Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Представляя свет как волновое движение, естественно было предположить, что его свойства будут аналогичны свойствам других волн. Австрийский физик Иоганн Кристиан Допплер (1803–1853) указал, что высота звука изменяется при движении источника звука к слушателю. Когда источник звука приближается к слушателю, звуковые волны сгущаются, и за секунду на ухо попадает больше волн.

Это воспринимается как учащение волн, поэтому звук слышится более высоким, чем если бы его источник находился на фиксированном расстоянии от слушателя. По тем же причинам удаляющийся источник звука издает звук более низкий, и гудок поезда, когда поезд проносится мимо, внезапно меняет свой тон с высокого на низкий (см. ч. I).

В 1842 году Допплер выяснил, что этот эффект, эффект Допплера, справедлив и по отношению к световым волнам. В случае приближающегося источника света волны сгущаются, их частота становится более высокой и свет становится более синим. Если же источник света удаляется, волны растягиваются, их частота становится ниже, так что свет становится более красным [89] Обратите внимание, что эти изменения не влияют на скорость света. Длина волны может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, как движутся друг относительно друга источник света и наблюдатель; однако, длинны ли волны или коротки, они все движутся с одной скоростью. .

Допплер считал, что все звезды излучают белый свет, более-менее ровно распределенный по всему спектру. Он полагал, что красноватые звезды красны потому, что отдаляются от нас, а синеватые — наоборот, приближаются к нам. Это предположение, однако, было легко опровергнуто; в его основе лежало заблуждение о том, что видимый нами свет — это весь существующий свет…

Свет так тесно увязан со зрением, что естественно считать, что если мы ничего не видим, то свет отсутствует. Однако свет может присутствовать в форме волн такой длины, к которой сетчатка нечувствительна. Так, в 1800 году британский астроном Уильям Гершель (1738–1822) проверял, каким образом различные участки спектра влияют на термометр. К своему удивлению, он обнаружил, что максимальное повышение температуры наблюдалось при длине волны ниже красного края спектра, когда глаз ничего не мог увидеть.

После признания волновой теории объяснение оказалось простым. Существуют световые волны длиной более 7600 Å. Волны такой длины не воздействуют на глаз и поэтому невидимы; тем не менее они реальны. Свет с такой длиной волны может поглощаться и обращаться в тепло; таким образом его можно обнаружить. Такой свет обычным образом подвергается преломлению, отражению и так далее, только обнаруживается он специальными теплочувствительньгми приборами, а не глазами. Эти световые волны в том виде, как мы получаем их от Солнца, можно даже разложить на спектр протяженностью от 7600 Å (граница видимой области) до примерно 30 000 Å.

Эта часть спектра носит название «тепловых лучей», потому что была обнаружена по теплу. Однако более правильным является ставшее уже общеизвестным название инфракрасное излучение (ниже красного).

Другой край видимого спектра тоже не является краем в полном значении этого слова. Свет влияет на некоторые химикаты, например вызывает распад хлорида серебра, белой составляющей, и приводит к появлению черных пятнышек на металлическом серебре. Соответственно, хлорид серебра быстро чернеет на свету (и это явление лежит в основе фотографии). По причинам, которых не понимали в 1800 году, но которые были уже объяснены к 1900-му, по мере приближения к фиолетовому краю спектра свет сильнее влияет на потемнение хлорида серебра.

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) обнаружил, что хлорид серебра темнеет на участке за фиолетовым краем спектра, где никакого света не было видно. Более того, он темнеет быстрее, чем на любом участке видимого спектра.

Так была обнаружена часть спектра, принадлежащая «химическим лучам», или, как их правильнее называть, ультрафиолетовому излучению («выше фиолетового»), длина волны которого менее 3600 А. Даже ранние исследования отодвигали нижнюю границу спектра до 2000 А, а в XX веке были обнаружены еще более короткие волны.

Итак, в середине XIX века было четко понятно, что солнечный спектр и, по-видимому, спектр других звезд простирается от глубокого ультрафиолетового до глубокого инфракрасного. Относительно небольшой участок посреди спектра (правда, на котором наблюдается максимальная яркость излучения Солнца), выделяющийся лишь тем, что свет с длиной волн, лежащей на этом отрезке, возбуждает сетчатку, на всем протяжении истории человечества и считался «светом». Теперь же его стали обозначать как «видимый свет». То, что до 1800 года было тавтологией, теперь стало осмысленным словосочетанием, поскольку по обе стороны от видимого спектра было обнаружено много невидимого света.

Теперь понятно, почему предположение Допплера было ошибочным. Величина допплеровского сдвига в любой волне зависит от скорости волны в сравнении со скоростью движения друг относительно друга источника волны и наблюдателя. Звезды в нашей Галактике движутся (относительно нас) со скоростями порядка всего лишь десятков километров в секунду, в то время как скорость света — 300 000 километров в секунду. Следовательно, применительно к свету эффект Допплера будет очень невелик. Будет наблюдаться лишь крошечный сдвиг в сторону красного или синего — слишком малый для того, чтобы вызывать синеву или красноту видимого света конкретных звезд. (Эта цветовая разница имеет другие причины, см. гл. 8.)

Более того, если имеется крошечный сдвиг в сторону фиолетового, часть фиолетового на краю спектра конечно же исчезает, уходя в ультрафиолетовый спектр, но это уравновешивается тем, что часть инфракрасного спектра смещается в красную часть. В результате цвет звезды вообще не меняется. То же самое происходит и в случае сдвига в красную сторону: часть спектра добавляется в инфракрасную часть и забирается из ультрафиолетовой, но общий видимый цвет звезды не меняется.

Физо указал на это в 1848 году, но добавил, что если обратить внимание на волну одной определенной длины, выбрав ее по присутствию спектральной линии, то можно отметить ее сдвиг либо в сторону красного, либо в сторону фиолетового. Так и оказалось, и, говоря об эффекте Допплера применительно к свету, его иногда называют эффектом Допплера — Физо.

Важные астрономические открытия были сделаны в результате наблюдения перемен в положении известных спектральных линий в спектре небесных тел по сравнению с положением тех же линий, воспроизводимых в лаборатории, где нет никакого относительного движения. Одним изучением спектра, например, можно было доказать вращение Солнца, показав, что одна сторона вращающегося Солнца удалялась, а другая приближалась; об этом свидетельствовало положение линий спектра в свете с одной стороны и с другой. Или опять же свет от колец Сатурна показал, что внешнее кольцо движется настолько медленнее внутреннего, что кольца явно не могут вращаться как единое целое, а должны состоять из отдельных фрагментов.