Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
Уже один тот факт, что свет рождается в недрах вещества, что фотоны появляются в результате каких-то пертурбаций, протекающих в недрах атома, говорит о том, что свет и вещество не внешне, а генетически связаны друг с другом. Это нашло свое подтверждение.
Английский физик Поль Дирак (родился в 1902 году) около тридцати лет назад попытался охватить процессы возникновения и поглощения света в единой математической теории. Но созданная им теория только в том случае была бы в состоянии охватить все известные экспериментальные факты, если бы было допущено, что в поле атомного ядра кванты света распадаются на... две противоположно заряженные частицы вещества — электрон и позитрон.
Рис. 37. Рождение пары электрон-позитрон из светового гамма-кванта. В магнитном поле налево (наверху) отклонен позитрон, направо — электрон
В свете прежних представлений, при которых вещество и свет противопоставлялись друг другу, как две чуждые по своей природе стихии (вещество — материя, свет — энергия), это требование теории казалось удивительным. Тем не менее соответствующие эксперименты были поставлены, и они действительно подтвердили, что гамма-кванты света в поле ядра превращаются в электрон и позитрон. Этот процесс превращения можно сфотографировать, если опыт производить в камере, в которой воздух пресыщен водяными парами, а вся камера помещена в сильное магнитное поле. Тогда возникшие электрон и позитрон будут разлетаться от точки своего рождения, загибаясь в разные стороны, поскольку у них противоположные заряды и они по-разному отклоняются магнитным полем. На своем пути они будут оставлять следы из осевших водяных паров. Эти-то следы и фотографируются.
На рис. 37 показана фотография, на которой видны следы электрона и позитрона, образовавшиеся в результате превращения гамма-кванта с длиной волны порядка одной десятитысячной ангстрема. Эта фотография получена в эксперименте русских ученых А. В. Трошева и И. М. Франка.
Возможен также и обратный процесс — превращения пары электрон-позитрон в кванты света, которое некоторые физики на Западе неправильно называют аннигиляцией, т. е. уничтожением материи.
Напротив. Факт взаимопревращений вещества и света показывает, что оба они являются не чем иным, как различными формами материи. Установление этого факта является высшим достижением современной физики. Технически этот факт еще не использован человеком. Но в будущем он, несомненно, откроет большие перспективы. Что касается принципиальной стороны дела, то и сейчас это открытие вооружает материалистов в борьбе за целостное материалистическое мировоззрение.
Модуляция света. Преобразование света
Об активном отношении человека к природе
Могущество разума человека состоит в его активном отношении к природе. Человек не только созерцает, но и преобразует природу. Если бы он только пассивно созерцал свет, как нечто найденное в природе, без всякой попытки по-своему видоизменить (модулировать) характеризующие его величины (параметры), он сильно ограничил бы возможности использования законов природы для господства над ней. Его производительные силы, его техника оставались бы на низком уровне.
Кто в наше время может представить себе жизнь без радиосвязи, без телевидения? А ведь развитие радиотехники обязано тому, что человек не только открыл радиоизлучения, но и научился целенаправленно модулировать их амплитуды, частоты и другие параметры. Именно это позволило передавать по радио любые сигналы, музыку, пение и т. п.
В самом деле, про гармоническую волну с неизменными параметрами можно сказать, что она либо есть либо ее нет. С ее помощью можно передать азбуку Морзе — чередование коротких и длинных по времени импульсов, но, например, голос человека передать нельзя. Следует учесть, что природа звука и радиоизлучений различна, их отличает также и частота колебаний: для радиоизлучений она порядка сотен тысяч и миллионов циклов, а для звука — в тысячи и десятки тысяч раз меньше.
Но техническая мысль нашла возможным передавать по радио даже звуки, изображения и другие сигналы Достигается это посредством модуляции параметров радиоизлучений, в частности посредством модуляции амплитуды. Посмотрим, как это делается.
Рис. 38. Схема телефонной модуляции амплитуды радиоизлучения
Передача звука по радио
Ламповый генератор, схема которого представлена на рис. 24, генерирует радиоизлучения с неизменными параметрами. Сделаем к нему небольшое дополнение: к контуру, подающему напряжение на сетку электронной лампы, присоединим через индукционную катушку добавочный контур с обычным угольным микрофоном (рис.38). Допустим, что перед микрофоном скрипач взял определенную ноту. Скрипичный звук, падая на мембрану микрофона М, будет через нее оказывать переменное давление на угольный порошок в телефонной капсуле. Электрическое сопротивление порошка будет меняться с той же частотой, что и частота скрипичного звука. Сила тока в первичной обмотке катушки ИК3 будет меняться с той же частотой. Природа колебаний изменилась (вместо звука — электроток), но частота колебаний сохранилась. Теперь на переменное напряжение на сетке С лампы будет накладываться через вторичную обмотку катушки ИК4 еще дополнительное напряжение, колеблющееся с частотой скрипичного звука.
В результате амплитуда высокочастотных колебаний, генерируемых в контуре КК, не останется постоянной. Она будет меняться по закону низкочастотного звукового колебания, наложенного дополнительно на сетку лампы. Так же будет колебаться и интенсивность радиоволн, излучаемых антенной.
Если мы изобразим эти колебания графически, то получим следующую картину (рис. 39). Здесь а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; амплитуда их неизменна; б — звуковое низкочастотное колебание, изображающее скрипичную ноту, преобразованное затем в дополнительное колебание напряжения на сетке лампы; в — модулированное радиоизлучение в контуре и антенне.
Радиоизлучение, будучи само высокочастотным, понесло теперь в пространство, благодаря модуляции амплитуды, также и низкочастотное колебание, соответствующее частоте скрипичной ноты, взятой перед микрофоном.
Рис. 39. Графическое изображение амплитуды радиоизлучений: а — высокочастотные радиоколебания до модуляции; б — модулирующее звуковое колебание; в — модулированное радиоизлучение в антенне
Задача состоит теперь в том, чтобы в приемнике разделить эти две частоты, которые несут радиоволны, превратить частоту колебаний амплитуды в соответствующую частоту электротока, а эту последнюю — в звуковое колебание мембраны. Это разделение частот осуществляется опять-таки с помощью электронной лампы или же кристаллического детектора. Как это реализуется технически, мы не можем здесь описывать. Для нас важно лишь в принципе показать необходимость и возможность модуляции радиоизлучений для передачи по радио звуковой частоты и других сигналов.
Передавать сигналы по радио можно посредством модуляции не только амплитуды, но и частоты, а также фазы.
Естественные преобразователи света
Большую роль в технике играет преобразование света одной частоты в свет другой частоты. Мы рассмотрим сначала случаи, в которых преобразователями света выступает сама природа.
Мы уже рассказывали, что некоторые вещества можно заставить светиться, возбуждая их атомы нагреванием или обстреливая их из электронной пушки. Но оказывается, что и сам свет может возбуждать атомы и молекулы у ряда веществ. Так, под влиянием падающего невидимого света светятся молекулы бензола, антрацена и составных веществ, в которые они входят. Светятся также и многие красители. Существует целый класс твердых веществ, светящихся под действием невидимого света. Их называют фосфорами. Например, одним из таких фосфоров является вещество, состоящее из сернистого цинка с примесью незначительных количеств солей меди.
Рис. 40. Явление люминесценции. Под влиянием невидимого ультрафиолетового излучения раствор (Р) светится видимым светом
На рис. 40 приведена схема опыта по возбуждению видимого света невидимыми ультрафиолетовыми лучами в растворах. Как показали исследования, одни растворы светятся голубым, другие — зеленым, третьи — оранжевым светом. Цвета свечения различных растворов различны.
Явление свечения веществ под действием падающего света называется люминесценцией, или, точнее, фотолюминесценцией, а светящиеся вещества — люминесцирующими. Люминесцирующие вещества — это и есть преобразователи света.
