Текст книги "65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё"
![](/books_files/covers/thumbs_240/65-nedetskih-voprosov-o-tom-kak-ustroeno-vse-310456.jpg)
Автор книги: Кирилл Половников
Жанр: Классическая проза, Классика
Возрастные ограничения: +12
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 3 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]
Вопрос 9. Чему равна скорость света и как ее измерили?
С древних времен ученые спорили о природе света: является ли он волной или потоком частиц[8]8
Более подробно мы обсудим этот вопрос в главе «Что такое корпускулярно-волновой дуализм?» (стр. 150).
[Закрыть]. Однако вопрос, по которому почти все они сходились, был вопрос о скорости света – считалось, что скорость света бесконечна. Действительно, как только мы зажигаем огонь или включаем дома лампу, то свет практически мгновенно распространяется во все стороны. Или во время грозы мы всегда сначала видим молнию, свет которой практически мгновенно доходит до нас, и лишь через несколько секунд слышим раскаты грома (хотя и гром, и молния в месте разряда возникают одновременно). Тем не менее попытки измерить скорость света постоянно предпринимались. К примеру, Галилей попытался сделать это следующим образом: он поставил на вершину одного холма своего ассистента, а на вершине другого холма встал сам. После чего Галилей открывал затвор фонаря, подавая тем самым сигнал ассистенту, чтобы тот открыл затвор своего, как только увидит свет фонаря Галилея. Измеряя время между подачей сигнала и получением ответа от ассистента, он надеялся измерить скорость света. Но единственное, что можно было измерить таким образом, это скорость реакции человека. Так что Галилей сделал вывод, что скорость света должна быть беспредельно велика. Тем не менее одно из открытий, которое сделал Галилей, помогло другому ученому впервые измерить эту величину.
В 1609 году Галилей узнал, что в Голландии изобрели «зрительную трубу». Она использовалась для наблюдения удаленных объектов в мореплавании и не только. Но Галилей решил направить эту зрительную трубу в небо. Так был создан первый в истории телескоп. С его помощью Галилей сделал множество открытий: от гор на поверхности Луны до более детального изучения звезд нашей галактики, Млечного Пути. Но наиболее поразившим всех открытием было обнаружение четырех лун Юпитера[9]9
Более подробно о планетах Солнечной системы и нашей Галактике мы расскажем в главе «Насколько огромна наша Вселенная?» (стр. 320).
[Закрыть]. Оказалось, что вокруг Юпитера вращаются целых четыре естественных спутника, сегодня их называют галилеевыми[10]10
На начало 2023 года астрономами обнаружено уже 95 естественных спутников Юпитера.
[Закрыть]. Они представляют собой яркие небесные тела, которые отлично видны даже с Земли в отраженном свете Солнца. Поэтому Галилей назвал их «Звездами Медичи», в честь своего покровителя Великого герцога Тосканского Козимо II де Медичи.
Это открытие имело также очень важное практическое значение. Для задач морской навигации очень важно знать географическую долготу, а для ее определения необходимо знать точное время на корабле. Но достаточно точных часов в те времена еще не сконструировали, поэтому для определения времени нужно было выбрать какое-то небесное явление, которое происходило каждый день в одно и то же время. И в качестве такого явления решили выбрать затмение одной из четырех галилеевых лун, спутника под названием Ио.
Все спутники Юпитера, как и наша Луна, обращаются вокруг своей планеты равномерно, т. е. совершают один оборот всегда за одно и то же время. Пока спутник проходит перед Юпитером, он освещается светом Солнца и отлично виден с Земли. Однако когда он заходит в тень планеты, то перестает быть видимым. Это явление и называется затмением спутника. Через некоторое время, когда спутник облетает планету с другой стороны, он снова попадает под лучи Солнца и его опять можно увидеть с Земли. Период обращения Ио вокруг Юпитера составляет 42 часа 28 минут, поэтому его затмение должно повторяться именно с такой периодичностью.
В 1972 году Оле Рёмера (1644–1710), тогда еще молодого датского астронома, пригласили работать в новую Королевскую обсерваторию в Париже, где он более года наблюдал за затмениями Ио. По итогам своих наблюдений Рёмер обнаружил некоторые странности в поведении спутника: периодичность его затмений постоянно менялась. Когда Земля находилась на своей орбите ближе к Юпитеру, затмения Ио происходили чуть раньше рассчитанных. А через полгода, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, удалялась от Юпитера, эти затмения происходили с задержкой, которая достигала 22 минут[11]11
Однако позже выяснилось, что на самом деле задержка составляет 16 минут 40 секунд.
[Закрыть]. Оле Рёмер предположил, что так происходит потому, что свету от Ио приходится преодолевать большее расстояние, когда Земля находится на противоположной стороне своей орбиты. Это открытие было представлено Королевской академии наук и опубликовано 7 декабря 1676 года в старейшем научном журнале мира Journal des Savants.
![](i_008.jpg)
Зная диаметр орбиты Земли (примерно 300 млн км) и время задержки затмения, можно рассчитать скорость света. Однако сам Рёмер не знал, чему равно это расстояние. Поэтому уже Христиан Гюйгенс использовал данные Рёмера для своих вычислений. В результате он получил хоть и огромное, но все-таки конечное значение 220 000 км/сек.
![](i_009.jpg)
Примерно через семьдесят лет после публикации работы Рёмера, в 1849 году, другой французский ученый, Арман Ипполит Луи Физо (1819–1896) уточнил значение скорости света уже в земных условиях. Он разработал весьма элегантный способ – так называемый метод прерываний. Физо направлял под углом пучок света на полупрозрачное зеркало (А). Одна часть этого пучка проходило сквозь зеркало (эта часть нам неинтересна), а вторая часть отражалась и направлялась сквозь вращающееся зубчатое колесо (В) на второе, уже обыкновенное зеркало (Б), расположенное на расстоянии 8,6 км от колеса. Отраженный от этого зеркала пучок света проходил обратно сквозь зубчатое колесо (В) и опять попадал на полупрозрачное зеркало (А). Там одна часть этого пучка отражалась (теперь она нам неинтересна), а вторая часть пучка проходила сквозь полупрозрачное зеркало и попадала к наблюдателю.
Разумеется, если при вращении зубчатого колеса пучок света попадал не в промежуток между зубцами, а на сам зубец, то наблюдатель ничего не видел. Поэтому Физо подобрал такую скорость вращения зубчатого колеса, чтобы за то время, пока пучок света шел до зеркала (Б) и обратно, колесо успевало провернуться ровно на одно деление. Зная скорость вращения колеса, размер зубцов и расстояние между ними, Физо смог вычислить значение скорости света. По его подсчетам получилось, что скорость света равна 313 000 км/с.
Еще через год другой французский физик Леон Фуко (1819–1868) немного усовершенствовал этот эксперимент, увеличив точность измерений. Он получил значение скорости света, равное 298 000 км/с, при этом погрешность составила 500 км/с. После этого эксперимент многократно повторялся, видоизменялся, а точность измерений постоянно увеличивалась. Наконец в 1972 году, уже с помощью лазеров, удалось снизить погрешность измерений скорости света приблизилась до 1 м/с и получить значение равное 299 792 458 м/с. Оказалось, что еще больше увеличить точность измерений скорости света невозможно из-за того, что эталон одного метра (металлический брусок из сплава платины и иридия) изготавливался именно с такой погрешностью. Поэтому в 1983 году на XVII Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение отныне в качестве эталона одного метра считать не длину этого бруска, а расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 долю секунды. Так что скорость света равна в точности 299 792 458 м/с.
Конечно, в масштабах Земли это очень большая скорость. Поэтому в повседневной жизни нам кажется, что свет распространяется мгновенно. Действительно, всего за 1 секунду свет может облететь 7,5 раза вокруг Земли (разумеется, при условии, что вам удастся заставить его двигаться именно по экватору). Однако в космических масштабах это уже не такая уж и огромная величина. К примеру, от Солнца до Земли свет идет примерно восемь минут; до Нептуна, самой далекой планеты Солнечной системы, – более четырех часов; а до ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, – вообще более четырех лет. Так что если вам захочется поговорить с кем-нибудь из этой звездной системы, то придется ждать ответа на каждый свой вопрос более восьми лет: сначала четыре года, пока ваш сигнал дойдет до Проксимы Центавра, и потом еще столько же, пока ответный сигнал вашего собеседника дойдет до Земли. А если мы взглянем на совсем далекие от Земли звезды, то свет от них может идти до нас миллионы или даже миллиарды лет. О таких космических масштабах мы поговорим в главе «Насколько огромна наша Вселенная?» (стр. 320).
Электромагнетизм – вторая из четырех фундаментальных сил, существующих в природе. Это настолько важная сила, что ее влияние на нашу жизнь очень сложно переоценить. Именно электромагнитное взаимодействие создает силы трения и силы упругости, с которыми мы познакомились в предыдущей части книги. Да и любые взаимодействия между отдельными атомами и молекулами также имеют электромагнитную природу. Поэтому практически все химические и биологические процессы управляются этой силой. Благодаря электромагнетизму мы вообще можем видеть, поскольку свет – это один из видов электромагнитных волн. За счет электрической энергии работают все наши бытовые приборы. Поэтому во второй части этой книги мы обсудим электродинамику – раздел классической физики, который описывает электрические и магнитные явления.
Часть 2
Электродинамика
Вопрос 10. Откуда берется электричество и какое оно бывает?
С электричеством мы сталкиваемся практически каждый день, наши дома буквально наполнены всяческими электроприборами: лампы, телевизоры, компьютеры, холодильники, стиральные машины и т. д. И всё это превратится просто в груду бесполезного металлолома, если не будет его – электричества! Но что это такое? Откуда оно берется и как попадает к нам в дом? Давайте разберемся.
Прежде всего следует отметить, что «электричество» – это весьма неоднозначное понятие, и его используют для описания целого класса физических явлений. В обычной жизни мы говорим об электричестве, подразумевая электрический ток в проводах либо статическое электричество – те самые искры, которые возникают, когда вы снимаете шерстяной свитер, шелковую или синтетическую кофточку. В физике же изучение электричества начинается с самых базовых его элементов – электрических зарядов. Именно их движение является причиной и тока в проводах, и искрящегося свитера.
Но откуда берутся эти самые электрические заряды? А ниоткуда! Точнее, они всегда рядом с нами, вокруг нас, и даже мы сами состоим из этих электрических зарядов – элементарных частиц: протонов и электронов[12]12
Конечно, помимо этих двух частиц, существует еще несколько сотен других, но столкнуться с ними в обычной жизни будет весьма затруднительно. Более подробно этот «зоопарк» частиц мы обсудим в главе «Кто живет в «зоопарке» элементарных частиц?» (стр. 280).
[Закрыть]. Но об их существовании физики узнали только в конце XIX – начале XX века. А до этого было известно только, что существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Еще их называли «стеклянное» и «смоляное» электричество, потому что они появлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть – но, согласитесь, более удобно обозначать тип заряда просто знаком «+» или «—». Более того, при дальнейшем изучении электрических зарядов выяснилось, что одноименные заряды (например, «+» и «+») отталкиваются друг от друга, а разноименные («+» и «—») притягиваются. Возможно, отсюда и пошла поговорка «противоположности притягиваются».
Точное математическое выражение для величины этой силы взаимодействия электрических зарядов описал и проверил экспериментально французский физик Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) в 1785 году:
![](i_010.jpg)
Здесь q1 и q2 – электрические заряды, r – расстояние между ними, а коэффициент k – фундаментальная постоянная электростатического взаимодействия, одинаковая для всех тел во Вселенной. Из закона Кулона следует, что чем больше расстояние между зарядами, тем меньше сила их взаимодействия, и наоборот – чем ближе заряды друг к другу, тем с большей силой они воздействуют друг на друга.
Наблюдательный читатель наверняка заметил, что формула закона Кулона очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона[13]13
См. главу «Почему Луна не падает на Землю?» (стр. 41).
[Закрыть]. Отличие лишь в том, что Кулон заменил массы тел на их заряды, а константу гравитационного взаимодействия заменил на электрическую. Тем не менее есть одно существенное отличие – электрические заряды могут быть двух противоположных знаков, в то время как масса – это всегда положительная величина. Поэтому электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Также следует отметить, что гравитационное взаимодействие, например, электронов в миллиарды и миллиарды раз меньше электрического. К примеру, сила гравитационного притяжения между двумя электронами примерно в 1042 раз меньше, чем сила их электрического отталкивания. Поэтому практически на все процессы взаимодействия молекул, атомов и элементарных частиц (за исключением самых экстремальных, наподобие тех, что происходили в ранней Вселенной) гравитация не оказывает никакого влияния, а основную роль играет именно электромагнетизм.
Но если все тела состоят из огромного числа заряженных частиц (протонов и электронов), то почему же тогда в обычной жизни мы не ощущаем таких огромных сил притяжения или отталкивания между ними? А дело тут в том, что протоны имеют положительный заряд «+е», а электроны – точно такой же отрицательный «—е», где е означает элементарный электрический заряд (элементарный потому, что невозможно получить заряд, который будет еще меньше[14]14
На самом деле, в ХХ веке открыли целый класс частиц, обладающих дробным электрическим зарядом. Об этом мы поговорим в главе «Что такое кварки и сколько их вообще?» (стр. 290)
[Закрыть]). А поскольку в атомах, из которых всё состоит, количество протонов и электронов одинаковое, то и заряд каждого атома равен нулю. Именно поэтому все предметы вокруг нас обычно электрически нейтральны, т. е. имеют суммарный электрический заряд, равный нулю. А значит, и электрические силы между ними не действуют.
Но тем не менее мы можем получить немного электричества даже в домашних условиях, потерев пластиковую ручку, или расческу, или воздушный шар о свои волосы. А можно и о свою кошку или собаку, если они бегают у вас где-то рядом. Такое электричество называется статическим, а сам процесс – электризацией трением. При трении электроны (поскольку они гораздо меньше и подвижнее, чем протоны) с волос «перебегают» на ручку или расческу, так что ручка или расческа получает отрицательный заряд (ведь на ней скопилось слишком много электронов), а на волосах остается избыточный положительный заряд (ведь часть отрицательно заряженных электронов «убежала», а все положительно заряженные протоны остались на своих местах). Получается, что у каждого волоса будет заряд одного знака. Поэтому все они начинают отталкиваться друг от друга и стремятся отдалиться от остальных волос как можно дальше.
![](i_011.jpg)
Со временем физики научились не только получать электрические заряды (это не так уж и сложно), но и накапливать их в больших количествах в специальных конденсаторах – лейденских банках. Их изобрели в 1745 году голландский ученый Питер ван Мушенбрук (1692–1761) и его ученик, жившие в Лейдене, поэтому банки так называются. Это открытие позволило более детально изучить поведение электрических зарядов. А самое главное – то, как заряды могут перемещаться в пространстве. Выяснилось, что заряды могут «перебегать» с одного тела на другое (хотя и не все тела одинаково хорошо проводят электричество). Такое направленное движение электрических зарядов получило название электрический ток. Его в обычной жизни мы тоже называем электричеством.
Вопрос 11. Что такое электрическое поле?
Изучая различные механические процессы, мы привыкли думать, что взаимодействие между телами происходит за счет их непосредственного контакта или даже столкновения. Но это лишь одна часть всех сил, существующих в природе, – контактные силы. Например, сила трения, сила реакции опоры, даже сила сопротивления воздуха, которая тоже возникает при непосредственном контакте с воздухом.
Однако есть и другие взаимодействия, которые происходят без непосредственного контакта между телами, когда взаимодействующие тела расположены на некотором (иногда даже очень большом) расстоянии друг от друга. Такие силы называются бесконтактными. Например, уже знакомая нам гравитация. Ведь когда книга падает на пол под действием гравитации, никакого контакта между книгой и полом нет (во всяком случае, пока книга не упадет). Пол или планета Земля ни за какую веревку не притягивает эту книгу к себе. Но тем не менее существует какая-то сила, вынуждающая книгу двигаться по направлению к Земле. Та же самая сила гравитации удерживает Луну на орбите Земли, не давая ей улететь в космос. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца тоже под действием гравитации, несмотря на то что их разделяют миллионы километров пустого пространства. Еще одним примером бесконтактной силы является электростатическая сила, возникающая между заряженными телами. Она также действует на расстоянии, без контакта между телами.
Так вот, для описания такого рода взаимодействий физикам пришлось изобрести концепцию поля. Ее впервые предложил выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) в своей работе 1845 года, и с тех пор различные поля стали одним из основных инструментов описания всевозможных процессов и явлений. Для обыденного сознания это довольно абстрактная идея, поэтому вокруг полей существует множество мистификаций, на эту тему очень любят поспекулировать совсем далекие от науки «специалисты». На самом же деле идея поля довольно проста. Полем называется физическая величина, заданная в каждой точке пространства. Звучит пока очень абстрактно, правда? Но давайте разберем это на нескольких примерах.
1) Рассмотрим пространство вашей комнаты. Измерим температуру в каждой ее точке. И если у нас будет достаточно точный термометр, то мы увидим, что в разных точках пространства значения температуры немного отличаются: где-то чуть холоднее, где-то чуть теплее. Составив таким образом полную карту температур вашей комнаты, мы получим температурное поле или поле температур. Подобным образом поступают синоптики, когда составляют карты средних температуры или количества осадков в каждой точке земного шара или какой-то его области.
Такие поля называются скалярными, потому что температура – это скалярная величина: мы каждой точке пространства приписываем некоторое число (значение температуры в этой точке).
![](i_012.jpg)
Рис. Средняя месячная температура воздуха в январе 2015 г. (в °C). Источник: ФИПИ, Открытый банк заданий ЕГЭ, URL: https://ege.fipi.ru/bank/index.php?proj=20E79180061DB32845C11FC7BD87C7C8
2) Для следующего примера давайте поставим в вашей комнате вентилятор. И будем теперь в каждой точке комнаты измерять не температуру, а скорость ветра. Мы увидим, что в разных точках скорость ветра тоже отличается: где-то ветер дует чуть сильнее, где-то – чуть слабее; в каких-то точках ветер дует вверх, а в каких-то дует вниз, а в каких-то (например, за шкафом) вообще не дует. Составив таким образом полную карту скорости ветра вашей комнаты, мы получим поле ветра.
![](i_013.jpg)
Такие поля называются векторными, потому что скорость – это вектор (т. к. у скорости есть две характеристики: величина и направление), и мы каждой точке пространства приписываем уже не одно число, а вектор: например, «3 м/с вверх» или «10 м/с право».
3) Давайте теперь поместим в ту же самую комнату какой-нибудь электрический заряд. Например, возьмем пластиковую расческу и хорошенько почешем ей вашего кота (или кого-то из ваших домочадцев, кого не жалко). Расческа получит отрицательный электрический заряд, т. к. электроны с вашего кота «перебегут» на расческу, а кот, потерявший часть своих электронов, соответственно, получит положительный заряд. Теперь, когда у вас в руках останется расческа, а кот убежит от вас в противоположный угол комнаты (невозможно же вечно терпеть все эти ваши эксперименты), мы будем перемещаться по комнате и измерять силу, с которой отрицательно заряженная расческа притягивается к положительно заряженному коту[15]15
В реальности, конечно, измерить эту силу будет очень сложно, поскольку заряды кота и расчески очень малы, и для этого потребуется чрезвычайно точный прибор. Но давайте представим, что он у вас есть.
[Закрыть]. Ведь мы помним, что разноименные заряды притягиваются, а величина этой силы зависит от расстояния между ними. В итоге мы увидим, что в разных точках комнаты значения силы электрического притяжения отличаются: где-то она будет чуть сильнее (вблизи кота), где-то – чуть слабее (вдали от него); в каких-то точках будет направлена влево, а в каких-то – вниз. Составив таким образом полную карту электрических сил вашей комнаты, мы получим электрическое поле.
Таким образом, можно построить поле любой физической величины. Главное – чтобы эта величина была определена в каждой точке пространства. Например, построить поле масс у вас не получится, т. к. масса – это величина, «привязанная» к определенному предмету (масса этого объекта), и определена только в точке, где находится этот объект. А вот поле плотности вещества построить можно, т. к. в одних точках вещество может быть более плотным, а в других – менее плотным. Так что в концепции поля нет ничего мистического – это просто очень удобный способ описывать физические величины, определенные сразу во всех точках рассматриваемого пространства. Так же и электрическое поле – просто показывает, величину и направление электрической силы в каждой точке пространства.
![](i_014.jpg)
Конечно, остается открытым вопрос о том, почему же все-таки заряды притягиваются. Ведь концепция поля просто описывает эту силу, говорит, в каких точках она больше, а в каких меньше, но не дает объяснения о причинах ее возникновения. Это действительно так, и в рамках классической электродинамики ответом будет «так устроена природа», просто вокруг любого заряда существует некое электрическое поле, за счет которого и осуществляется взаимодействие с другими зарядами. И физики не были бы физиками, если бы не пошли дальше и не стали разбираться в причинах возникновения этих полей и механизмах их взаимодействия. Но это уже совсем другая история, которую мы рассмотрим в главе «Что такое квантовые поля?» (стр. 302).
4) В качестве еще одного примера рассмотрим магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Кстати, магнитное поле, в отличие от электрического, можно довольно легко увидеть. Возьмем для этого обычный лист бумаги, насыпем на него железных стружек и поднесем снизу постоянный магнит. Мы увидим, что все опилки выстроились в стройную картину, состоящую из множества линий.
![](i_015.jpg)
Так происходит потому, что каждая отдельная стружка представляет собой маленький магнит, который захватывается магнитным полем и выстраивается вдоль линий этого поля. Там, где магнитная сила больше, туда притянется больше опилок, а где сила слабее – туда меньше. Таким образом мы можем увидеть распределение силовых линий магнитного поля.
Правообладателям!
Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.Читателям!
Оплатили, но не знаете что делать дальше?