La alegría de ver y comprender.
es el regalo más hermoso de la naturaleza.
Alberto EINSTEIN

El misterio del cielo azul.

¿Por qué el cielo es azul?...

No hay persona que no haya pensado en esto al menos una vez en su vida. Los pensadores medievales ya intentaron explicar el origen del color del cielo. Algunos de ellos sugirieron que el azul era el verdadero color del aire o de uno de sus gases constituyentes. Otros pensaban que el color real del cielo era el negro, como se ve de noche. Durante el día, el color negro del cielo se combina con el blanco. rayos de sol, y resulta... azul.

Ahora, tal vez no conozcas a una persona que, queriendo conseguir pintura azul, mezclaría blanco y negro. Y hubo un tiempo en el que las leyes de la mezcla de colores aún no estaban claras. Fueron instalados hace apenas trescientos años por Newton.

Newton también se interesó por el misterio del cielo azul. Comenzó rechazando todas las teorías anteriores.

En primer lugar, argumentó, una mezcla de blanco y negro nunca produce azul. En segundo lugar, el azul no es en absoluto el verdadero color del aire. Si esto fuera así, entonces el Sol y la Luna al atardecer no aparecerían rojos, como realmente son, sino azules. Así se verían los picos de las lejanas montañas nevadas.

Imagina que el aire está coloreado. Incluso si es muy débil. Entonces una capa gruesa actuaría como vidrio pintado. Y si miras a través de un vidrio pintado, todos los objetos te parecerán del mismo color que este vidrio. ¿Por qué los picos nevados lejanos nos parecen rosados ​​y nada azules?

En la disputa con sus predecesores, la verdad estuvo del lado de Newton. Demostró que el aire no tiene color.

Pero todavía no resolvió el enigma del azul celestial. Estaba confundido por el arco iris, uno de los fenómenos poéticos más bellos de la naturaleza. ¿Por qué de repente aparece y desaparece de forma igualmente inesperada? Newton no podía contentarse con la superstición predominante: un arco iris es una señal desde arriba, presagia buen tiempo. Buscó encontrar la causa material de cada fenómeno. También encontró la razón del arco iris.

Los arcoíris son el resultado de la refracción de la luz en las gotas de lluvia. Al comprender esto, Newton pudo calcular la forma del arco del arco iris y explicar la secuencia de colores del arco iris. Su teoría no podía explicar sólo la aparición de un doble arco iris, pero esto se logró sólo tres siglos después con la ayuda de una teoría muy compleja.

El éxito de la teoría del arco iris hipnotizó a Newton. Decidió erróneamente que el color azul del cielo y el arco iris eran causados ​​por la misma razón. Un arcoíris realmente estalla cuando los rayos del sol atraviesan un enjambre de gotas de lluvia. ¡Pero el azul del cielo no sólo es visible bajo la lluvia! Por el contrario, es cuando hace buen tiempo, cuando no llueve ni una pizca, cuando el cielo es especialmente azul. ¿Cómo es posible que el gran científico no se diera cuenta de esto? Newton pensaba que pequeñas burbujas de agua, que según su teoría sólo formaban la parte azul del arco iris, flotaban en el aire en cualquier condición climática. Pero esto fue una ilusión.

Primera solución

Pasaron casi 200 años y otro científico inglés se ocupó de esta cuestión: Rayleigh, que no temía que la tarea estuviera fuera del alcance incluso del gran Newton.

Rayleigh estudió óptica. Y las personas que dedican su vida al estudio de la luz pasan mucho tiempo en la oscuridad. La luz extraña interfiere con los mejores experimentos, por lo que las ventanas del laboratorio de óptica casi siempre están cubiertas con cortinas negras e impenetrables.

Rayleigh permaneció durante horas solo en su lúgubre laboratorio mientras rayos de luz escapaban de los instrumentos. En el camino de los rayos se arremolinaban como motas de polvo vivientes. Estaban muy iluminados y por eso destacaban sobre el fondo oscuro. Es posible que el científico haya pasado mucho tiempo observando pensativamente sus suaves movimientos, del mismo modo que una persona observa el juego de chispas en una chimenea.

¿No fueron esas motas de polvo que danzaban en los rayos de luz las que le dieron a Rayleigh una nueva idea sobre el origen del color del cielo?

Ya en la antigüedad se sabía que la luz viaja en línea recta. Este importante descubrimiento pudo haber sido realizado por el hombre primitivo, observando cómo, atravesando las grietas de la cabaña, los rayos del sol caían sobre las paredes y el suelo.

Pero es poco probable que le molestara la idea de por qué ve rayos de luz cuando los mira de lado. Y aquí hay algo en qué pensar. Después de todo, la luz del sol irradia desde la grieta hasta el suelo. El ojo del observador está situado hacia un lado y, sin embargo, ve esta luz.

También vemos la luz de un foco dirigido al cielo. Esto significa que parte de la luz se desvía de algún modo de camino recto y va a nuestro ojo.

¿Qué lo hace extraviarse? Resulta que estas son las mismas motas de polvo que llenan el aire. En nuestro ojo entran rayos que son esparcidos por una mota de polvo y rayos que, al encontrar obstáculos, se desvían del camino y se propagan en línea recta desde la mota de polvo que se dispersa hasta nuestro ojo.

“¿Son estas motas de polvo las que tiñen el cielo de azul?” – pensó Rayleigh un día. Hizo los cálculos y la suposición se convirtió en una certeza. ¡Encontró una explicación para el color azul del cielo, los amaneceres rojos y la neblina azul! Bueno, por supuesto, pequeños granos de polvo, cuyo tamaño es menor que la longitud de onda de la luz, dispersan la luz solar y cuanto más corta es su longitud de onda, con más fuerza, anunció Rayleigh en 1871. Y como los rayos violeta y azul del espectro solar visible tienen la longitud de onda más corta, se dispersan con mayor fuerza, lo que le da al cielo un color azul.

El Sol y los picos nevados obedecieron este cálculo de Rayleigh. Incluso confirmaron la teoría del científico. Al amanecer y al atardecer, cuando la luz del sol atraviesa la mayor densidad de aire, los rayos violetas y azules, según la teoría de Rayleigh, se dispersan con mayor fuerza. Al mismo tiempo, se desvían del camino recto y no llaman la atención del observador. El observador ve principalmente rayos rojos, que se dispersan mucho más débilmente. Por eso el sol nos parece rojo al amanecer y al atardecer. Por la misma razón, los picos de las lejanas montañas nevadas aparecen de color rosa.

Mirando el cielo despejado, vemos rayos azul-azules que se desvían del camino recto debido a la dispersión y caen en nuestros ojos. Y la neblina que a veces vemos cerca del horizonte también nos parece azul.

bagatela molesta

¿No es una hermosa explicación? El propio Rayleigh quedó tan cautivado por ella, los científicos quedaron tan asombrados por la armonía de la teoría y la victoria de Rayleigh sobre Newton, que ninguno de ellos notó nada simple. Esta pequeñez, sin embargo, debería haber cambiado completamente su valoración.

¿Quién negará que lejos de la ciudad, donde hay mucho menos polvo en el aire, el color azul del cielo es especialmente claro y brillante? Al propio Rayleigh le resultó difícil negarlo. Entonces... ¿no son las partículas de polvo las que dispersan la luz? ¿Entonces qué?

Revisó todos sus cálculos nuevamente y se convenció de que sus ecuaciones eran correctas, pero esto significaba que las partículas que se dispersaban en realidad no eran granos de polvo. Además, los granos de polvo presentes en el aire son mucho más largos que la longitud de onda de la luz, y los cálculos convencieron a Rayleigh de que una gran acumulación de ellos no realza el azul del cielo, sino que, por el contrario, lo debilita. La dispersión de la luz por partículas grandes depende débilmente de la longitud de onda y, por lo tanto, no provoca un cambio en su color.

Cuando la luz se dispersa sobre partículas grandes, tanto la luz dispersada como la transmitida permanecen blancas, por lo que la aparición de partículas grandes en el aire le da al cielo un color blanquecino, y la acumulación de una gran cantidad de gotas grandes provoca blanco nubes y niebla. Esto es fácil de comprobar en un cigarrillo normal. El humo que sale de la boquilla siempre parece blanquecino y el humo que sale de su extremo encendido es de color azulado.

Las partículas más pequeñas de humo que se elevan desde la punta encendida de un cigarrillo son más pequeñas que la longitud de onda de la luz y, según la teoría de Rayleigh, difunden predominantemente colores violeta y azul. Pero al pasar a través de canales estrechos en la densidad del tabaco, las partículas de humo se pegan (coagulan) y se unen formando grumos más grandes. Muchos de ellos se vuelven más grandes que las longitudes de onda de la luz y dispersan todas las longitudes de onda de la luz aproximadamente por igual. Por eso el humo que sale de la boquilla tiene un aspecto blanquecino.

Sí, era inútil argumentar y defender una teoría basada en motas de polvo.

Entonces, el misterio del color azul del cielo volvió a surgir ante los científicos. Pero Rayleigh no se rindió. Si el color azul del cielo es más puro y brillante cuanto más pura es la atmósfera, razonó, entonces el color del cielo no puede ser causado por nada más que las moléculas del aire mismo. Las moléculas de aire, escribió en sus nuevos artículos, ¡son las partículas más pequeñas que dispersan la luz del sol!

Esta vez Rayleigh fue muy cuidadoso. Antes de presentar su nueva idea, decidió probarla, comparar de alguna manera la teoría con la experiencia.

La oportunidad se presentó en 1906. Rayleigh contó con la ayuda del astrofísico estadounidense Abbott, quien estudió el brillo azul del cielo en el Observatorio Mount Wilson. Al procesar los resultados de medir el brillo del cielo basándose en la teoría de la dispersión de Rayleigh, Abbott calculó el número de moléculas contenidas en cada centímetro cúbico de aire. ¡Resultó ser un número enorme! Baste decir que si distribuyes estas moléculas a todas las personas que habitan el mundo, cada uno obtendrá más de 10 mil millones de estas moléculas. En resumen, Abbott descubrió que en cada centímetro cúbico de aire en temperatura normal y la presión atmosférica contiene 27 mil millones de veces mil millones de moléculas.

Se puede determinar el número de moléculas en un centímetro cúbico de gas. de diferentes maneras basado en fenómenos completamente diferentes e independientes. Todos conducen a resultados muy similares y dan un número llamado número de Loschmidt.

Este número es bien conocido por los científicos y más de una vez ha servido como medida y control para explicar los fenómenos que ocurren en los gases.

Y así, el número obtenido por Abbott al medir el brillo del cielo coincidió con gran precisión con el número de Loschmidt. Pero en sus cálculos utilizó la teoría de la dispersión de Rayleigh. Por lo tanto, esto demostró claramente que la teoría era correcta: la dispersión molecular de la luz realmente existe.

Parecía que la teoría de Rayleigh estaba confirmada de forma fiable por la experiencia; todos los científicos lo consideraron impecable.

Fue generalmente aceptado y se incluyó en todos los libros de texto de óptica. Se podía respirar tranquilo: por fin se había encontrado una explicación para un fenómeno tan familiar y al mismo tiempo misterioso.

Es tanto más sorprendente que en 1907, en las páginas del famoso revista científica Se volvió a plantear la pregunta: ¡¿por qué el cielo es azul?!.

Disputar

¿Quién se atrevió a cuestionar la teoría de Rayleigh generalmente aceptada?

Curiosamente, este era uno de los admiradores y admiradores más fervientes de Rayleigh. Quizás nadie apreciaba y entendía tanto a Rayleigh, conocía tan bien sus trabajos y no estaba tan interesado en su trabajo científico como el joven físico ruso Leonid Mandelstam.

"El carácter de la mente de Leonid Isaakovich", recordó más tarde otro científico soviético, el académico N.D. Papaleksi tenía mucho en común con Rayleigh. Y no es casualidad que los caminos de su creatividad científica a menudo fueran paralelos y se cruzaran repetidamente.

Esta vez también se santiguaron sobre la cuestión del origen del color del cielo. Antes de esto, Mandelstam se interesaba principalmente por la ingeniería de radio. A principios de nuestro siglo, esta era un área de la ciencia completamente nueva y pocas personas la entendían. Después del descubrimiento de A.S. Popov (en 1895) solo habían pasado unos pocos años y el trabajo no tenía fin. En poco tiempo, Mandelstam llevó a cabo muchas investigaciones serias en el campo de las oscilaciones electromagnéticas en relación con los dispositivos de ingeniería de radio. En 1902 defendió su tesis y a los veintitrés años recibió el título de Doctor en Filosofía Natural por la Universidad de Estrasburgo.

Mientras se ocupaba de cuestiones de excitación de ondas de radio, Mandelstam naturalmente estudió los trabajos de Rayleigh, quien era una autoridad reconocida en el estudio de los procesos oscilatorios. Y el joven médico inevitablemente se familiarizó con el problema de colorear el cielo.

Pero, al familiarizarse con la cuestión del color del cielo, Mandelstam no sólo mostró la falacia o, como él mismo dijo, la "insuficiencia" de la teoría generalmente aceptada de la dispersión de la luz molecular de Rayleigh, sino que no sólo reveló el secreto. del color azul del cielo, sino que también sentó las bases para la investigación que condujo a uno de los descubrimientos más importantes Física del siglo XX.

Todo empezó con una disputa in absentia con uno de los más grandes físicos, el padre de la teoría cuántica, M. Planck. Cuando Mandelstam conoció la teoría de Rayleigh, lo cautivó por sus reticencias y paradojas internas que, para sorpresa del joven físico, el viejo y experimentado Rayleigh no notó. La insuficiencia de la teoría de Rayleigh se reveló especialmente claramente al analizar otra teoría, construida sobre su base por Planck, para explicar la atenuación de la luz al pasar a través de un medio transparente ópticamente homogéneo.

En esta teoría se tomó como base que las propias moléculas de la sustancia a través de la cual pasa la luz son fuentes de ondas secundarias. Para crear estas ondas secundarias, argumentó Planck, se gasta parte de la energía de la onda que pasa, que se atenúa. Vemos que esta teoría se basa en la teoría de Rayleigh de la dispersión molecular y se basa en su autoridad.

La forma más sencilla de comprender la esencia del asunto es observar las olas en la superficie del agua. Si una ola choca con objetos estacionarios o flotantes (montones, troncos, botes, etc.), pequeñas olas se dispersan en todas direcciones desde estos objetos. Esto no es más que dispersión. Parte de la energía de la onda incidente se gasta en excitar ondas secundarias, que en óptica son bastante similares a la luz dispersada. En este caso, la ola inicial se debilita: se desvanece.

Los objetos flotantes pueden ser mucho más pequeños que la longitud de onda que viaja a través del agua. Incluso los granos pequeños provocarán ondas secundarias. Por supuesto, a medida que el tamaño de las partículas disminuye, las ondas secundarias que forman se debilitan, pero aun así le quitarán energía a la onda principal.

Así es como Planck imaginó el proceso de debilitamiento de una onda de luz a su paso a través de un gas, pero el papel de los granos en su teoría lo desempeñaban las moléculas de gas.

Mandelstam se interesó por esta obra de Planck.

La línea de pensamiento de Mandelstam también se puede explicar con el ejemplo de las ondas en la superficie del agua. Sólo hay que mirarlo más detenidamente. Entonces, incluso los granos pequeños que flotan en la superficie del agua son fuentes de ondas secundarias. Pero, ¿qué pasará si estos granos se vierten en una cantidad tan espesa que cubren toda la superficie del agua? Entonces resultará que las ondas secundarias individuales causadas por numerosos granos se acumularán de tal manera que extinguirán por completo aquellas partes de las ondas que corren hacia los lados y hacia atrás, y la dispersión se detendrá. Lo único que queda es una ola que avanza. Ella correrá hacia adelante sin debilitarse en absoluto. El único resultado de la presencia de toda la masa de granos será una ligera disminución en la velocidad de propagación de la onda primaria. Es especialmente importante que todo esto no dependa de si los granos están estacionarios o en movimiento sobre la superficie del agua. El agregado de granos simplemente actuará como una carga en la superficie del agua, cambiando la densidad de su capa superior.

Mandelstam hizo un cálculo matemático para el caso en el que el número de moléculas en el aire es tan grande que incluso un área tan pequeña como la longitud de onda de la luz contiene una cantidad muy grande de moléculas. Resultó que en este caso las ondas de luz secundarias excitadas por moléculas individuales que se mueven caóticamente se suman de la misma manera que las ondas del ejemplo con granos. Esto significa que en este caso la onda luminosa se propaga sin dispersión ni atenuación, pero a una velocidad ligeramente menor. Esto refutó la teoría de Rayleigh, quien creía que el movimiento de las partículas en dispersión garantiza en todos los casos la dispersión de las ondas y, por lo tanto, refutó la teoría de Planck basada en ella.

Así, se descubrió arena bajo la base de la teoría de la dispersión. Todo el majestuoso edificio comenzó a temblar y amenazó con derrumbarse.

Coincidencia

Pero ¿qué pasa con la determinación del número de Loschmidt a partir de mediciones del brillo azul del cielo? Después de todo, ¡la experiencia confirmó la teoría de la dispersión de Rayleigh!

"Esta coincidencia debe considerarse accidental", escribió Mandelstam en 1907 en su obra "Sobre medios ópticamente homogéneos y turbios".

Mandelstam demostró que el movimiento aleatorio de las moléculas no puede hacer que un gas sea homogéneo. Por el contrario, en el gas real siempre se producen pequeñas rarefacciones y compactaciones formadas como resultado del movimiento térmico caótico. Son ellos los que provocan la dispersión de la luz, ya que alteran la homogeneidad óptica del aire. En el mismo trabajo, Mandelstam escribió:

"Si el medio es ópticamente no homogéneo, entonces, en general, la luz incidente también se dispersará hacia los lados".

Pero como las dimensiones de las heterogeneidades que surgen como resultado del movimiento caótico son más pequeñas que la longitud de las ondas luminosas, las ondas correspondientes a las partes violeta y azul del espectro se dispersarán predominantemente. Y esto conduce, en particular, al color azul del cielo.

Así se resolvió finalmente el enigma del cielo azul. La parte teórica fue desarrollada por Rayleigh. Mandelstam estableció la naturaleza física de los dispersores.

El gran mérito de Mandelstam radica en el hecho de que demostró que la suposición de una perfecta homogeneidad de un gas es incompatible con el hecho de que la luz se dispersa en él. Se dio cuenta de que el color azul del cielo demostraba que la homogeneidad de los gases era sólo aparente. Más precisamente, los gases parecen homogéneos sólo cuando se examinan con instrumentos toscos, como un barómetro, balanzas u otros instrumentos en los que actúan muchos miles de millones de moléculas a la vez. Pero el haz de luz detecta cantidades de moléculas incomparablemente más pequeñas, medidas sólo en decenas de miles. Y esto es suficiente para establecer sin lugar a dudas que la densidad del gas está continuamente sujeta a pequeños cambios locales. Por tanto, un medio que es homogéneo desde nuestro punto de vista “aproximado” es en realidad heterogéneo. Desde el “punto de vista de la luz” parece turbio y, por tanto, dispersa la luz.

Los cambios locales aleatorios en las propiedades de una sustancia, resultantes del movimiento térmico de las moléculas, ahora se denominan fluctuaciones. Habiendo dilucidado el origen fluctuante de la dispersión de la luz molecular, Mandelstam allanó el camino para un nuevo método de estudio de la materia: el método de fluctuación o estadístico, que más tarde fue desarrollado por Smoluchowski, Lorentz, Einstein y él mismo en un nuevo gran departamento de física. física estadística.

¡El cielo debería brillar!

Así, se reveló el misterio del color azul del cielo. Pero el estudio de la dispersión de la luz no se detuvo ahí. Llamando la atención sobre cambios casi imperceptibles en la densidad del aire y explicando el color del cielo mediante la dispersión fluctuante de la luz, Mandelstam, con su agudo sentido científico, descubrió una característica nueva, aún más sutil, de este proceso.

Después de todo, las faltas de homogeneidad del aire son causadas por fluctuaciones aleatorias en su densidad. La magnitud de estas faltas de homogeneidad aleatoria y la densidad de los grupos cambian con el tiempo. Por lo tanto, razonó el científico, la intensidad (la fuerza de la luz dispersada) también debería cambiar con el tiempo. Después de todo, cuanto más densos son los grupos de moléculas, más intensa es la luz que se difunde sobre ellos. Y dado que estos grupos aparecen y desaparecen caóticamente, ¡el cielo, en pocas palabras, debería brillar! ¡La fuerza de su brillo y su color deberían cambiar todo el tiempo (pero muy débilmente)! ¿Pero alguien ha notado alguna vez semejante parpadeo? Por supuesto que no.

Este efecto es tan sutil que no podrás notarlo a simple vista.

Ninguno de los científicos ha observado tampoco tal cambio en el brillo del cielo. El propio Mandelstam no tuvo la oportunidad de verificar las conclusiones de su teoría. La organización de experimentos complejos se vio inicialmente obstaculizada por las malas condiciones. Rusia zarista, y luego las dificultades de los primeros años de la revolución, intervención extranjera y guerra civil.

En 1925, Mandelstam se convirtió en jefe del departamento de la Universidad de Moscú. Aquí conoció al destacado científico y experimentado experimentador Grigory Samuilovich Landsberg. Y así, unidos por una profunda amistad e intereses científicos comunes, juntos continuaron su asalto a los secretos ocultos en los débiles rayos de luz dispersa.

Los laboratorios de óptica de la universidad en aquellos años eran todavía muy pobres en instrumentos. No había ni un solo instrumento en la universidad capaz de detectar el parpadeo del cielo o esas pequeñas diferencias en las frecuencias de la luz incidente y dispersa que la teoría predecía que eran el resultado de este parpadeo.

Sin embargo, esto no detuvo a los investigadores. Abandonaron la idea de simular el cielo en un laboratorio. Esto sólo complicaría una experiencia ya de por sí sutil. Decidieron estudiar no la dispersión de la luz blanca, compleja, sino la dispersión de los rayos de una frecuencia estrictamente definida. Si conocen exactamente la frecuencia de la luz incidente, será mucho más fácil buscar las frecuencias cercanas que deberían surgir durante la dispersión. Además, la teoría sugería que las observaciones eran más fáciles de hacer en sólidos, ya que en ellos las moléculas están mucho más juntas que en los gases, y cuanto más densa es la sustancia, mayor es la dispersión.

Se inició una minuciosa búsqueda de los materiales más adecuados. Finalmente la elección recayó en los cristales de cuarzo. Simplemente porque los grandes cristales de cuarzo transparentes son más asequibles que cualquier otro.

Los experimentos preparatorios duraron dos años, se seleccionaron las muestras más puras de cristales, se mejoró la técnica y se establecieron signos mediante los cuales fue posible distinguir indiscutiblemente la dispersión sobre moléculas de cuarzo de la dispersión sobre inclusiones aleatorias, heterogeneidades e impurezas de los cristales.

ingenio y trabajo

Al carecer de equipos potentes para el análisis espectral, los científicos eligieron una solución ingeniosa que supuestamente haría posible utilizar los instrumentos existentes.

La principal dificultad de este trabajo fue que a la luz débil causada por la dispersión molecular se superpuso una luz mucho más fuerte dispersada por pequeñas impurezas y otros defectos en las muestras de cristal que se obtuvieron para los experimentos. Los investigadores decidieron aprovechar el hecho de que la luz dispersa formada por defectos de cristal y reflejos de varias partes La configuración coincide exactamente con la frecuencia de la luz incidente. Sólo les interesaba la luz con una frecuencia cambiada según la teoría de Mandelstam. Por lo tanto, la tarea era resaltar la luz con una frecuencia cambiada causada por la dispersión molecular en el contexto de esta luz mucho más brillante.

Para asegurarse de que la luz dispersada tuviera una magnitud que pudiera detectarse, los científicos decidieron iluminar el cuarzo con el dispositivo de iluminación más potente que tenían a su disposición: una lámpara de mercurio.

Entonces, la luz dispersada en el cristal debe constar de dos partes: una luz débil de frecuencia alterada, debido a la dispersión molecular (el estudio de esta parte era el objetivo de los científicos), y una luz mucho más fuerte, de frecuencia inalterada, causada por por razones extrañas(esta parte fue perjudicial, dificultó la investigación).

La idea del método resultó atractiva por su simplicidad: es necesario absorber luz de frecuencia constante y pasar solo luz de frecuencia cambiada al aparato espectral. Pero las diferencias de frecuencia fueron sólo de unas pocas milésimas de porcentaje. Ningún laboratorio en el mundo disponía de un filtro capaz de separar frecuencias tan cercanas. Sin embargo, se encontró una solución.

La luz dispersada se hizo pasar a través de un recipiente que contenía vapor de mercurio. Como resultado, toda la luz "dañina" quedó "atascada" en el recipiente y la luz "útil" pasó a través de él sin una atenuación perceptible. Los experimentadores aprovecharon una circunstancia ya conocida. Un átomo de materia, como afirma la física cuántica, es capaz de emitir ondas de luz sólo a determinadas frecuencias. Al mismo tiempo, este átomo también es capaz de absorber luz. Además, sólo ondas de luz de aquellas frecuencias que él mismo puede emitir.

En una lámpara de mercurio, la luz es emitida por vapor de mercurio, que brilla bajo la influencia de una descarga eléctrica que se produce dentro de la lámpara. Si esta luz pasa a través de un recipiente que también contiene vapor de mercurio, será absorbida casi por completo. Sucederá lo que predice la teoría: los átomos de mercurio del recipiente absorberán la luz emitida por los átomos de mercurio de la lámpara.

La luz de otras fuentes, como una lámpara de neón, pasará ilesa a través del vapor de mercurio. Los átomos de mercurio ni siquiera le prestarán atención. La parte de la luz de una lámpara de mercurio que se esparce en cuarzo con un cambio de longitud de onda tampoco será absorbida.

Fue esta conveniente circunstancia la que aprovecharon Mandelstam y Landsberg.

descubrimiento asombroso

En 1927 comenzaron experimentos decisivos. Los científicos iluminaron un cristal de cuarzo con la luz de una lámpara de mercurio y procesaron los resultados. Y... se sorprendieron.

Los resultados del experimento fueron inesperados e inusuales. Lo que los científicos descubrieron no fue en absoluto lo que esperaban, ni lo que predijo la teoría. Descubrieron un fenómeno completamente nuevo. ¿Pero cuál? ¿Y no es esto un error? La luz dispersada no reveló las frecuencias esperadas, sino frecuencias mucho más altas y más bajas. En el espectro de la luz dispersada apareció toda una combinación de frecuencias que no estaban presentes en la luz que incide sobre el cuarzo. Era simplemente imposible explicar su aparición por faltas de homogeneidad óptica en el cuarzo.

Comenzó un control exhaustivo. Los experimentos se llevaron a cabo sin problemas. Fueron concebidos de manera tan ingeniosa, perfecta e inventiva que uno no podía evitar admirarlos.

"Leonid Isaakovich a veces resolvía problemas técnicos muy difíciles de manera tan hermosa y a veces brillantemente simple que cada uno de nosotros involuntariamente nos preguntamos: "¿Por qué no se me ocurrió esto antes?" – dice uno de los empleados.

Varios experimentos de control confirmaron persistentemente que no había ningún error. En las fotografías del espectro de luz dispersada aparecían persistentemente líneas débiles pero bastante obvias, que indicaban la presencia de frecuencias "extra" en la luz dispersada.

Desde hace muchos meses, los científicos buscan una explicación a este fenómeno. ¿Dónde aparecieron las frecuencias “alienígenas” en la luz dispersa?

Y llegó el día en que a Mandelstam se le ocurrió una conjetura sorprendente. Fue un descubrimiento sorprendente, el mismo que ahora se considera uno de los descubrimientos más importantes del siglo XX.

Pero tanto Mandelstam como Landsberg llegaron a la decisión unánime de que este descubrimiento sólo podría publicarse después de una verificación exhaustiva, después de una penetración exhaustiva en las profundidades del fenómeno. Los experimentos finales han comenzado.

Con la ayuda del sol

El 16 de febrero, los científicos indios C.N. Raman y K.S. Krishnan envió un telegrama desde Calcuta a esta revista con una breve descripción de su descubrimiento.

En aquellos años, a la revista Nature llegaban cartas de todo el mundo sobre diversos descubrimientos. Pero no todos los mensajes están destinados a causar entusiasmo entre los científicos. Cuando salió a la luz el número de la carta de los científicos indios, los físicos se emocionaron mucho. El título de la nota por sí solo –“Un nuevo tipo de radiación secundaria”– despertó interés. Después de todo, la óptica es una de las ciencias más antiguas; en el siglo XX no era posible descubrir en ella algo desconocido.

Cabe imaginar con qué interés los físicos de todo el mundo esperaban nuevas cartas de Calcuta.

Su interés se vio impulsado en gran medida por la propia personalidad de uno de los autores del descubrimiento, Raman. Se trata de un hombre con un destino curioso y una biografía extraordinaria, muy similar a la de Einstein. En su juventud, Einstein era un simple profesor de gimnasio y luego un empleado de la oficina de patentes. Fue durante este período que completó la más significativa de sus obras. Raman, un físico brillante, también después de graduarse de la universidad, se vio obligado a trabajar en el departamento de finanzas durante diez años y solo después fue invitado al departamento de la Universidad de Calcuta. Raman pronto se convirtió en el director reconocido de la escuela de físicos de la India.

Poco antes de los hechos descritos, Raman y Krishnan se interesaron por una curiosa tarea. En ese momento, las pasiones provocadas en 1923 por el descubrimiento del físico estadounidense Compton, quien, mientras estudiaba el paso de los rayos X a través de la materia, descubrió que algunos de estos rayos, al dispersarse hacia los lados de la dirección original, aumentan su longitud de onda. , aún no había disminuido. Traducido al lenguaje de la óptica, podemos decir que los rayos X, al chocar con las moléculas de una sustancia, cambiaron su "color".

Este fenómeno fue fácilmente explicado por las leyes. física cuántica. Por tanto, el descubrimiento de Compton fue una de las pruebas decisivas de la exactitud de la joven teoría cuántica.

Decidimos probar algo similar, pero en óptica. descubierto por científicos indios. Querían hacer pasar la luz a través de una sustancia y ver cómo se dispersarían sus rayos sobre las moléculas de la sustancia y si cambiaría su longitud de onda.

Como puede ver, voluntaria o involuntariamente, los científicos indios se han propuesto la misma tarea que los científicos soviéticos. Pero sus objetivos eran diferentes. En Calcuta buscaban una analogía óptica del efecto Compton. En Moscú: confirmación experimental de la predicción de Mandelstam sobre el cambio de frecuencia cuando la luz se dispersa mediante heterogeneidades fluctuantes.

Raman y Krishnan diseñaron un experimento complejo porque el efecto esperado era extremadamente pequeño. El experimento requirió una fuente de luz muy brillante. Y luego decidieron utilizar el sol, recogiendo sus rayos mediante un telescopio.

El diámetro de su lente era de dieciocho centímetros. Los investigadores dirigieron la luz recogida a través de un prisma hacia recipientes que contenían líquidos y gases, que estaban completamente limpios de polvo y otros contaminantes.

Pero para detectar la pequeña extensión de longitud de onda esperada de la luz dispersa utilizando luz blanca luz del sol, que contenía prácticamente todas las longitudes de onda posibles, era inútil. Por eso, los científicos decidieron utilizar filtros de luz. Colocaron un filtro azul violeta frente a la lente y observaron la luz dispersada a través de un filtro amarillo verdoso. Con razón decidieron que lo que dejaría pasar el primer filtro se quedaría atascado en el segundo. Después de todo, el filtro amarillo-verde absorbe los rayos azul-violeta transmitidos por el primer filtro. Y ambos, colocados uno detrás del otro, deberían absorber toda la luz incidente. Si algunos rayos caen en el ojo del observador, entonces se puede decir con confianza que no estaban en la luz incidente, sino que nacieron en la sustancia en estudio.

Colón

De hecho, en la luz dispersa, Raman y Krishnan detectaron rayos que pasaban a través del segundo filtro. Grabaron frecuencias adicionales. En principio, esto podría ser el efecto óptico Compton. Es decir, cuando se dispersa sobre las moléculas de una sustancia ubicada en los vasos, la luz azul violeta puede cambiar de color y volverse amarillo verdoso. Pero todavía era necesario demostrarlo. Podría haber otras razones que provoquen la aparición de la luz amarilla-verde. Por ejemplo, podría aparecer como resultado de la luminiscencia, un brillo tenue que a menudo aparece en líquidos y sólidos bajo la influencia de la luz, el calor y otras causas. Obviamente, había una cosa: esta luz nació de nuevo, no estaba contenida en la luz que caía.

Los científicos repitieron su experimento con seis varios líquidos y dos tipos de vapor. Estaban convencidos de que aquí no influyen ni la luminiscencia ni otros motivos.

El hecho de que la longitud de onda de la luz visible aumenta cuando se dispersa en la materia parecía establecido para Raman y Krishnan. Parecía que su búsqueda se vio coronada por el éxito. Descubrieron un análogo óptico del efecto Compton.

Pero para que los experimentos tuvieran una forma acabada y las conclusiones fueran suficientemente convincentes, era necesario hacer una parte más del trabajo. No fue suficiente detectar un cambio en la longitud de onda. Era necesario medir la magnitud de este cambio. El primer paso fue ayudado por un filtro de luz. No pudo hacer lo segundo. Aquí los científicos necesitaban un espectroscopio, un dispositivo que les permite medir la longitud de onda de la luz en estudio.

Y los investigadores comenzaron la segunda parte, no menos compleja y minuciosa. Pero ella también satisfizo sus expectativas. Los resultados confirmaron nuevamente las conclusiones de la primera parte del trabajo. Sin embargo, la longitud de onda resultó ser inesperadamente grande. Mucho más de lo esperado. Esto no molestó a los investigadores.

¿Cómo no recordar aquí a Colón? Intentó encontrar una ruta marítima a la India y, al ver tierra, no tuvo dudas de que había logrado su objetivo. ¿Tenía motivos para dudar de su confianza al ver a los habitantes rojos y la naturaleza desconocida del Nuevo Mundo?

¿No es cierto que Raman y Krishnan, en su búsqueda por descubrir el efecto Compton en la luz visible, pensaron que lo habían encontrado examinando la luz que pasaba a través de sus líquidos y gases? ¿Dudaron cuando las mediciones mostraron un cambio inesperadamente mayor en la longitud de onda de los rayos dispersos? ¿Qué conclusión sacaron de su descubrimiento?

Según los científicos indios, encontraron lo que buscaban. El 23 de marzo de 1928 voló a Londres un telegrama con un artículo titulado "Analogía óptica del efecto Compton". Los científicos escribieron: "Por lo tanto, la analogía óptica del efecto Compton es obvia, excepto que estamos ante un cambio en la longitud de onda mucho mayor..." Nota: "mucho mayor..."

Danza de átomos

El trabajo de Raman y Krishnan fue recibido con aplausos entre los científicos. Todos admiraban con razón su arte experimental. Por este descubrimiento, Raman recibió el Premio Nobel en 1930.

Adjunta a la carta de los científicos indios había una fotografía del espectro, en la que ocupaban el lugar las líneas que representan la frecuencia de la luz incidente y la luz dispersada sobre las moléculas de la sustancia. Esta fotografía, según Raman y Krishnan, ilustra su descubrimiento más claramente que nunca.

Cuando Mandelstam y Landsberg miraron esta fotografía, ¡vieron una copia casi exacta de la fotografía que habían recibido! Pero, al familiarizarse con su explicación, inmediatamente se dieron cuenta de que Raman y Krishnan estaban equivocados.

No, los científicos indios no descubrieron el efecto Compton, sino un fenómeno completamente diferente, el mismo que los científicos soviéticos habían estado estudiando durante muchos años...

Mientras crecía el entusiasmo causado por el descubrimiento de los científicos indios, Mandelstam y Landsberg terminaban los experimentos de control y resumían los resultados decisivos finales.

Y así, el 6 de mayo de 1928, enviaron un artículo a imprimir. Se adjuntó al artículo una fotografía del espectro.

Al describir brevemente la historia del problema, los investigadores dieron interpretación detallada el fenómeno que descubrieron.

Entonces, ¿cuál fue este fenómeno que hizo que muchos científicos sufrieran y se devanaran los sesos?

La profunda intuición y la clara mente analítica de Mandelstam le dijeron inmediatamente al científico que los cambios detectados en la frecuencia de la luz dispersada no podían ser causados ​​por esas fuerzas intermoleculares que igualan las repeticiones aleatorias de la densidad del aire. Al científico le quedó claro que la razón, sin duda, está dentro de las propias moléculas de la sustancia, que el fenómeno es causado por vibraciones intramoleculares de los átomos que forman la molécula.

Estas oscilaciones ocurren con una frecuencia mucho mayor que las que acompañan a la formación y reabsorción de heterogeneidades aleatorias en el medio. Son estas vibraciones de los átomos en las moléculas las que afectan la luz dispersada. Los átomos parecen marcarlo, dejar sus huellas en él, cifrarlo con frecuencias adicionales.

Fue una suposición hermosa, una invasión audaz del pensamiento humano más allá del cordón de la pequeña fortaleza de la naturaleza: la molécula. Y este reconocimiento aportó información valiosa sobre su estructura interna.

De la mano

Entonces, mientras se intentaba detectar un pequeño cambio en la frecuencia de la luz dispersada causado por fuerzas intermoleculares, se descubrió un cambio mayor en la frecuencia causado por fuerzas intramoleculares.

Así, para explicar el nuevo fenómeno, llamado “dispersión Raman de la luz”, fue suficiente complementar la teoría de la dispersión molecular creada por Mandelstam con datos sobre la influencia de las vibraciones de los átomos dentro de las moléculas. El nuevo fenómeno fue descubierto como resultado del desarrollo de la idea de Mandelstam, formulada por él en 1918.

Sí, no sin razón, como dijo el académico S.I. Vavilov, “La naturaleza dotó a Leonid Isaakovich de una mente sutil, perspicaz y completamente inusual, que inmediatamente notó y comprendió lo principal que la mayoría pasaba por alto con indiferencia. Así se entendió la esencia fluctuante de la dispersión de la luz y así surgió la idea de un cambio en el espectro durante la dispersión de la luz, que se convirtió en la base para el descubrimiento de la dispersión Raman”.

Posteriormente se derivaron enormes beneficios de este descubrimiento y recibió una valiosa aplicación práctica.

En el momento de su descubrimiento, parecía sólo una contribución muy valiosa a la ciencia.

¿Qué pasa con Raman y Krishnan? ¿Cómo reaccionaron ante el descubrimiento de los científicos soviéticos y también ante el suyo propio? ¿Entendieron lo que habían descubierto?

La respuesta a estas preguntas está contenida en la siguiente carta de Raman y Krishnan, que enviaron a la prensa 9 días después de la publicación del artículo de los científicos soviéticos. Sí, se dieron cuenta de que el fenómeno que observaron no era el efecto Compton. Esta es la dispersión de luz Raman.

Después de la publicación de las cartas de Raman y Krishnan y los artículos de Mandelstam y Landsberg, quedó claro para los científicos de todo el mundo que el mismo fenómeno se producía y estudiaba de forma independiente y casi simultáneamente en Moscú y Calcuta. Pero los físicos de Moscú lo estudiaron en cristales de cuarzo y los físicos indios lo estudiaron en líquidos y gases.

Y este paralelismo, por supuesto, no fue casual. Habla de la relevancia del problema y de su gran importancia científica. No es sorprendente que los científicos franceses Rocard y Kaban también obtuvieran de forma independiente resultados cercanos a las conclusiones de Mandelstam y Raman a finales de abril de 1928. Después de un tiempo, los científicos recordaron que allá por 1923, el físico checo Smekal predijo teóricamente el mismo fenómeno. Tras los trabajos de Smekal, aparecieron las investigaciones teóricas de Kramers, Heisenberg y Schrödinger.

Al parecer, sólo la falta de información científica puede explicar el hecho de que científicos de muchos países trabajaran para resolver el mismo problema sin siquiera saberlo.

Treinta y siete años después

La investigación raman no sólo abrió un nuevo capítulo en la ciencia de la luz. Al mismo tiempo dieron arma poderosa tecnología. Industria recibida gran manera estudiando las propiedades de la materia.

Después de todo, las frecuencias de dispersión de luz Raman son huellas que las moléculas del medio que dispersa la luz se superponen a la luz. Y estas huellas no son las mismas en diferentes sustancias. Esto es lo que le dio al académico Mandelstam el derecho de llamar a la dispersión Raman de la luz el “lenguaje de las moléculas”. Aquellos que puedan leer las huellas de las moléculas en los rayos de luz y determinar la composición de la luz dispersada, las moléculas, utilizando este lenguaje, les contarán los secretos de su estructura.

En el negativo de una fotografía del espectro Raman no hay más que líneas de negrura variable. Pero a partir de esta fotografía, el especialista podrá calcular las frecuencias de las vibraciones intramoleculares que aparecieron en la luz dispersada después de su paso a través de la sustancia. La imagen contará sobre muchos aspectos hasta ahora desconocidos. vida interior moléculas: sobre su estructura, sobre las fuerzas que unen los átomos en moléculas, sobre los movimientos relativos de los átomos. Al aprender a descifrar los espectrogramas Raman, los físicos aprendieron a comprender el peculiar "lenguaje luminoso" con el que las moléculas hablan de sí mismas. Entonces el nuevo descubrimiento nos permitió penetrar más profundamente en estructura interna moléculas

Hoy en día, los físicos utilizan la dispersión Raman para estudiar la estructura de líquidos, cristales y sustancias vítreas. Los químicos utilizan este método para determinar la estructura de varios compuestos.

Los empleados del laboratorio del Instituto de Física P.N. desarrollaron métodos para estudiar la materia utilizando el fenómeno de la dispersión de la luz Raman. Academia de Ciencias Lebedev de la URSS, dirigida por el académico Landsberg.

Estos métodos permiten, en el laboratorio de una fábrica, realizar de forma rápida y precisa análisis cuantitativos y cualitativos de gasolina de aviación, productos de craqueo, productos derivados del petróleo y muchos otros líquidos orgánicos complejos. Para ello, basta con iluminar la sustancia en estudio y utilizar un espectrógrafo para determinar la composición de la luz dispersada por ella. Parece muy simple. Pero antes de que este método resultara verdaderamente conveniente y rápido, los científicos tuvieron que trabajar mucho para crear equipos precisos y sensibles. Y he aquí por qué.

De número total De la energía luminosa que ingresa a la sustancia en estudio, sólo una parte insignificante, aproximadamente una diez mil millonésima parte, representa la parte de la luz dispersada. Y la dispersión Raman rara vez representa ni siquiera el dos o el tres por ciento de este valor. Aparentemente, esta es la razón por la que la dispersión de Raman pasó desapercibida durante mucho tiempo. No es de extrañar que la obtención de las primeras fotografías Raman requiriera exposiciones que duraran decenas de horas.

Los modernos equipos creados en nuestro país permiten obtener un espectro combinado de sustancias puras en unos minutos y, a veces, incluso en segundos. Incluso para el análisis de mezclas complejas, en las que las sustancias individuales están presentes en cantidades de varios por ciento, suele ser suficiente un tiempo de exposición de no más de una hora.

Han pasado treinta y siete años desde que Mandelstam y Landsberg, Raman y Krishnan descubrieron, descifraron y entendieron el lenguaje de las moléculas grabadas en placas fotográficas. Desde entonces, se ha trabajado intensamente en todo el mundo para compilar un “diccionario” del lenguaje de las moléculas, que los ópticos llaman catálogo de frecuencias Raman. Cuando se elabore dicho catálogo, la decodificación de espectrogramas se facilitará enormemente y la dispersión Raman estará aún más plenamente al servicio de la ciencia y la industria.

¿Por qué el cielo es azul? ¿Por qué el sol es amarillo? Estas preguntas, tan naturales, se han planteado ante el hombre desde la antigüedad. Sin embargo, para obtener una explicación correcta de estos fenómenos fue necesario el esfuerzo de destacados científicos de la Edad Media y épocas posteriores, hasta finales del XIX v.

¿Qué hipótesis existieron? ¿Qué hipótesis no se han planteado en diferentes tiempos para explicar el color del cielo. 1ª hipótesis Al observar cómo el humo sobre el fondo de una chimenea oscura adquiere un color azulado, Leonardo da Vinci escribió: ... la claridad sobre la oscuridad se vuelve azul, cuanto más bella es la luz y la oscuridad, se adhiere aproximadamente al mismo punto de. view, que no sólo fue un poeta de fama mundial, sino también el más grande científico natural de su tiempo. Sin embargo, esta explicación del color del cielo resultó insostenible, ya que, como se hizo evidente más tarde, se mezclaba el blanco y el negro. Sólo puede dar tonos grises, no coloreados. Azul El humo de una chimenea es causado por un proceso completamente diferente.

¿Qué hipótesis existieron? Hipótesis 2 Después del descubrimiento de la interferencia, en particular en películas delgadas, Newton intentó aplicarla para explicar el color del cielo. Para ello tuvo que partir de la base de que las gotas de agua tienen la forma de burbujas de paredes finas, como las pompas de jabón. Pero como las gotas de agua contenidas en la atmósfera son en realidad esferas, esta hipótesis pronto estalló, como una pompa de jabón.

¿Qué hipótesis existieron? 3 hipótesis Científicos del siglo XVIII. Marriott, Bouguer, Euler pensaban que el color azul del cielo se explica por su propio color componentes aire. Esta explicación incluso recibió cierta confirmación más tarde, ya en el siglo XIX, cuando se estableció que el oxígeno líquido es azul y el ozono líquido es azul. O. B. Saussure se acercó más a la explicación correcta del color del cielo. Creía que si el aire fuera absolutamente puro, el cielo sería negro, pero el aire contiene impurezas que reflejan predominantemente el color azul (en particular, vapor de agua y gotas de agua).

Resultados del estudio: el primero en crear un cuerpo esbelto y estricto. teoría matemática dispersión molecular de la luz en la atmósfera, fue el científico inglés Rayleigh. Creía que la dispersión de la luz no se produce en las impurezas, como pensaban sus predecesores, sino en las propias moléculas de aire. Para explicar el color del cielo presentamos sólo una de las conclusiones de la teoría de Rayleigh:

Los resultados del estudio: el color de la mezcla de rayos dispersados ​​será azul. El brillo o intensidad de la luz dispersada varía en proporción inversa a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz que incide sobre la partícula dispersante. Por tanto, la dispersión molecular es extremadamente sensible al más mínimo cambio en la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la longitud de onda de los rayos violetas (0,4 μm) es aproximadamente la mitad de la longitud de onda de los rayos rojos (0,8 μm). Por lo tanto, los rayos violetas se dispersarán 16 veces más fuerte que los rojos, y con igual intensidad de los rayos incidentes habrá 16 veces más en la luz dispersada. Todos los demás rayos de colores del espectro visible (azul, cian, verde, amarillo, naranja) se incluirán en la luz dispersada en cantidades inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda de cada uno de ellos. Si ahora todos los rayos dispersos de colores se mezclan en esta proporción, entonces el color de la mezcla de rayos dispersos será azul.

Literatura: S.V. Zvereva En el mundo de la luz del sol L., Gidrometeoizdat, 1988.

La belleza del cielo ha sido representada más de una vez por artistas, descrita por escritores y poetas, incluso personas muy alejadas del arte miran este abismo seductor, lo admiran, sin encontrar palabras ni emociones suficientes para expresar esos sentimientos que conmueven el alma y mente. Las alturas atraen a una persona en cualquier rol, es hermosa con su superficie azul cristalina, no menos atractivas son sus corrientes hirvientes de nubes de color blanco grisáceo, reemplazadas por ligeras inclusiones de cirros o exuberantes cúmulos "corderos". Y por muy melancólico que parezca cielo nublado, envolviendo con su profundidad, ensordecedor y presionando con toda su masa, también provoca una tormenta de emociones y experiencias, llevando los pensamientos a una ola especial.

La belleza es vista por el espectador.

Cada persona percibe el mundo de manera diferente. Para algunos, es sombrío y gris, mientras que otros, por el contrario, sólo ven un planeta floreciente, verde y lleno de colores. También evaluamos de manera diferente los cielos sobre nuestras cabezas. Si tenemos en cuenta a una persona con una percepción normal del color, verá el cielo como se considera comúnmente: azul, gris, rosado al atardecer, gris ahumado al amanecer.

De hecho, estos colores son sólo los que nuestros ojos y nuestro cerebro son capaces de transmitirnos. Es más fácil para el ojo humano percibir un cielo nublado como gris. Cuando hace buen tiempo, tenemos un azul infinito en lo alto, pero en realidad la cúpula atmosférica se acerca más a un tono violeta cuando se ve desde la Tierra.

En esta publicación descubriremos por qué el cielo se ve gris en un día nublado y qué determina la saturación de este color, también descubriremos cómo cambia su color a lo largo del día y del año y qué afecta estos procesos;

Océano sin fondo arriba

Por encima del territorio paises europeos El cielo en la estación cálida suele sorprender con su riqueza. A veces se puede decir que es azul azulado. Sin embargo, si dedicas al menos un día a lo que sucede sobre nuestras cabezas y observas atentamente los procesos naturales, notarás una gradación de color que cambia mucho desde que sale el sol hasta que se pone por completo.

En verano, el cielo parece tan despejado y visualmente alto debido a la baja humedad y a la ausencia de una gran cantidad de nubes que, acumulando agua, se van hundiendo poco a poco más cerca del suelo. Cuando hace buen tiempo, nuestra mirada ni siquiera mira a cientos de metros hacia adelante, sino a una distancia de 1 a 1,5 km. Es por eso que percibimos el cielo alto y brillante: la ausencia de interferencias en el camino de los rayos de luz en la atmósfera asegura que no se refracten y los ojos perciben su color azul.

¿Por qué el cielo cambia de color?

Este cambio es descrito por la ciencia, aunque no tan pintorescamente como los escritores, y se llama radiación difusa del cielo. En un lenguaje sencillo y accesible para el lector, los procesos de formación de colores en el cielo se pueden explicar de la siguiente manera. La luz que emite el sol atraviesa la capa de aire que rodea la Tierra, lo que la dispersa. Este proceso ocurre de manera más simple con ondas de longitud corta. Durante el ascenso máximo del cuerpo celeste sobre nuestro planeta, en un punto ubicado fuera de su dirección, se observará el color azul más brillante y saturado.

Sin embargo, cuando el sol sale o se pone, sus rayos pasan tangencialmente a la superficie de la Tierra, la luz que emiten necesita recorrer un camino más largo, lo que significa que se dispersan en el aire en mucha mayor medida que durante el día. Como resultado, una persona percibe el cielo en colores rosa y rojo por la mañana y por la tarde. Este fenómeno es más visible cuando hay un cielo nublado sobre nosotros. Las nubes y las nubes se vuelven entonces muy brillantes, el resplandor del sol poniente las colorea de forma impresionante.

tormenta de acero

Pero ¿qué es un cielo nublado? ¿Por qué se vuelve así? Este fenómeno es uno de los eslabones del ciclo del agua de la naturaleza. Al elevarse en forma de vapor, las partículas de agua ingresan a la capa atmosférica con una temperatura más baja. Acumulación y enfriamiento en altura, se conectan entre sí y se convierten en gotas. En ese momento, cuando estas partículas aún son muy pequeñas, aparecen ante nuestros ojos hermosos cúmulos blancos. Sin embargo, cuanto más grandes se vuelven las gotas, más grises se vuelven las nubes.

A veces, mirando el cielo por el que nadan estos enormes “corderos”, se puede ver que una parte de ellos está coloreada. gris, otros incluso adquieren un tono atronador y acerado. Esta transformación se explica por el hecho de que las gotas en las nubes tienen diferentes tamaños y formas y, por tanto, refractan la luz de forma diferente. Cuando el cielo está completamente nublado, se pinta íntegramente en tonos grises ratón, sólo nos llega luz blanca.

Vastas extensiones llenas de humo

Hay días en los que el cielo gris y nublado no tiene un solo claro. Esto sucede cuando la concentración de nubes y nubes es muy alta, envuelven todo el espacio visual de arriba. A veces se perciben como una enorme masa apremiante, lista para colapsar sobre la cabeza. Además, este fenómeno se manifiesta más característicamente en otoño e invierno, cuando la temperatura del aire es baja, pero la humedad, por el contrario, es alta y se sitúa en el nivel del 80-90%.

En esos días, las nubes están muy cerca de la superficie de la tierra; se encuentran a sólo cien o dos metros de ella; La descripción de un cielo nublado a menudo tiene connotaciones melancólicas y depresivas, y esto probablemente esté relacionado precisamente con esas sensaciones que surgen cuando te sientes solo con este coloso lúgubre, listo para caer sobre ti con lluvia y frío.

Pero todo podría haber sido diferente...

Los tonos en los que juega el cielo dependen de la intensidad de la radiación luminosa y de la longitud de onda que llega al planeta, por lo que en invierno, incluso en días despejados, es de un azul azulado. Pero cuanto más cerca está la primavera y más alto está el sol, más brillante es su azul, especialmente en los días en que la bruma se disipa en capas superiores atmósfera que distorsiona la luz.

Los científicos han descubierto que en otros planetas es posible que el cielo no tenga los colores azul y azul a los que estamos acostumbrados. colores grises, en Marte, por ejemplo, es rosa incluso durante el día.

Explicación sencilla

¿Qué es el cielo?

El cielo es infinito. Para cualquier nación, el cielo es un símbolo de pureza, porque se cree que allí vive Dios mismo. La gente, volviéndose hacia el cielo, pide lluvia, o viceversa, sol. Es decir, el cielo no es sólo aire, el cielo es símbolo de pureza e inocencia.

Cielo - es sólo aire, ese aire ordinario que respiramos cada segundo, que no se puede ver ni tocar, porque es transparente e ingrávido. Pero respiramos aire transparente, ¿por qué se vuelve de un color tan azul sobre nuestras cabezas? El aire contiene varios elementos: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua y diversas partículas de polvo que están en constante movimiento.

Desde el punto de vista de la física

En la práctica, como dicen los físicos, el cielo no es más que aire coloreado por los rayos del sol. En pocas palabras, el sol brilla sobre la Tierra, pero para ello los rayos del sol deben atravesar una enorme capa de aire que literalmente envuelve la Tierra. Y así como un rayo de sol tiene muchos colores, o mejor dicho, siete colores del arco iris. Para quien no lo sepa, vale recordar que los siete colores del arcoíris son rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo, violeta.

Además, cada rayo tiene todos estos colores, y cuando pasa a través de esta capa de aire, rocía varios colores del arco iris en todas direcciones, pero se produce la dispersión más fuerte del color azul, por lo que el cielo adquiere un color azul. Para describirlo brevemente, el cielo azul son las salpicaduras producidas por un rayo coloreado de este color.

y en la luna

No hay atmósfera y por eso el cielo de la Luna no es azul, sino negro. Los astronautas que entran en órbita ven cielo negro-negro, en el que brillan planetas y estrellas. Por supuesto, el cielo en la Luna se ve muy hermoso, pero aun así no querrás ver un cielo constantemente negro sobre tu cabeza.

El cielo cambia de color

El cielo no siempre es azul; tiende a cambiar de color. Seguramente todos habrán notado que a veces es blanquecino, a veces negro azulado... ¿A qué se debe? Por ejemplo, por la noche, cuando el sol no envía sus rayos, vemos el cielo no azul, la atmósfera nos parece transparente. Y a través del aire transparente, una persona puede ver planetas y estrellas. Y durante el día, el color azul volverá a ocultar de forma fiable el misterioso espacio de las miradas indiscretas.

Varias hipótesis ¿Por qué el cielo es azul? (hipótesis de Goethe, Newton, científicos del siglo XVIII, Rayleigh)

En distintas épocas se han planteado todo tipo de hipótesis para explicar el color del cielo. Al observar cómo el humo sobre el fondo de una chimenea oscura adquiere un color azulado, Leonardo da Vinci escribió: "... la luz sobre la oscuridad se vuelve azul, cuanto más bella, más excelente es la luz y la oscuridad. Se adhirió aproximadamente a la misma". mismo punto de vista Goethe, que no sólo fue un poeta de fama mundial, sino también el científico natural más grande de su tiempo. Sin embargo, esta explicación del color del cielo resultó insostenible, ya que, como se hizo evidente más tarde, al mezclar blanco y negro sólo se pueden producir tonos grises, no colores. El color azul del humo de una chimenea se debe a un proceso completamente diferente.

Tras el descubrimiento de la interferencia, particularmente en películas delgadas, Newton Intentó aplicar interferencia para explicar el color del cielo. Para ello tuvo que partir de la base de que las gotas de agua tienen la forma de burbujas de paredes finas, como las pompas de jabón. Pero como las gotas de agua contenidas en la atmósfera son en realidad esferas, esta hipótesis pronto “estalla” como una pompa de jabón.

Científicos del siglo XVIII. Marriott, Bouguer, Euler Pensaban que el color azul del cielo se debía al color intrínseco de los componentes del aire. Esta explicación incluso recibió cierta confirmación más tarde, ya en el siglo XIX, cuando se estableció que el oxígeno líquido es azul y el ozono líquido es azul. O.B. se acercó más a la explicación correcta del color del cielo. Saussure. Creía que si el aire fuera absolutamente puro, el cielo sería negro, pero el aire contiene impurezas que reflejan predominantemente el color azul (en particular, vapor de agua y gotas de agua). Hacia la segunda mitad del siglo XIX. Se ha acumulado abundante material experimental sobre la dispersión de la luz en líquidos y gases; en particular, se ha descubierto una de las características de la luz dispersa que proviene del cielo: su polarización. Arago fue el primero en descubrirlo y explorarlo. Esto fue en 1809. Posteriormente, Babinet, Brewster y otros científicos estudiaron la polarización del firmamento. La cuestión del color del cielo atrajo tanto la atención de los científicos que los experimentos sobre la dispersión de la luz en líquidos y gases, que tuvieron un significado mucho más amplio, se llevaron a cabo desde el punto de vista de la "reproducción de laboratorio del cielo". El color azul del cielo.” Los títulos de las obras así lo indican: “Modelando el color azul del cielo” Brücke o “Sobre el color azul del cielo, la polarización de la luz por la materia nubosa en general” de Tyndall. Estos experimentos dirigieron los pensamientos de los científicos por el camino correcto: buscar la causa del color azul del cielo en la dispersión de los rayos solares en la atmósfera.

El primero en crear una teoría matemática rigurosa y armoniosa sobre la dispersión de la luz molecular en la atmósfera fue el científico inglés Rayleigh. Creía que la dispersión de la luz no se produce en las impurezas, como pensaban sus predecesores, sino en las propias moléculas de aire. El primer trabajo de Rayleigh sobre la dispersión de la luz se publicó en 1871. En su forma final, su teoría de la dispersión, basada en la naturaleza electromagnética de la luz establecida en ese momento, se expuso en la obra "Sobre la luz del cielo, su polarización y color". ”, publicado en 1899 Para trabajar en el campo de la dispersión de la luz de Rayleigh (su nombre completo John William Strett, Lord Rayleigh III) a menudo se le llama Rayleigh el Dispersor, en contraste con su hijo, Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV se denomina Rayleigh Atmosférico por su gran contribución al desarrollo de la física atmosférica. Para explicar el color del cielo presentaremos sólo una de las conclusiones de la teoría de Rayleigh y nos referiremos a otras varias veces para explicar diversos fenómenos ópticos. Esta conclusión establece que el brillo o intensidad de la luz dispersada varía inversamente con la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz que incide sobre la partícula que se dispersa. Por tanto, la dispersión molecular es extremadamente sensible al más mínimo cambio en la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la longitud de onda de los rayos violetas (0,4 μm) es aproximadamente la mitad de la longitud de onda de los rayos rojos (0,8 μm). Por lo tanto, los rayos violetas se dispersarán 16 veces más fuerte que los rojos, y con igual intensidad de los rayos incidentes habrá 16 veces más en la luz dispersada. Todos los demás rayos de colores del espectro visible (azul, cian, verde, amarillo, naranja) se incluirán en la luz dispersada en cantidades inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda de cada uno de ellos. Si ahora todos los rayos dispersos de colores se mezclan en esta proporción, entonces el color de la mezcla de rayos dispersos será azul.

La luz solar directa (es decir, la luz que emana directamente del disco solar), que pierde principalmente rayos azules y violetas debido a la dispersión, adquiere un tinte amarillento débil, que se intensifica a medida que el Sol desciende hacia el horizonte. Ahora los rayos tienen que recorrer un camino cada vez más largo a través de la atmósfera. En un camino largo, la pérdida de rayos de longitud de onda corta, es decir, violeta, azul, cian, se vuelve cada vez más notoria, y bajo la luz directa del Sol o la Luna, predominantemente rayos de longitud de onda larga (rojo, naranja, amarillo). llegar a la superficie de la Tierra. Por lo tanto, el color del Sol y la Luna primero se vuelve amarillo, luego naranja y rojo. El color rojo del Sol y el color azul del cielo son dos consecuencias del mismo proceso de dispersión. En la luz directa, después de atravesar la atmósfera, permanecen predominantemente rayos de onda larga (Sol rojo), mientras que la luz difusa contiene rayos de onda corta (cielo azul). Entonces la teoría de Rayleigh explicó de manera muy clara y convincente el misterio. cielo azul y el sol rojo.

dispersión molecular térmica del cielo