильности прогноза, он представил свою теорию Парижской академии наук, где она встретила сильное сопротивление. Даже Кассини, который сам принимал участие в наблюдениях, снял с себя ответственность за выводы Рёмера. Окончательно подтвердил теорию Рёмера английский астроном Джеймс Бредли (1693–1762), когда он, пытаясь определить параллакс некоторых звезд, в 1725 году обнаружил, что в своей кульминации они кажутся отклоненными к югу. Наблюдения, продолжавшиеся до 1728 года, показали, что в течение года эти звезды как бы описывают эллипс. Бредли интерпретировал это явление как результат сложения скорости света, идущего от звезды, со скоростью орбитального движения Земли. Хотя земные измерения скорости света были проведены лишь в следующем столетии, после Бредли конечность скорости распространения света была единодушно принята как опытный факт.

Как велика скорость света в вакууме?

Скорость распространения электромагнитных волн (в том числе световых) в свободном пространстве (вакууме) является одной из фундаментальных физических постоянных. Ее огромная роль в современной физике определяется тем, что скорость света представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и не изменяется при переходе от одной системы отсчета к другой. Никакие сигналы не могут быть переданы со скоростью, большей скорости света. Величина скорости света связывает массу и полную энергию материального тела; через нее выражаются преобразования координат, скоростей и времени при изменении системы отсчета; она входит во многие другие соотношения. По современным данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 метрам в секунду.

Какие цвета называют дополнительными?

Дополнительными называют такие цвета, которые при смешении (сложении) составляющих их излучений образуют цвет, воспринимаемый глазом как белый. Излучения, составляющие дополнительные цвета, могут иметь самые различные спектральные составы – от монохроматических до излучений со сплошным спектром. Чтобы получить два пучка света (со сплошным спектром), отвечающих дополнительным цветам, достаточно пропустить пучок белого света (например, солнечного) через непоглощающее светоделительное зеркало, которое сильно отражает одну часть спектра и пропускает другую часть спектра, которая будет иметь дополнительный к первой цвет. В качестве примера дополнительных цветов можно привести следующие: для красного – синевато-зеленый, для оранжево-красного – голубовато-зеленый, для желтого – синий, для зелено-желтого – фиолетовый.

В чем сущность оптического эффекта под названием «зеленый луч»?

Зеленым лучом называют вспышку зеленого света над диском Солнца при его заходе, наблюдаемую в течение нескольких секунд, когда верхний край солнечного диска исчезает за горизонтом. Происхождение зеленого луча связано с рефракцией солнечных лучей в атмосфере. Поскольку атмосфера в нижних слоях плотнее, чем в верхних, лучи света, проходя через нее, искривляются и разлагаются на основные цвета, так как преломление красных лучей несколько меньше, чем зеленых и голубых; при этом угол преломления лучей увеличивается по мере приближения светила к горизонту. При спокойном состоянии атмосферы «растягивание» спектра от верхнего (фиолетового) до нижнего (красного) края достигает 30 угловых секунд. На длинном пути солнечных лучей сквозь нижние слои атмосферы большая часть желтых и оранжевых лучей поглощается водяным паром и молекулами кислорода, фиолетовые и голубые значительно ослабляются вследствие рассеяния, так что остаются главным образом зеленые и красные лучи. Это приводит к тому, что видны два солнечных диска, зеленый и красный, в большей части, но не полностью перекрывающие друг друга. Поэтому в последний момент перед полным исчезновением солнечного диска, когда его красное изображение оказывается под горизонтом, короткое время виден верхний край зеленого изображения. Зеленый луч наблюдается лишь при очень прозрачном воздухе, чаще всего на морском горизонте. Иногда, если воздух очень чист, виден и голубой луч. Зеленый луч может возникать и при восходе Солнца.

Кто изобрел зрительную трубу?

В 1608 году один из учеников Ганса Липперши, голландского мастера по изготовлению очков, развлекаясь в свободное от работы время, стал рассматривать предметы через две линзы, расположенные одна за другой. Он очень удивился, обнаружив, что предметы, находившиеся на некотором расстоянии, выглядели так, будто были у него на ладони. Ученик рассказал об этом хозяину, и Липперши изготовил первую зрительную трубу, поместив в трубке на соответствующем расстоянии друг от друга две линзы. Принц Мауриций Нассау, командовавший голландскими вооруженными силами, понял, что этот инструмент можно применять в военных целях, и приказал держать его в секрете. Однако слухи об изобретении приспособления, позволяющего хорошо рассмотреть отдаленный предметы, все же распространились. Среди тех, до кого дошли эти слухи, был великий физик, механик и астроном Галилео Галилей. Зная лишь то, что в загадочном приспособлении используются линзы, Галилей сумел самостоятельно разобраться в принципе его действия. В 1609 году он собственноручно собрал свою зрительную трубу, значительно более совершенную, чем изготовленная Липперши. Проведя с помощью зрительной трубы множество наблюдений земных объектов в самых разнообразных условиях и убедившись в достоверности получаемой с ее помощью информации, Галилей обратил ее к небу и тем самым превратил зрительную трубу в телескоп – важнейший инструмент науки нового времени.

Во сколько раз температура термоядерной реакции выше температуры видимой поверхности Солнца?

Температура видимой поверхности Солнца составляет величину около 7 тысяч градусов Кельвина. В центре Солнца, где протекает термоядерная реакция (превращение ядер водорода в гелий), температура, по современным представлениям, достигает величин около 15 миллионов градусов. Таким образом, температура термоядерной реакции выше температуры видимой поверхности Солнца приблизительно в 2,5 тысячи раз.

Сколько «элементарных» частиц известно в настоящее время?

Элементарными частицами называют мельчайшие частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям – это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, которые называются в современной теории элементарными, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением истинно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды, выражаемой дробью с единицей в числителе и единицей с 22–24 нулями в знаменателе (для резонансов). Рассказывают, что когда некий студент спросил Энрико Ферми о названии какой-то элементарной частицы, великий физик ответил: «Молодой человек, если бы я мог запомнить названия всех этих частиц, я бы стал ботаником».

Что такое антимир?

Антимиром называют гипотетический космический объект (типа звезды или галактики), состоящий из антивещества – материи, построенной из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антипротонов и антинейтронов, а атомные оболочки построены из позитронов. Гипотезу о существовании антивещества и антимиров впервые высказал в 1933 году английский физик Поль Дирак (1902–1984). До настоящего времени она не подтверждена и не опровергнута наблюдениями – скопления антивещества во Вселенной пока не обнаружены. Но на ускорителях заряженных частиц получены ядра антидейтерия и антигелия.

Что такое аннигиляция?

В физике термин «аннигиляция», буквально означающий «исчезновение», «уничтожение» (лат. annihilatio, от ad – к и nihil – ничто), принят для наименования одного из видов превращений элементарных частиц, происходящего при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение – фотоны или в другие частицы – кванты физического поля иной природы. Обратным по отношению к аннигиляции процессом является рождение пары, когда в результате взаимодействия электромагнитных или других полей одновременно возникают частица и античастица. При соударении электрона и его античастицы – позитрона – оба они могут исчезнуть, образовав два фотона (гамма-кванта). Столкновение протона и антипротона может привести к их взаимоуничтожению, которое сопровождается одновременным появлением нескольких гораздо более легких частиц, квантов ядерного поля – пимезонов. Гамма-квант, если он обладает достаточно большой энергией, может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон – позитрон. Таким образом, речь идет не об уничтожении или самопроизвольном возникновении материи, а лишь о взаимопревращениях частиц. Эти взаимопревращения управляются фундаментальными законами сохранения, такими как законы сохранения энергии и количества движения (импульса), момента количества движения, электрического заряда и др.