Всем привет, народ!
Это подкаст Звездануло, в котором я перевожу науку на человеческий язык.
Вот вам Ютубчик:
И Яндекс.музыка:
Давно хотел себе какой-нибудь мозгодробительный выпуск, но я настолько привык ко всяким гидам, экскурсам и прочей простой, но окружающей нас истории, что в конечном итоге по инерции стал упрощать и всякие сложные штуки. И так вышло, что за какую бы тему я не взялся, я просто описывал её в двух-трёх предложениях и не понимал, как из этого сделать выпуск.
В общем, я копался по своим старым заметкам, в которых просто писал названия интересных тем, нашел и эффект Вавилова-Черенкова и всякие люминисценции иии решил сделать выпуск по таким вот световым эффектам нашей физики, а потом понял, что я ещё не описывал сам свет. Я рассказал про его скорость, про какие-то гравитационные линзы, про всё на свете, но сам свет так и не рассматривал.
Так что в этом выпуске я расскажу про свет, а в следующем уже опишу всякие приколюхи.
Итак, свет – это возмущения электромагнитного поля в пространстве. Везде вокруг нас есть электромагнитное поле. И все заряженные тела при движении это самое поле возмущают. Я вот каждый год жду открытия купального сезона, так что давайте представим себе, что мы стоим в воде. Пока мы стоим – вода спокойная более-менее. А если мы начнём двигаться – пойдут волны. Так же и заряженные частицы создают электромагнитные волны. В зависимости от разных характеристик этого движения и самой воды, волны бывают разные. Обычно мы говорим об энергии волны. А как выглядит разница в энергиях волн? Логично предположить, что чем волна выше, тем больше энергии она несет. Но не всё так просто. Высота волны – это её амплитуда. Но ещё есть и частота волны, например. Вспомните спортсменов, которые делают упражнения с канатами. Не в смысле вверх вниз по ним лазают, а те, где они по канату волну пускают. Так вот, сжечь больше калорий, то есть, потратить больше энергии можно как в зависимости от амплитуды – размаха, так и в зависимости от частоты этих движений. А уж какая группа мышц там прорабатывается – мне уже не особо важно) Я скорее тортик, чем спортик.
Итак, чтобы описать электромагнитную волну нам понадобится знать несколько характеристик. Во-первых, сам заряд. То есть, в нашем примере с водой – это масса пловца. Если в воде будет барахтаться мой легкий сын – волны будут мельче, чем если начну барагозить большой и тяжелый я.
Во-вторых, нам нужно знать плотность воды. Это будет аналогом напряженности электрического поля. Если говорить более научно, то напряженность электрического поля – это отношение силы, действующей на неподвижный точечный заряд к величине самого заряда. То есть, как на нас давит вода, в зависимости от нашей массы. При этом, нам будет сложнее нагнать волны в плотной какой-нибудь краске, чем в менее плотной водичке.
Ну и в третьих, нам надо знать ещё и магнитную индукцию. Но вот здесь аналогия сводится к классически звезданутой, то есть очень- очень грубой.
Да, то, что было раньше вполне себе адекватная аналогия)
Итак, магнитную индукцию я пытался представить себе по-разному. Даже к другу за помощью обратился. И вот наши варианты.
Её можно сравнить с вязкостью жидкости. Вязкость и плотность – принципиально разные вещи, вспомните горячий и холодный кисель, например. Вязкость меняется, а плотность – нет. Вязкость в некоторых трудах называют внутренним трением. Может, так будет проще)
Но если говорить ближе к научному языку, то магнитная индукция – это величина, с которой лоренцова сила действует на, скажем так, единицу движущегося заряда, с учётом его скорости и направления.
Мы думали, сравнить индукцию с течением реки, но течение и на неподвижного человека действует.
Самым близким вариантом к действительности был такой. Помещаем пловцов в хитрую неньютоновскую жидкость, у которой есть направление загустевания. Неньютоновская жидкость – это такая жидкость, которая меняет свою вязкость в зависимости от скорости воздействия на неё. Ньютон заметил, что чем быстрее гребёшь веслом, тем тяжелее грести. Как будто вода перед быстрым веслом скользит медленнее. Тогда ещё не было термина вязкость, так что терпите. Вообще, вы можете сделать дома такой эксперимент. Смешать воду с кукурузным крахмалом и поиграть с получившейся жижей. Кто-то даже по такой бегать пытался. Кажется, получалось.
В общем, мы подумали, что можно поместить нашего пловца в такую хитрую неньютоновскую жидкость, которая густеет, если плыть в одну сторону, и, скажем так, рассасывается, если плыть в другую.
Но такие вещи как-то сложно тащить в простую аналогию, так что давайте мы просто будем про неньютоновскую жидкость знать, но выпуск я продолжу с вязкостью, а то мы совсем головы поломаем.
Это у нас была магнитная индукция.
Ну и теперь давайте попробуем представить себе нашу волну. В воде барахтается человек. Чем он сам больше, тем больше энергии волны, так? Чем плотнее вода, тем тяжелее её заколебать. И чем более вязкая вода, как бы это ни звучало, тем тяжелее в принципе её колебать.
Замечаете, что вязкость и плотность связаны друг с другом? Чем более вязкая вода, тем она, вроде как плотнее. Так же и электрическая напряженность и магнитная индукция колеблются в зависимости друг от друга. Это и есть электромагнитная волна. Вообще, наша звезданутая аналогия неточна, как я понимаю в одном моменте. Мы можем говорить об индукции и напряженности только в случае существования волны. Просто измерить спокойную воду мы не можем, как я понимаю. Для этого надо её поколебать. Примерно по той же причине у нас существует корпускулярно-волновой дуализм для фотона, когда мы одновременно считаем фотон и волной и волнующейся частицей. Неподвижных фотонов в природе не водится, а значит, и индукцию с напряженностью мерить сложно. Хотя можно конечно начать плеваться нейтронами в неподвижное заряженное тело, и так хитро найти их. Но это уже дело людей в белых халатах.
Помните нашего спортсмена с канатами? Я приведу вторую аналогию на нём, если кому-то не дались наши водные процедуры. В этом случае вес каната можно сравнить с напряженностью, или с плотностью воды, а индукцию, или вязкость можно представить себе как коэффициент упругости. Это коэффициент, который показывает, как канат растягивается и сжимается. Мы его проходили в школе, когда говорили про пружинки и резинки.
Кстати, да. Важное уточнение. Мы рассматриваем именно вес каната, а не его массу. Вес – это сила, с которой канат действует на спортика. Понятно же, что сила, которая действует на руки во время движения наверх и вниз – разная?
Ну и не знаю уже, как вам это сказать, но упругость у движущегося каната тоже меняется. Живите теперь с этим)))
Кстати, интересный момент. Помните, я говорил про амплитуду? Это размах. Как высоко мы пускаем волны, грубо говоря. Так вот, если мы рассматриваем обычный канат, то логично говорить, что чем больше амплитуда, тем медленнее будут идти волны. Это пока размахнешься, пока руку опустишь, времени тратится больше, чем на короткое движение.
Но вот в случае электромагнитного излучения, кажется, что амплитуда возрастает вместе с частотой. То есть, чем чаще волны идут, тем они размашистее.
Ну и если мы говорим про частоту, то нужно пояснить, что понятие «раз в секунду» в физике заменили на Герц. То есть, когда говорят, что частота у монитора равна 60 герц, это значит, что он обновляет картинку на экране 60 раз в секунду.
Так, про амплитуду поговорили, про частоту поговорили, иии ещё есть длина волны. Это расстояние от пика волны до следующего пика.
В общем, свет – это те самые электромагнитные волны, которые при этом колеблются с определенной частотой. Так вышло, что красным мы называем свет, который колеблется примерно 750 триллионов раз в секунду, или 750 терагерц, а фиолетовый хреначит примерно 790. Бедный наш спортик с канатами…
Вообще, электромагнитное излучение делится на радиоизлучение – это такие длинные волны, которые колеблются реже всех. Например, пару миллионов раз в секунду всего. А длина волны здесь может быть больше ста метров.
После радиоволн мы говорим про микроволны. И вы уже понимаете, что микроволновое излучение разогревает нам еду. Ну и кроме того, микроволны используются в радарах, спутниковой и космической связи, радиоастрономии, лечении рака, ускорителях частиц и ещё много где.
Длина волны микроволнового излучения может быть от трех миллиметров до 30 сантиметров, а частота от 300 мегагерц до 300 гигагерц. Но тут физики, радиоэлектронщики и прочие микроволновайки спорят до сих пор.
Устройство, которое излучает волны от 1 сантиметра до 10 называется магнетрон. Теорию магнетрона придумал Генрих Грейнахер. Фамилия очень говорящая, учитывая, что эти самые волны являются как раз СВЧ-диапазоном. Ну не мог я эту шутку пропустить.
Ладно, после микроволн идёт тепловое излучение, когда мы не видим нифига, но тепло идет. Только давайте мы сейчас перестанем представлять речку, ладно? Тепловое излучение ещё называют инфракрасным. И мы уже понимаем, что это короткие и частые волны. Длина волны от 1-2 миллиметров до десятитысячных долей этого же самого миллиметра. А частота от тех же 300 гигагерц до 430 терагерц.
Чаще колеблется уже видимое излучение. Наша радуга. Красный свет – самый ленивый. И начинается примерно на границе инфракрасного, что логично. А вот верхняя граница видимого спектра колеблется с частотой 750-790 терагерц при длине волны в 400 нанометров. Опять же, плюсы-минусы, около и примерно всякие я отсекаю, чтоб в них не потонуть к чертям.
Ещё чаще колеблется ультрафиолет. И именно в ультрафиолетовом диапазоне начинается ионизирующее излучение. Это когда свет такой сильный, что выбивает электрон из атома и атом становится заряженной частицей – ионом. Но есть ионизирующий ультрафиолет и неионизирующий.
Неионизирующий ультрафиолет колеблется примерно до одного петагерца, то есть квадриллион раз в секунду. Длина волны до 250 нанометров. Такой свет практически безвреден для человека. Ну, загар, ну кожа стареет. Хотя иногда можно и меланому подхватить, знаете ли.
А вот злой ультрафиолет фигачит от 1 до 30 петагерц и достигает уже 10 нанометров.
От него активно защищает озон и кислород, потому все и кипишуют насчет озоновых дыр. Если такой защиты не будет, то всему живому хана. ДНК просто растает под таким дождиком.
Ладно, дальше у нас будет рентгеновское и гамма-излучение.
Рентгеновское – это излучение от 30 петагерц до 30 эксагерц. Это тройка и девятнадцать нулей. А длина волны колеблется от 100 нанометров до 5 тысячных нанометра. Всё, что чаще и короче – гамма-излучение.
И если рентген мы хоть как-то в медицине используем, то гамма-излучение – это верная смерть. Хотя, если хорошо прицелиться, то убить можно только раковые клетки, так что иногда рискнуть стоит.
Начиная с рентгеновского излучения, на первый план выходят квантовые эффекты. Там уже длины волн такие, что их практически не отличить от просто частицы. Видели когда-нибудь, как совпадает частота видеокамеры и вертолета? Когда лопасти на видео не крутятся, а вертолет взлетает. Вот примерно так же мы и воспринимаем рентгеновские и гамма-лучи. Как волны мы их уже почти не видим, а вот как частицы – нате, пожалуйста.
На этом давайте заканчивать, что ли.
Попробую впихнуть в следующий выпуск и источники света и кое-что еще.
Ладно, давайте к закадру.
Алексей Герасимов перешел на новый уровень в бусти. Я до сих пор каждый раз внутренне танцую ламбаду, когда вижу такие новости) Спасибо большое)
Напоминаю про донаты в ВК и на бусти, лайки, подписки, отзывы, ответы на гуглоформу и всё такое.
С вами был Роман Юдаев,
Услышимся в следующем выпуске.
