Крик новорожденной вселенной: эхо большого взрыва можно услышать исегодня

      Комментарии к записи Крик новорожденной вселенной: эхо большого взрыва можно услышать исегодня отключены

Крик новорожденной вселенной: эхо большого взрыва можно услышать исегодня

Мы уже говорили в одном из номеров «ПМ» об открытии электромагнитной индукции, благодаря которому люди начали получать электрический ток в промышленных масштабах. Сейчас обращение отправится о том, как на кончике пера были открыты электромагнитные волны.

Загадочная субстанция называющиеся «свет» постоянно занимала в жизни людей крайне важное место. Недаром для ее создания отвели весь день на протяжении сотворения мира, а ученые, как люди более прагматичные, посвятили ей громадный раздел науки — оптику. Но вот в середине XIX века была создана единая теория магнетизма и электричества и оказалось, что свет — это всего-навсего часть огромного спектра электромагнитных волн, узенькое окно, благосклонно открытое для нас природой.

Электромагнитные волны смогут иметь весьма мелкую длину — пара сотен миллиардных долей метра (много нанометров), тогда это видимый свет, регистрируемый отечественным глазом. А имеется и такие, у которых протяженность достигает десятков метров либо кроме того километров — это радиоволны. Сейчас, обучась обращаться с электромагнитными волнами, мы можем слушать радио и наблюдать телевизор, говорить по мобильному телефону и разогревать ланч в микроволновой печи, изучать строение собственного организма посредством рентгеновских лучей и изучить реликтовое излучение, оставшееся во Вселенной со времен ее бурной молодости.

В отыскивании совершенства

В том, что касается электромагнитных волн, физика, возможно сообщить, свернула с накатанного пути в собственном развитии. До тех пор все шло по стандартному сценарию: наблюдения, опыт, а за ними теория. А тут, напротив, все началось именно с теории, созданной шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в первой половине 60-ых годов девятнадцатого века.

Не ясно, что двигало Максвеллом в его упорном рвении отыскать новый метод описания электромагнитных явлений. Может, это была естественная для теоретика страсть к математическому совершенству и обобщению? Так как в то время, когда он приступил к работе над собственной теорией, уже был сформулирован множество законов, каковые замечательно растолковывали разнообразные опыты по магнетизму и электричеству, и для практических потребностей никакой новой теории больше в то время и не требовалось.

Но нет предела совершенству. Как признавался сам Максвелл, его очень увлекла и восхитила мысль известного Майкла Фарадея о поле сил. В рамках данной новой по тем временам концепции сама среда рассматривалась как место действия электромагнитных событий, независимо от присутствия в ней материальных объектов.

Сущность данной идеи возможно пояснить на примере явления электромагнитной индукции. В проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, потечет ток, потому, что появляется электрическое поле, заставляющее заряды двигаться. Но в случае если двигать магнит в безлюдном пространстве без всяких проводников, электрическое поле все равно появится, легко рядом не будет зарядов, на каковые оно имело возможность бы подействовать!

Не все принимали необыкновенную концепцию, которая противоречила двухвековой традиции, и нужно было иметь достаточно интуиции и смелости, дабы пойти этим методом.

В то время, когда Максвелл ввел придуманные Фарадеем абстрактные поля, теория купила математически идеальную форму. В четырех относительно несложных уравнениях уместились все имевшиеся в то время познания в области магнетизма и электричества: статические заряды создают около себя электрическое поле, а магнитных зарядов нет, и потому полюсов у магнита неизменно два, электрический ток формирует около себя магнитное поле, а перемещение магнита со своей стороны ведет к происхождению тока.

Но с одним уравнением появилась загвоздка, в частности — с тем, которое обрисовывало связь между током в контуре и появляющимся около магнитным полем. Формально уравнение было верным, но его преобразование приводило к абсурдному выводу: заряды не смогут перемещаться из одного места в второе. Какое уж тут математическое совершенство! Это противоречило многочисленным наблюдениям и здравому смыслу — ни у кого не было сомнений, что заряды смогут двигаться. Что было делать?

Признать поражение? В этот самый момент Максвелл поступил нетривиально. Он забрал и добавил в непокорное уравнение дополнительное слагаемое, предположив, что магнитное поле появляется не только тогда, в то время, когда имеется ток, но и при трансформации электрического поля.

Таковой в некоем роде свободный подход к построению теории у большинства приводил к неприятию. Во-первых, в ней фигурировали какие-то абстрактные поля, не имеющие никакого отношения к простым материальным объектам (в отличие от общепринятых законов Ньютоновой механики), да и сами рассуждения были очень сумбурными.

Дабы хоть как-нибудь пояснить собственные новшества, Максвеллу было нужно применять механическую модель, воображая среду, где разворачиваются события, в виде комплекта разносортных шестеренок. Сперва необходимо было попытаться представить, что эти шестеренки как бы имеется, а позже выбросить их из головы, потому, что в действительности их вовсе нет. Все это скорее запутывало, чем что-либо проясняло.

Связанные одной цепью

Но возвратимся к тому самому слагаемому, которое помогло вернуть здравый суть. Кроме того, что оно было забрано, так сообщить, «с потолка», но еще и предвещало совсем необыкновенные вещи. Но с его возникновением в уравнениях появилась определенная симметрия: переменное электрическое поле приводило к появлению магнитного поля, а переменное магнитное — электрического.

Это не только помогло добиться математической красоты, но и стало причиной необычным физическим следствиям.

Предположим, что где-то началось перемещение зарядов и появилось магнитное поле. Через некое время заряды остановились, ток закончился, и магнитное поле также начинает исчезать.

В этот самый момент начинается самое занимательное: в то время, когда магнитное поле пробует провалиться сквозь землю (другими словами изменяется), тогда, в соответствии с одному из уравнений, появляется электрическое поле, в случае если пробует провалиться сквозь землю электрическое поле, то, в соответствии с второму уравнению, снова появляется магнитное поле, а вместе с ним опять электрическое — и без того до бесконечности! Как образно растолковывал своим студентам известный физик Ричард Фейнман, «они сохраняются, вовлеченные в неспециализированный танец — одно поле формирует второе, а второе формирует первое, — распространяясь все дальше и дальше в пространстве».

Самое основное во всем этом, что и по окончании того, как в источнике исчезают все заряды и токи, появившийся кусочек неразрывно связанных между собой полей продолжает собственный путешествие в пространстве, совсем независимо от собственного источника! Это и имеется электромагнитная волна — волнообразное возмущение электрического и магнитного полей, распространяющееся в пространстве с определенной скоростью, которую принято именовать скоростью света. А частный случай таких возмущений — отечественное древнее окно в мир — видимый свет.

Практика — критерий истины

К сожалению, Максвелл погиб, так и не дождавшись экспериментального наблюдения открытых им электромагнитных волн. Сам он нисколько не сомневался в собственной правоте, тем более, что один умелый факт все же сказал в его пользу: тщательные измерения показывали, что скорость распространения электромагнитных действий сходится со скоростью света.

Но как бы ни осуждали сам принципиальный подход, каким бы необычным ни казался метод вывода уравнений, сомневаться в их правильности не приходилось, и неспешно у новой концепции становилось все больше приверженцев. И в то время, когда, изучив теорию Максвелла, Генрих Герц во второй половине 80-ых годов девятнадцатого века конструировал собственные известные вибратор (передатчик) и резонатор (приемник), он в полной мере определенно знал, что именно желает отыскать — распространяющиеся в пространстве электромагнитные колебания.

Испытания Герца увенчались успехом, и он стал первым, кому удалось создать и зарегистрировать электромагнитную волну, поставив тем самым точку в спорах о правильности теории электромагнитных полей Джеймса Клерка Максвелла. В память о известном германском экспериментаторе частоту любых циклических процессов, среди них и электромагнитных, мы сейчас измеряем в герцах, что соответствует одному колебанию в секунду.

Первые полученные Герцем электромагнитные волны соответствовали в этом понимании диапазону УКВ связи и имели длину около 5 метров (что отвечает частоте пара десятков МГц). на данный момент люди применяют для собственных практических целей целый громадный спектр от радиоволн до гамма-лучей, охватывающий практически 17 порядков по длине волны — от много километров до тысячных долей нанометра.

Электромагнитная картина Вселенной

Старая наука астрономия также не осталась в стороне. У современных астрологов сейчас имеется не только оптические, но и радио-, рентгеновские и гамма-телескопы. С их возникновением Вселенная в буквальном смысле предстала перед нами в другом свете.

А радиоастрономия помогла посмотреть в немыслимо далекое прошлое — практически к истокам Громадного взрыва.

В первой половине 60-ых годов двадцатого века одна из микроволновых рупорных антенн лабораторий Белла всецело перешла в распоряжение ученых. Она была не большой, с рабочей площадью всего 25 м?, но детектор сигналов — радиометр — был оснащен усилителем с низким уровнем шумов, охлаждаемым жидким гелием.

Посредством этого устройства два молодых исследователя, Арно Пензиас и Роберт Вилсон, планировали совершенно верно измерить радиосигналы некоторых космических объектов и выяснить фоновое излучение сперва на длине волны 7 см, а после этого — 21 см. Они шепетильно изучили все источники помех, сделали особое устройство, разрешающее учесть шумы радиометра, и приступили к измерениям.

Но нежданно фоновый сигнал был больше, чем шепетильно вычисленный суммарный вклад всех источников шума. По всей видимости, учли не все. Говоря словами Вилсона, «итог был мучительным». О предстоящих измерениях не могло быть речи, пока не будет устранен данный малоизвестный источник помех. Поиски длились год.

Направляли антенну в сторону огромного мегаполиса — Нью-Йорка — никаких трансформаций, значит, нет оснований сказать об неестественном происхождении сигнала. Выгнали из рупора антенны голубей и почистили ее — снова ничего не изменилось. Может, это последствия наземного ядерного взрыва 1962 года? Но за год измерений сигнал никак не уменьшился, как должно было бы случиться, если бы обстоятельством был взрыв. В общем, удостоверились в надежности все, что лишь пришло в голову.

Малоизвестный сигнал не изменялся ни днем, ни ночью, ни зимний период, ни летом, ни при вертикальном размещении антенны, ни при ее ориентации в сторону горизонта. А около изменялось все: состояние воздуха, положение телескопа относительно Солнца, галактик и звёзд. Оставался последний вариант — космическое фоновое излучение, догадку о существовании которого еще во второй половине 40-ых годов XX века выдвинул русский физик Георгий Гамов.

По окончании заседания с теоретиками Пензиас и Вилсон решили опубликовать результаты, но все же без упоминания о вероятном источнике сигнала. В собственной первой статье они написали так: «Отечественные наблюдения продемонстрировали, что данный дополнительный сигнал есть изотропным, не поляризован и не подвержен сезонным трансформациям». Уже в недалеком будущем по окончании данной публикации американских ученых показались экспериментальные эти вторых исследовательских групп, подтверждающие данный необычный феномен.

Так было найдено космическое микроволновое фоновое излучение — электромагнитные волны, путешествующие по Вселенной со времен ее юности, а его первооткрыватели во второй половине 70-ых годов двадцатого века были удостоены Нобелевской премии в области физики.

В первой половине 90-х годов двадцатого века, в то время, когда ученые взяли эти со намерено запущенных на околоземную орбиту телескопов, стало известно, что космический микроволновой фон (реликтовое излучение) все-таки имеет угловую анизотропию, другими словами из одних областей звездного неба приходит чуть более «теплый», а из вторых — более «холодный» сигнал. Через пара лет на околосолнечную орбиту была послана космическая обсерватория WMAP, которая передала на Землю картину микроволнового излучения с разрешением в одну миллионную градуса (в 2007 году ей на смену планируется послать еще более надежный прибор). Те, кто разбирается в «космической живописи», говорят, что это снимок отечественной Вселенной, появившейся практически 14 миллиардов лет назад, сделанный всего через 380 000 лет по окончании Громадного взрыва.

Вот так, благодаря превосходному свойству электромагнитных волн существовать независимо от собственного источника, мы можем регистрировать сигнал, отправленный нам миллиарды лет назад. Вопрос только в том, сможем ли мы осознать, что он свидетельствует.

Шкала электромагнитных волн

Между различными областями спектра электромагнитных волн нет четких границ, они, как и цвета радуги, непрерывно переходят приятель в приятеля. Самые длинноволновая его часть — радиоволны. Наименование говорит само за себя — они употребляются для радионавигации, межспутниковой связи, телевидения и разнообразного радиовещания.

Ближе к краю радиоволнового диапазона, не занятого радиостанциями, расположились частоты для сотовой связи — около нескольких ГГц (т.е. порядка десятков сантиметров). Посредством еще более высокочастотного излучения трудятся микроволновые печи, данный диапазон так и именуется — микроволны. С уменьшением длины волны микроволны неспешно сменяются инфракрасным излучением, за которым направляться видимый свет.

Именно на середину видимого диапазона приходится максимум излучения отечественного любимого светила. Говоря словами Иа-Иа, это отечественный любимый размер и любимый цвет. Как раз для него открыто окно прозрачности в воздухе.

Действительно, оно сделано чуть пошире, и в том направлении попадает все-таки инфракрасное излучение, которое нас греет, и мало ультрафиолета для загара. Протяженность волны последнего еще меньше, чем у видимого спектра. Оно воображает опасность для живых организмов, но от твёрдого ультрафиолета мы надежно защищены воздухом Почвы.

Следующая область электромагнитного спектра — рентгеновские лучи. Они уже способны «пронизать» человека полностью, чем с радостью пользуются медики.

К счастью, их количество, достигающее поверхности Почвы, не может нам навредить. А самые коротковолновые из известных нам электромагнитных волн именуются гамма-лучами. Они появляются в ядерных процессах, владеют высокой проникающей свойством и составляют самую страшную для человека компоненту радиоактивного излучения.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№34, август 2005).

3000+ Common Spanish Words with Pronunciation


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: