Radość widzenia i zrozumienia
to najpiękniejszy dar natury.
Alberta Einsteina

Tajemnica błękitu nieba

Dlaczego niebo jest niebieskie?...

Nie ma osoby, która choć raz w życiu nie pomyślałaby o tym. Już średniowieczni myśliciele próbowali wyjaśnić pochodzenie koloru nieba. Niektórzy z nich sugerowali, że niebieski jest prawdziwym kolorem powietrza lub jednego z jego gazów składowych. Inni uważali, że prawdziwy kolor nieba jest czarny – tak jak wygląda w nocy. W ciągu dnia czerń nieba łączy się z bielą - promienie słoneczne, i okazuje się... niebieski.

Być może nie spotkacie teraz osoby, która chcąc zdobyć niebieską farbę mieszałaby czerń z bielą. A był czas, kiedy prawa dotyczące mieszania kolorów były wciąż niejasne. Zainstalował je zaledwie trzysta lat temu Newton.

Newton zainteresował się także tajemnicą lazurowego nieba. Zaczął od odrzucenia wszystkich poprzednich teorii.

Po pierwsze, argumentował, mieszanina bieli i czerni nigdy nie daje koloru niebieskiego. Po drugie, niebieski wcale nie jest prawdziwym kolorem powietrza. Gdyby tak było, Słońce i Księżyc o zachodzie słońca nie byłyby czerwone, jak są w rzeczywistości, ale niebieskie. Tak wyglądałyby szczyty odległych, ośnieżonych gór.

Wyobraź sobie, że powietrze jest kolorowe. Nawet jeśli jest bardzo słaby. Wtedy gruba warstwa będzie działać jak malowane szkło. A jeśli spojrzysz przez malowane szkło, wszystkie przedmioty będą wydawać się tego samego koloru co to szkło. Dlaczego odległe ośnieżone szczyty wydają nam się różowe, a nie niebieskie?

W sporze z poprzednikami prawda była po stronie Newtona. Udowodnił, że powietrze nie jest kolorowe.

Ale nadal nie rozwiązał zagadki niebiańskiego lazuru. Zmyliła go tęcza, jedno z najpiękniejszych, poetyckich zjawisk natury. Dlaczego nagle pojawia się i znika równie nieoczekiwanie? Newtonowi nie mógł zadowolić się panujący przesąd: tęcza to znak z góry, zwiastuje dobrą pogodę. Starał się znaleźć materialną przyczynę każdego zjawiska. Znalazł także przyczynę tęczy.

Tęcze powstają w wyniku załamania światła w kroplach deszczu. Rozumiejąc to, Newton był w stanie obliczyć kształt łuku tęczy i wyjaśnić kolejność kolorów tęczy. Jego teoria nie potrafiła wyjaśnić jedynie pojawienia się podwójnej tęczy, ale udało się to zrobić dopiero trzy wieki później za pomocą bardzo złożonej teorii.

Sukces teorii tęczy zahipnotyzował Newtona. Błędnie uznał, że błękit nieba i tęcza wynikają z tego samego powodu. Tęcza naprawdę wybucha, gdy promienie Słońca przebijają się przez rój kropel deszczu. Ale błękit nieba widać nie tylko w deszczu! Wręcz przeciwnie, przy dobrej pogodzie, gdy nie widać nawet śladu deszczu, niebo jest szczególnie błękitne. Jak wielki naukowiec tego nie zauważył? Newton sądził, że maleńkie bąbelki wody, które według jego teorii tworzą jedynie niebieską część tęczy, unoszą się w powietrzu przy każdej pogodzie. Ale to było złudzenie.

Pierwsze rozwiązanie

Minęło prawie 200 lat, a tym zagadnieniem zajął się inny angielski naukowiec – Rayleigh, który nie obawiał się, że to zadanie przekracza siły nawet wielkiego Newtona.

Rayleigh studiował optykę. A ludzie, którzy poświęcają swoje życie badaniu światła, spędzają dużo czasu w ciemności. Obce światło zakłóca najdrobniejsze eksperymenty, dlatego okna laboratorium optycznego prawie zawsze są zasłonięte czarnymi, nieprzeniknionymi zasłonami.

Rayleigh godzinami pozostawał sam w swoim ponurym laboratorium, a promienie światła uciekały z instrumentów. Na drodze promieni wirowały jak żywe drobinki kurzu. Były jasno oświetlone i dlatego wyróżniały się na ciemnym tle. Naukowiec mógł spędzić dużo czasu w zamyśleniu obserwując ich płynne ruchy, tak jak człowiek obserwuje grę iskier w kominku.

Czy to nie te drobinki kurzu tańczące w promieniach światła podsunęły Rayleighowi nowy pomysł na temat pochodzenia koloru nieba?

Już w starożytności wiadomo było, że światło rozchodzi się po linii prostej. Tego ważnego odkrycia mógł dokonać prymitywny człowiek, obserwując, jak promienie słoneczne przedzierając się przez szczeliny chaty padały na ściany i podłogę.

Ale jest mało prawdopodobne, aby niepokoiła go myśl, dlaczego widzi promienie światła, patrząc na nie z boku. I tu jest nad czym myśleć. W końcu promienie słoneczne promieniują ze szczeliny na podłogę. Oko obserwatora jest umieszczone z boku, a mimo to widzi to światło.

Widzimy także światło z reflektora skierowanego w niebo. Oznacza to, że część światła jest w jakiś sposób odchylona prosta droga i trafia do naszego oka.

Co sprawia, że ​​błądzi? Okazuje się, że są to właśnie drobinki kurzu wypełniające powietrze. Promienie rozproszone przez drobinkę kurzu i promienie wpadają do naszego oka, które napotykając przeszkody skręcają z drogi i rozprzestrzeniają się w linii prostej od rozpraszającej drobinki kurzu do naszego oka.

„Czy to te drobinki kurzu zabarwiają niebo na niebiesko?” – pomyślał pewnego dnia Rayleigh. Dokonał obliczeń i przypuszczenie zamieniło się w pewność. Znalazł wyjaśnienie błękitnego koloru nieba, czerwonych świtów i niebieskiej mgły! No cóż, oczywiście maleńkie ziarenka pyłu, których rozmiar jest mniejszy niż długość fali światła, rozpraszają światło słoneczne, a im krótsza jest jego długość, tym silniej – ogłosił Rayleigh w 1871 roku. A ponieważ promienie fioletowe i niebieskie w widzialnym widmie słonecznym mają najkrótszą długość fali, są one rozpraszane najsilniej, nadając niebu niebieski kolor.

Słońce i ośnieżone szczyty zastosowały się do obliczeń Rayleigha. Potwierdzili nawet teorię naukowca. O wschodzie i zachodzie słońca, kiedy światło słoneczne przechodzi przez największą grubość powietrza, promienie fioletowe i niebieskie, według teorii Rayleigha, są rozpraszane najsilniej. Jednocześnie zbaczają z prostej ścieżki i nie przyciągają uwagi obserwatora. Obserwator widzi głównie promienie czerwone, które są rozproszone znacznie słabiej. Dlatego o wschodzie i zachodzie słońca wydaje nam się czerwone. Z tego samego powodu szczyty odległych, ośnieżonych gór wydają się różowe.

Patrząc na czyste niebo, widzimy niebiesko-niebieskie promienie, które w wyniku rozproszenia zbaczają z prostej ścieżki i wpadają w nasze oczy. A mgła, którą czasami widzimy w pobliżu horyzontu, również wydaje nam się niebieska.

Irytujący drobiazg

Czy to nie piękne wyjaśnienie? Sam Rayleigh był tym tak urzeczony, naukowcy byli tak zdumieni harmonią teorii i zwycięstwem Rayleigha nad Newtonem, że nikt z nich nie zauważył jednej prostej rzeczy. Ten drobiazg powinien był jednak całkowicie zmienić ich ocenę.

Kto zaprzeczy, że daleko od miasta, gdzie w powietrzu jest znacznie mniej kurzu, błękit nieba jest szczególnie wyraźny i jasny? Samemu Rayleighowi trudno było temu zaprzeczyć. Zatem... to nie cząsteczki kurzu rozpraszają światło? Co wtedy?

Ponownie przejrzał wszystkie swoje obliczenia i nabrał przekonania, że ​​jego równania są poprawne, ale to oznaczało, że rozpraszające cząstki w rzeczywistości nie były ziarnami pyłu. Ponadto ziarna pyłu obecne w powietrzu są znacznie dłuższe niż długość fali światła, a obliczenia przekonały Rayleigha, że ​​duże ich nagromadzenie nie poprawia błękitu nieba, a wręcz przeciwnie, go osłabia. Rozpraszanie światła przez duże cząstki słabo zależy od długości fali i dlatego nie powoduje zmiany jego barwy.

Kiedy światło jest rozproszone na dużych cząstkach, zarówno światło rozproszone, jak i przechodzące pozostaje białe, dlatego pojawienie się dużych cząstek w powietrzu nadaje niebu białawy kolor, a nagromadzenie dużej liczby dużych kropelek powoduje biały kolor chmury i mgła. Łatwo to sprawdzić na zwykłym papierosie. Dym wydobywający się z ustnika zawsze wydaje się białawy, a dym unoszący się z płonącego końca ma niebieskawy kolor.

Najmniejsze cząsteczki dymu unoszące się z płonącego końca papierosa są mniejsze niż długość fali światła i zgodnie z teorią Rayleigha rozpraszają głównie barwy fioletowe i niebieskie. Jednak przechodząc przez wąskie kanały w grubości tytoniu, cząsteczki dymu sklejają się (koagulują), łącząc się w większe grudki. Wiele z nich staje się większych niż długości fal światła i rozpraszają wszystkie długości fal światła w przybliżeniu jednakowo. Z tego powodu dym wydobywający się z ustnika ma białawy kolor.

Tak, nie było sensu spierać się i bronić teorii opartej na drobinkach kurzu.

Tak więc tajemnica błękitnego koloru nieba ponownie stanęła przed naukowcami. Ale Rayleigh nie poddał się. Jeśli niebieski kolor nieba jest tym czystszy i jaśniejszy, im czystsza jest atmosfera, rozumował, to kolor nieba nie może być spowodowany niczym innym niż cząsteczkami samego powietrza. Cząsteczki powietrza, pisał w swoich nowych artykułach, to najmniejsze cząsteczki rozpraszające światło słoneczne!

Tym razem Rayleigh był bardzo ostrożny. Zanim zgłosił swój nowy pomysł, postanowił go przetestować, aby w jakiś sposób porównać teorię z doświadczeniem.

Okazja nadarzyła się w roku 1906. Rayleighowi pomógł amerykański astrofizyk Abbott, który badał błękitną poświatę nieba w Obserwatorium Mount Wilson. Przetwarzając wyniki pomiarów jasności nieba w oparciu o teorię rozpraszania Rayleigha, Abbott obliczył liczbę cząsteczek zawartych w każdym centymetrze sześciennym powietrza. Okazało się, że to ogromna liczba! Dość powiedzieć, że jeśli rozdacie te cząsteczki wszystkim mieszkańcom kuli ziemskiej, to każdy otrzyma ponad 10 miliardów tych cząsteczek. Krótko mówiąc, Abbott odkrył, że w każdym centymetrze sześciennym powietrza o godz normalna temperatura a ciśnienie atmosferyczne zawiera 27 miliardów razy miliard cząsteczek.

Można określić liczbę cząsteczek w centymetrze sześciennym gazu różne sposoby opiera się na zupełnie odmiennych i niezależnych zjawiskach. Wszystkie prowadzą do ściśle dopasowanych wyników i dają liczbę zwaną liczbą Loschmidta.

Liczba ta jest dobrze znana naukowcom i nie raz służyła jako miara i kontrola w wyjaśnianiu zjawisk zachodzących w gazach.

I tak liczba uzyskana przez Abbotta podczas pomiaru blasku nieba z dużą dokładnością pokrywała się z liczbą Loschmidta. Jednak w swoich obliczeniach posłużył się teorią rozpraszania Rayleigha. Tym samym jasno udowodniono, że teoria jest słuszna, molekularne rozpraszanie światła naprawdę istnieje.

Wydawało się, że teorię Rayleigha rzetelnie potwierdziło doświadczenie; wszyscy naukowcy uważali go za bezbłędny.

Zostało ono powszechnie przyjęte i znalazło się we wszystkich podręcznikach optyki. Można było odetchnąć: w końcu znaleziono wyjaśnienie zjawiska tak znajomego, a jednocześnie tajemniczego.

Jest to tym bardziej zaskakujące, że w 1907 roku na łamach słynnego magazyn naukowy ponownie pojawiło się pytanie: dlaczego niebo jest niebieskie?!.

Spór

Kto śmiał kwestionować ogólnie przyjętą teorię Rayleigha?

Co dziwne, był to jeden z najbardziej zagorzałych wielbicieli i wielbicieli Rayleigha. Być może nikt tak bardzo nie doceniał i nie rozumiał Rayleigha, nie znał tak dobrze jego twórczości i nie interesował się jego pracą naukową tak bardzo, jak młody rosyjski fizyk Leonid Mandelstam.

„Charakter umysłu Leonida Izaakowicza” – wspominał później inny radziecki naukowiec, akademik N.D. Papaleksi – miał wiele wspólnego z Rayleighem. I to nie przypadek, że ścieżki ich twórczości naukowej często przebiegały równolegle i wielokrotnie się krzyżowały.

Tym razem także przeżegnali się w kwestii pochodzenia koloru nieba. Wcześniej Mandelstam interesował się głównie inżynierią radiową. Na początku naszego stulecia była to zupełnie nowa dziedzina nauki i niewiele osób ją rozumiało. Po odkryciu A.S. Popowa (w 1895 r.) minęło zaledwie kilka lat, a kresowi pracy nie było końca. W krótkim czasie Mandelstam przeprowadził wiele poważnych badań w dziedzinie oscylacji elektromagnetycznych w odniesieniu do urządzeń radiotechnicznych. W 1902 roku obronił rozprawę doktorską i w wieku dwudziestu trzech lat uzyskał stopień doktora filozofii naturalnej na Uniwersytecie w Strasburgu.

Zajmując się zagadnieniami wzbudzenia fal radiowych, Mandelstam w naturalny sposób zapoznawał się z pracami Rayleigha, który był uznanym autorytetem w badaniu procesów oscylacyjnych. A młody lekarz nieuchronnie zapoznał się z problemem kolorowania nieba.

Ale zapoznawszy się z kwestią koloru nieba, Mandelstam nie tylko pokazał błąd, czy też, jak sam powiedział, „nieadekwatność” ogólnie przyjętej teorii Rayleigha o molekularnym rozpraszaniu światła, nie tylko ujawnił tajemnicę błękitnego koloru nieba, ale także położył podwaliny pod badania, które doprowadziły do ​​jednego z najważniejsze odkrycia fizyka XX wieku.

Wszystko zaczęło się od sporu zaocznego z jednym z najwybitniejszych fizyków, ojcem teorii kwantów, M. Planckiem. Kiedy Mandelstam zapoznał się z teorią Rayleigha, urzekła go ona swoją powściągliwością i wewnętrznymi paradoksami, których, ku zaskoczeniu młodego fizyka, stary, bardzo doświadczony Rayleigh nie zauważył. Niewystarczalność teorii Rayleigha ujawniła się szczególnie wyraźnie, analizując inną teorię, zbudowaną na jej podstawie przez Plancka, mającą na celu wyjaśnienie tłumienia światła podczas przejścia przez optycznie jednorodny przezroczysty ośrodek.

W tej teorii przyjęto, że źródłami fal wtórnych są same cząsteczki substancji, przez które przechodzi światło. Planck argumentował, że aby wytworzyć te fale wtórne, zużywa się część energii przechodzącej fali, która jest tłumiona. Widzimy, że teoria ta opiera się na teorii rozpraszania molekularnego Rayleigha i opiera się na jej autorytecie.

Istotę sprawy najłatwiej zrozumieć obserwując fale na powierzchni wody. Jeśli fala napotka obiekty stacjonarne lub pływające (stosy, kłody, łodzie itp.), wówczas małe fale rozpraszają się we wszystkich kierunkach od tych obiektów. To nic innego jak rozproszenie. Część energii padającej fali jest wydawana na ekscytujące fale wtórne, które w optyce są bardzo podobne do światła rozproszonego. W tym przypadku fala początkowa jest osłabiona - zanika.

Obiekty pływające mogą być znacznie mniejsze niż długość fali przemieszczającej się w wodzie. Nawet małe ziarna będą powodować fale wtórne. Oczywiście, w miarę zmniejszania się rozmiaru cząstek, utworzone przez nie fale wtórne słabną, ale nadal będą odbierać energię fali głównej.

Mniej więcej tak Planck wyobrażał sobie proces osłabiania fali świetlnej podczas jej przejścia przez gaz, ale rolę ziaren w jego teorii odegrały cząsteczki gazu.

Mandelstam zainteresował się dziełem Plancka.

Tok myślenia Mandelstama można również wyjaśnić na przykładzie fal na powierzchni wody. Trzeba się tylko temu dokładniej przyjrzeć. Zatem nawet drobne ziarna unoszące się na powierzchni wody są źródłem fal wtórnych. Ale co się stanie, jeśli te ziarna zostaną rozsypane tak gęsto, że pokryją całą powierzchnię wody? Wtedy okaże się, że poszczególne fale wtórne wywołane przez liczne ziarna zsumują się w taki sposób, że całkowicie wygaszą te części fal, które biegną na boki i do tyłu, a rozpraszanie ustanie. Pozostaje tylko fala biegnąca do przodu. Będzie biec do przodu, wcale nie osłabiając się. Jedynym skutkiem obecności całej masy ziaren będzie nieznaczne zmniejszenie prędkości propagacji fali pierwotnej. Szczególnie ważne jest, aby to wszystko nie było zależne od tego, czy ziarna stoją w bezruchu, czy poruszają się po powierzchni wody. Agregat ziaren będzie po prostu obciążeniem powierzchni wody, zmieniając gęstość jej górnej warstwy.

Mandelstam dokonał matematycznych obliczeń dla przypadku, gdy liczba cząsteczek w powietrzu jest tak duża, że ​​nawet na tak małej powierzchni, jak długość fali światła, mieści się bardzo duża liczba cząsteczek. Okazało się, że w tym przypadku wtórne fale świetlne wzbudzane przez poszczególne chaotycznie poruszające się cząsteczki sumują się w taki sam sposób, jak fale w przykładzie z ziarnami. Oznacza to, że w tym przypadku fala świetlna rozchodzi się bez rozproszenia i tłumienia, ale z nieco mniejszą prędkością. Obaliło to teorię Rayleigha, który uważał, że ruch cząstek rozpraszających we wszystkich przypadkach zapewnia rozpraszanie fal, i dlatego obalił opartą na niej teorię Plancka.

W ten sposób odkryto piasek u podstaw teorii rozpraszania. Cały majestatyczny budynek zaczął się trząść i groził zawaleniem.

Zbieg okoliczności

Ale co z określeniem liczby Loschmidta na podstawie pomiarów niebieskiej poświaty nieba? W końcu doświadczenie potwierdziło teorię rozpraszania Rayleigha!

„Ten zbieg okoliczności należy uznać za przypadkowy” – napisał Mandelstam w 1907 roku w swojej pracy „O ośrodkach optycznie jednorodnych i mętnych”.

Mandelstam wykazał, że przypadkowy ruch cząsteczek nie może sprawić, że gaz będzie jednorodny. Wręcz przeciwnie, w prawdziwym gazie zawsze występują drobne rozrzedzenia i zagęszczenia powstające w wyniku chaotycznego ruchu termicznego. To właśnie one powodują rozproszenie światła, zakłócając bowiem jednorodność optyczną powietrza. W tej samej pracy Mandelstam napisał:

„Jeśli ośrodek jest optycznie niejednorodny, to ogólnie rzecz biorąc padające światło będzie również rozproszone na boki”.

Ponieważ jednak rozmiary niejednorodności powstających w wyniku ruchu chaotycznego są mniejsze niż długość fal świetlnych, rozproszone będą głównie fale odpowiadające fioletowej i niebieskiej części widma. A to prowadzi w szczególności do błękitnego koloru nieba.

W ten sposób zagadka lazurowego nieba została ostatecznie rozwiązana. Część teoretyczną opracował Rayleigh. Fizyczna natura rozpraszaczy została ustalona przez Mandelstama.

Wielką zasługą Mandelstama jest to, że udowodnił, iż założenie o doskonałej jednorodności gazu jest nie do pogodzenia z faktem rozpraszania w nim światła. Uświadomił sobie, że błękit nieba świadczy o tym, że jednorodność gazów jest tylko pozorna. Mówiąc dokładniej, gazy wydają się jednorodne tylko wtedy, gdy są badane za pomocą prymitywnych instrumentów, takich jak barometr, waga lub inne instrumenty, na które wpływa wiele miliardów cząsteczek jednocześnie. Ale wiązka światła wykrywa nieporównywalnie mniejsze ilości cząsteczek, mierzone jedynie w dziesiątkach tysięcy. I to wystarczy, aby ponad wszelką wątpliwość ustalić, że gęstość gazu podlega ciągłym niewielkim, lokalnym zmianom. Zatem medium jednorodne z naszego „z grubsza” punktu widzenia jest w rzeczywistości heterogeniczne. Z „punktu widzenia światła” wydaje się mętny i dlatego rozprasza światło.

Przypadkowe lokalne zmiany właściwości substancji, wynikające z termicznego ruchu cząsteczek, nazywane są obecnie fluktuacjami. Wyjaśniwszy fluktuacyjne pochodzenie molekularnego rozpraszania światła, Mandelstam utorował drogę nowej metodzie badania materii – metodzie fluktuacji, czyli metodzie statystycznej, którą później rozwinęli Smoluchowski, Lorentz, Einstein i on sam, tworząc nowy duży wydział fizyki – fizyka statystyczna.

Niebo powinno migotać!

Tak więc tajemnica błękitnego koloru nieba została ujawniona. Ale badania nad rozpraszaniem światła na tym się nie skończyły. Zwracając uwagę na niemal niezauważalne zmiany gęstości powietrza i tłumacząc kolor nieba fluktuacyjnym rozpraszaniem światła, Mandelstam swoim wyostrzonym zmysłem naukowca odkrył nową, jeszcze bardziej subtelną cechę tego procesu.

W końcu niejednorodności powietrza spowodowane są przypadkowymi wahaniami jego gęstości. Wielkość tych przypadkowych niejednorodności i gęstość grudek zmienia się w czasie. Dlatego, rozumował naukowiec, intensywność – siła rozproszonego światła – również powinna zmieniać się w czasie! Przecież im gęstsze zlepki cząsteczek, tym intensywniejsze jest rozproszone na nich światło. A skoro te grudki pojawiają się i znikają chaotycznie, niebo, mówiąc najprościej, powinno migotać! Siła jego blasku i kolor powinny cały czas się zmieniać (ale bardzo słabo)! Ale czy ktoś kiedykolwiek zauważył takie migotanie? Oczywiście nie.

Efekt ten jest na tyle subtelny, że nie da się go zauważyć gołym okiem.

Żaden z naukowców nie zaobserwował również takiej zmiany w blasku nieba. Sam Mandelstam nie miał możliwości zweryfikowania wniosków swojej teorii. Organizację złożonych eksperymentów początkowo utrudniały złe warunki Rosja carska, a potem trudności pierwszych lat rewolucji, obca interwencja i wojna domowa.

W 1925 Mandelstam został kierownikiem katedry na Uniwersytecie Moskiewskim. Tutaj spotkał się z wybitnym naukowcem i utalentowanym eksperymentatorem Grigorym Samuilovichem Landsbergiem. I tak, połączeni głęboką przyjaźnią i wspólnymi zainteresowaniami naukowymi, wspólnie kontynuowali atak na tajemnice ukryte w słabych promieniach rozproszonego światła.

Laboratoria optyczne uniwersytetu w tamtych latach były nadal bardzo ubogie w instrumenty. Na uniwersytecie nie było ani jednego instrumentu zdolnego wykryć migotanie nieba lub te niewielkie różnice w częstotliwościach światła padającego i rozproszonego, które według teorii były wynikiem tego migotania.

Nie powstrzymało to jednak badaczy. Porzucili pomysł symulacji nieba w warunkach laboratoryjnych. To tylko skomplikowałoby i tak już subtelne doświadczenie. Postanowili badać nie rozpraszanie białego - złożonego światła, ale rozpraszanie promieni o jednej, ściśle określonej częstotliwości. Jeśli będą znali dokładnie częstotliwość padającego światła, znacznie łatwiej będzie szukać tych częstotliwości w jej pobliżu, które powinny powstać podczas rozpraszania. Ponadto teoria sugerowała, że ​​obserwacje były łatwiejsze do przeprowadzenia ciała stałe, ponieważ w nich cząsteczki znajdują się znacznie bliżej niż w gazach, a im gęstsza jest substancja, tym większe jest rozpraszanie.

Rozpoczęły się żmudne poszukiwania najodpowiedniejszych materiałów. Ostatecznie wybór padł na kryształy kwarcu. Po prostu dlatego, że duże, przezroczyste kryształy kwarcu są tańsze niż jakiekolwiek inne.

Doświadczenia przygotowawcze trwały dwa lata, wyselekcjonowano najczystsze próbki kryształów, udoskonalono technikę i ustalono znaki, dzięki którym można było bezdyskusyjnie odróżnić rozpraszanie na cząsteczkach kwarcu od rozpraszania na przypadkowych wtrąceniach, niejednorodnościach kryształów i zanieczyszczeniach.

Rozsądek i praca

Z braku potężnego sprzętu do analizy spektralnej naukowcy wybrali genialne obejście, które miało umożliwić wykorzystanie istniejących instrumentów.

Główną trudnością w tej pracy było to, że na słabe światło spowodowane rozpraszaniem molekularnym nakładało się znacznie silniejsze światło rozproszone przez drobne zanieczyszczenia i inne defekty w próbkach kryształów uzyskanych do eksperymentów. Naukowcy postanowili wykorzystać fakt, że światło rozproszone powstałe w wyniku defektów kryształu i odbić od niego różne części ustawienia dokładnie odpowiadają częstotliwości padającego światła. Interesowało ich jedynie światło o częstotliwości zmienionej zgodnie z teorią Mandelstama, zatem zadaniem było wyeksponowanie światła o zmienionej częstotliwości spowodowanej rozpraszaniem molekularnym na tle tego znacznie jaśniejszego światła.

Aby mieć pewność, że rozproszone światło będzie mogło zostać wykryte, naukowcy postanowili oświetlić kwarc za pomocą najsilniejszego dostępnego im urządzenia oświetleniowego: lampy rtęciowej.

Zatem światło rozproszone w krysztale musi składać się z dwóch części: słabego światła o zmienionej częstotliwości, spowodowanego rozpraszaniem molekularnym (badanie tej części było celem naukowców) oraz znacznie silniejszego światła o niezmienionej częstotliwości, spowodowanego z powodów zewnętrznych(ta część była szkodliwa i utrudniała badania).

Idea metody była atrakcyjna ze względu na swoją prostotę: konieczne jest pochłanianie światła o stałej częstotliwości i przepuszczanie do aparatu spektralnego jedynie światła o zmienionej częstotliwości. Ale różnice w częstotliwościach wynosiły tylko kilka tysięcznych procenta. Żadne laboratorium na świecie nie posiadało filtra zdolnego oddzielić tak bliskie częstotliwości. Znaleziono jednak rozwiązanie.

Rozproszone światło przepuszczano przez naczynie zawierające pary rtęci. W rezultacie całe „szkodliwe” światło „utknęło” w naczyniu, a „użyteczne” światło przeszło bez zauważalnego osłabienia. Eksperymentatorzy wykorzystali jedną już znaną okoliczność. Atom materii, jak twierdzi fizyka kwantowa, jest w stanie emitować fale świetlne tylko o ściśle określonych częstotliwościach. Jednocześnie atom ten jest również zdolny do pochłaniania światła. Co więcej, tylko fale świetlne o tych częstotliwościach, które on sam może emitować.

W lampie rtęciowej światło emitowane jest przez pary rtęci, które świecą pod wpływem wyładowania elektrycznego występującego wewnątrz lampy. Jeśli światło to przejdzie przez naczynie zawierające również pary rtęci, zostanie prawie całkowicie pochłonięte. Stanie się to, co przewiduje teoria: atomy rtęci w naczyniu pochłoną światło emitowane przez atomy rtęci w lampie.

Światło z innych źródeł, np. lampy neonowej, przejdzie przez opary rtęci bez uszkodzeń. Atomy rtęci nawet nie zwrócą na to uwagi. Ta część światła lampy rtęciowej, która została rozproszona w kwarcu przy zmianie długości fali, również nie zostanie pochłonięta.

Mandelstam i Landsberg wykorzystali tę dogodną okoliczność.

Niesamowite odkrycie

W 1927 r. rozpoczęły się zdecydowane eksperymenty. Naukowcy oświetlili kryształ kwarcu światłem lampy rtęciowej i przetworzyli wyniki. I... byli zaskoczeni.

Wyniki eksperymentu były nieoczekiwane i niezwykłe. To, co odkryli naukowcy, wcale nie było tym, czego oczekiwali, ani tym, co przewidywała teoria. Odkryli zupełnie nowe zjawisko. Ale który? I czy to nie jest błąd? Rozproszone światło nie ujawniło oczekiwanych częstotliwości, ale znacznie wyższe i niższe częstotliwości. W widmie światła rozproszonego pojawiła się cała kombinacja częstotliwości, których nie było w świetle padającym na kwarc. Po prostu niemożliwe było wyjaśnienie ich wyglądu niejednorodnościami optycznymi kwarcu.

Rozpoczęło się dokładne sprawdzanie. Eksperymenty przeprowadzono bez zarzutu. Zostały zaprojektowane tak dowcipnie, perfekcyjnie i pomysłowo, że nie można było ich nie podziwiać.

„Leonid Izaakowicz czasami rozwiązywał bardzo trudne problemy techniczne tak pięknie, a czasem genialnie prosto, że każdy z nas mimowolnie zadał sobie pytanie: „Dlaczego wcześniej mi to nie przyszło do głowy?” – mówi jeden z pracowników.

Różne eksperymenty kontrolne stale potwierdzały brak błędu. Na zdjęciach widma światła rozproszonego uparcie pojawiały się słabe, a jednak dość wyraźne linie, wskazujące na obecność „dodatkowych” częstotliwości w świetle rozproszonym.

Naukowcy od wielu miesięcy szukają wyjaśnienia tego zjawiska. Gdzie w rozproszonym świetle pojawiły się „obce” częstotliwości?!

I nadszedł dzień, w którym Mandelstama uderzyło niesamowite przypuszczenie. Było to niesamowite odkrycie, to samo, które obecnie uważane jest za jedno z najważniejszych odkryć XX wieku.

Ale zarówno Mandelstam, jak i Landsberg doszli jednomyślnie do decyzji, że odkrycie to może zostać opublikowane dopiero po solidnym sprawdzeniu, po wyczerpującej penetracji głębi zjawiska. Rozpoczęły się ostatnie eksperymenty.

Z pomocą słońca

16 lutego indyjscy naukowcy C.N. Ramana i K.S. Krishnan wysłał telegram z Kalkuty do tego magazynu z krótkim opisem ich odkrycia.

W tamtych latach do magazynu Nature napływały listy z całego świata dotyczące różnych odkryć. Jednak nie każda wiadomość ma budzić emocje wśród naukowców. Kiedy na światło dzienne wyszło wydanie listu od indyjskich naukowców, fizycy byli bardzo podekscytowani. Już sam tytuł notatki – „Nowy rodzaj promieniowania wtórnego” – wzbudził zainteresowanie. Przecież optyka to jedna z najstarszych nauk, w XX wieku nieczęsto udawało się odkryć w niej coś nieznanego.

Można sobie wyobrazić, z jakim zainteresowaniem fizycy na całym świecie oczekiwali na nowe listy z Kalkuty.

Ich zainteresowanie w dużej mierze wynikało z samej osobowości jednego z autorów odkrycia, Ramana. To człowiek o ciekawym losie i niezwykłej biografii, bardzo podobnej do biografii Einsteina. Einstein w młodości był prostym nauczycielem gimnazjum, a następnie pracownikiem urzędu patentowego. To właśnie w tym okresie ukończył najważniejsze ze swoich dzieł. Raman, genialny fizyk, także po ukończeniu studiów, został zmuszony do służby na wydziale finansów przez dziesięć lat i dopiero po tym został zaproszony na wydział Uniwersytetu w Kalkucie. Raman wkrótce został uznanym dyrektorem indyjskiej szkoły fizyków.

Krótko przed opisanymi wydarzeniami Raman i Krishnan zainteresowali się ciekawym zadaniem. W tym czasie namiętności wywołane w 1923 roku odkryciem amerykańskiego fizyka Comptona, który badając przejście promieni rentgenowskich przez materię, odkrył, że część z tych promieni, rozpraszając się na boki od pierwotnego kierunku, zwiększa swoją długość fali , jeszcze nie ustąpiło. W tłumaczeniu na język optyki można powiedzieć, że promienie rentgenowskie zderzając się z cząsteczkami substancji, zmieniały swój „kolor”.

Zjawisko to można łatwo wytłumaczyć prawami Fizyka kwantowa. Dlatego odkrycie Comptona było jednym z decydujących dowodów na poprawność młodej teorii kwantowej.

Postanowiliśmy spróbować czegoś podobnego, ale z optyką. odkryci przez indyjskich naukowców. Chcieli przepuścić światło przez substancję i zobaczyć, jak jego promienie zostaną rozproszone na cząsteczkach substancji i czy zmieni się ich długość fali.

Jak widać, chcąc czy nie chcąc, indyjscy naukowcy postawili sobie to samo zadanie, co radzieccy naukowcy. Ale ich cele były inne. W Kalkucie szukali optycznej analogii efektu Comptona. W Moskwie - eksperymentalne potwierdzenie przewidywań Mandelstama dotyczących zmiany częstotliwości, gdy światło jest rozpraszane przez zmienne niejednorodności.

Raman i Krishnan zaprojektowali złożony eksperyment, ponieważ oczekiwany efekt był niezwykle mały. Do eksperymentu potrzebne było bardzo jasne źródło światła. A potem postanowili wykorzystać słońce, zbierając jego promienie za pomocą teleskopu.

Średnica soczewki wynosiła osiemnaście centymetrów. Naukowcy skierowali zebrane światło przez pryzmat na naczynia zawierające ciecze i gazy, które zostały dokładnie oczyszczone z kurzu i innych zanieczyszczeń.

Ale aby wykryć oczekiwane małe rozszerzenie długości fali rozproszonego światła za pomocą bieli światło słoneczne, zawierający praktycznie wszystkie możliwe długości fal, był beznadziejny. Dlatego naukowcy postanowili zastosować filtry świetlne. Umieścili przed obiektywem filtr niebiesko-fioletowy i obserwowali rozproszone światło przez filtr żółto-zielony. Słusznie uznali, że to, co przepuści pierwszy filtr, utknie w drugim. Przecież filtr żółto-zielony pochłania promienie niebiesko-fioletowe transmitowane przez pierwszy filtr. Obydwa, umieszczone jeden za drugim, powinny pochłaniać całe padające światło. Jeśli niektóre promienie wpadną w oko obserwatora, będzie można z całą pewnością stwierdzić, że nie znajdowały się one w padającym świetle, ale narodziły się w badanej substancji.

Kolumb

Rzeczywiście, w rozproszonym świetle Raman i Krishnan wykryli promienie przechodzące przez drugi filtr. Nagrali dodatkowe częstotliwości. W zasadzie mógłby to być optyczny efekt Comptona. Oznacza to, że rozproszone na cząsteczkach substancji znajdującej się w naczyniach niebiesko-fioletowe światło może zmienić kolor i stać się żółto-zielonym. Ale to wciąż wymagało udowodnienia. Mogą istnieć inne przyczyny pojawienia się żółto-zielonego światła. Na przykład może pojawić się w wyniku luminescencji – słabej poświaty, która często pojawia się w cieczach i ciałach stałych pod wpływem światła, ciepła i innych przyczyn. Oczywiście było jedno – to światło narodziło się na nowo, nie zostało zawarte w padającym świetle.

Naukowcy powtórzyli eksperyment z sześcioma różne płyny i dwa rodzaje pary. Byli przekonani, że ani luminescencja, ani inne przyczyny nie odgrywają tutaj roli.

Ramanowi i Krishnanowi wydawało się, że długość fali światła widzialnego wzrasta, gdy jest ono rozproszone w materii. Wydawało się, że ich poszukiwania zostały uwieńczone sukcesem. Odkryli optyczny analog efektu Comptona.

Aby jednak eksperymenty nabrały skończonej formy, a wnioski wystarczająco przekonujące, konieczne było wykonanie jeszcze jednej części pracy. Wykrycie zmiany długości fali nie wystarczyło. Należało zmierzyć wielkość tej zmiany. W pierwszym kroku pomógł filtr światła. Na drugie nie miał już siły. Tutaj naukowcy potrzebowali spektroskopu – urządzenia, które pozwoli im zmierzyć długość fali badanego światła.

A badacze rozpoczęli drugą część, nie mniej złożoną i żmudną. Ale spełniła także ich oczekiwania. Wyniki ponownie potwierdziły wnioski z pierwszej części pracy. Jednak długość fali okazała się nieoczekiwanie duża. Znacznie więcej niż oczekiwano. Badaczom to nie przeszkadzało.

Jak tu nie pamiętać Kolumba? Szukał drogi morskiej do Indii i po zobaczeniu lądu nie miał wątpliwości, że osiągnął swój cel. Czy miał powód wątpić w swoją pewność siebie na widok czerwonych mieszkańców i nieznanej natury Nowego Świata?

Czy nie jest prawdą, że Raman i Krishnan, próbując odkryć efekt Comptona w świetle widzialnym, myśleli, że go znaleźli, badając światło przechodzące przez ich ciecze i gazy?! Czy mieli wątpliwości, gdy pomiary wykazały nieoczekiwanie większą zmianę długości fali rozproszonych promieni? Jaki wniosek wyciągnęli ze swojego odkrycia?

Według indyjskich naukowców znaleźli to, czego szukali. 23 marca 1928 roku do Londynu przybył telegram zawierający artykuł zatytułowany „Optyczna analogia efektu Comptona”. Naukowcy napisali: „Zatem analogia optyczna efektu Comptona jest oczywista, z tym wyjątkiem, że mamy do czynienia ze zmianą długości fali o wiele większą…” Uwaga: „znacznie większa…”

Taniec atomów

Praca Ramana i Krishnana spotkała się z aplauzem wśród naukowców. Wszyscy słusznie podziwiali ich eksperymentalną sztukę. Za to odkrycie Raman otrzymał w 1930 roku Nagrodę Nobla.

Do listu indyjskich naukowców dołączono fotografię widma, na której znalazły się linie przedstawiające częstotliwość padającego światła oraz światła rozproszonego na cząsteczkach substancji. Według Ramana i Krishnana ta fotografia ilustruje ich odkrycie wyraźniej niż kiedykolwiek.

Kiedy Mandelstam i Landsberg spojrzeli na tę fotografię, zobaczyli niemal dokładną kopię fotografii, którą otrzymali! Jednak po zapoznaniu się z jej wyjaśnieniami od razu zdali sobie sprawę, że Raman i Krishnan się mylili.

Nie, indyjscy naukowcy nie odkryli efektu Comptona, ale zupełnie inne zjawisko, to samo, które radzieccy naukowcy badali od wielu lat...

Podczas gdy podniecenie wywołane odkryciem indyjskich naukowców rosło, Mandelstam i Landsberg kończyli eksperymenty kontrolne i podsumowywali ostateczne, decydujące wyniki.

I tak 6 maja 1928 roku wysłali artykuł do druku. Do artykułu załączono fotografię widma.

Krótko opisując historię zagadnienia, podali badacze szczegółowa interpretacja zjawisko, które odkryli.

Jakie więc było to zjawisko, które sprawiło, że wielu naukowców cierpiało i łamało sobie mózgi?

Głęboka intuicja Mandelstama i jasny, analityczny umysł natychmiast podpowiedziały naukowcowi, że wykryte zmiany w częstotliwości rozproszonego światła nie mogą być spowodowane siłami międzycząsteczkowymi, które wyrównują przypadkowe powtórzenia gęstości powietrza. Dla naukowca stało się jasne, że przyczyna niewątpliwie leży w samych cząsteczkach substancji, że zjawisko to jest spowodowane wewnątrzcząsteczkowymi wibracjami atomów tworzących cząsteczkę.

Oscylacje takie występują ze znacznie większą częstotliwością niż te, które towarzyszą powstawaniu i resorpcji przypadkowych niejednorodności w ośrodku. To właśnie te wibracje atomów w cząsteczkach wpływają na rozproszone światło. Atomy zdają się to zaznaczać, zostawiać na nim swoje ślady i szyfrować dodatkowymi częstotliwościami.

Było to piękne przypuszczenie, śmiała inwazja ludzkiej myśli poza kordon małej fortecy natury – cząsteczki. I ten rekonesans przyniósł cenne informacje na temat jego wewnętrznej struktury.

Ręka w rękę

Tak więc, próbując wykryć niewielką zmianę częstotliwości rozproszonego światła spowodowaną siłami międzycząsteczkowymi, odkryto większą zmianę częstotliwości spowodowaną siłami wewnątrzcząsteczkowymi.

Zatem, aby wyjaśnić nowe zjawisko, które nazwano „rozpraszaniem ramanowskim światła”, wystarczyło uzupełnić stworzoną przez Mandelstama teorię rozpraszania molekularnego o dane dotyczące wpływu drgań atomów wewnątrz cząsteczek. Nowe zjawisko odkryto w wyniku rozwinięcia idei Mandelstama, sformułowanej przez niego już w 1918 roku.

Tak, nie bez powodu, jak stwierdził Akademik S.I. Wawiłowa: „Natura obdarzyła Leonida Izaakowicza zupełnie niezwykłym, wnikliwym, subtelnym umysłem, który natychmiast zauważył i zrozumiał to, co najważniejsze, że większość przeszła obok niego obojętnie. Tak rozumiano fluktuacyjną istotę rozpraszania światła i tak pojawiła się idea zmiany widma podczas rozpraszania światła, która stała się podstawą odkrycia rozpraszania Ramana.

Następnie odkrycie to przyniosło ogromne korzyści i znalazło ono cenne zastosowanie praktyczne.

W momencie odkrycia wydawał się jedynie najcenniejszym wkładem do nauki.

A co z Ramanem i Krishnanem? Jak zareagowali na odkrycie sowieckich naukowców, a także na własne? Czy zrozumieli, co odkryli?

Odpowiedź na te pytania zawiera poniższy list Ramana i Krishnana, który przesłali do prasy 9 dni po opublikowaniu artykułu sowieckich naukowców. Tak, zdali sobie sprawę, że obserwowane przez nich zjawisko nie jest efektem Comptona. Jest to ramanowskie rozpraszanie światła.

Po opublikowaniu listów Ramana i Krishnana oraz artykułów Mandelstama i Landsberga dla naukowców na całym świecie stało się jasne, że to samo zjawisko zostało niezależnie i niemal jednocześnie wytworzone i zbadane w Moskwie i Kalkucie. Ale fizycy moskiewscy badali go w kryształach kwarcu, a fizycy indyjscy badali go w cieczach i gazach.

I ta równoległość nie była oczywiście przypadkowa. Mówi o aktualności problemu i jego ogromnym znaczeniu naukowym. Nic dziwnego, że wyniki bliskie wnioskom Mandelstama i Ramana z końca kwietnia 1928 r. uzyskali niezależnie także francuscy naukowcy Rocard i Kaban. Po pewnym czasie naukowcy przypomnieli sobie, że w 1923 roku czeski fizyk Smekal teoretycznie przewidział to samo zjawisko. Po pracach Smekala pojawiły się badania teoretyczne Kramersa, Heisenberga i Schrödingera.

Najwyraźniej jedynie brak informacji naukowych może wyjaśnić fakt, że naukowcy w wielu krajach pracowali nad rozwiązaniem tego samego problemu, nawet o tym nie wiedząc.

Trzydzieści siedem lat później

Badania Ramana nie tylko otworzyły nowy rozdział w nauce o świetle. Jednocześnie dali potężna broń technologia. Przemysł otrzymał świetny sposób badanie właściwości materii.

Wszak częstotliwości ramanowskiego rozpraszania światła są śladami, które nakładają się na światło przez cząsteczki ośrodka rozpraszającego światło. A te odciski nie są takie same w różnych substancjach. To właśnie dało akademikowi Mandelstamowi prawo nazwać rozpraszanie światła Ramana „językiem cząsteczek”. Tym, którzy potrafią odczytać ślady cząsteczek na promieniach światła i określić skład rozproszonego światła, cząsteczki posługując się tym językiem opowiedzą o tajemnicach ich budowy.

Na negatywie fotografii ze widmem Ramana widać jedynie linie o różnej czerni. Ale na podstawie tego zdjęcia specjalista obliczy częstotliwości drgań wewnątrzcząsteczkowych, które pojawiły się w rozproszonym świetle po przejściu przez substancję. Zdjęcie opowie o wielu nieznanych dotąd stronach życie wewnętrzne cząsteczki: o ich strukturze, o siłach wiążących atomy w cząsteczki, o względnych ruchach atomów. Ucząc się rozszyfrowywać spektrogramy Ramana, fizycy nauczyli się rozumieć specyficzny „język światła”, za pomocą którego cząsteczki opowiadają o sobie. Nowe odkrycie pozwoliło nam więc wniknąć głębiej Struktura wewnętrzna Cząsteczki.

Obecnie fizycy wykorzystują rozpraszanie Ramana do badania struktury cieczy, kryształów i substancji szklistych. Chemicy wykorzystują tę metodę do określenia struktury różnych związków.

Metody badania materii wykorzystujące zjawisko rozpraszania światła Ramana opracowali pracownicy laboratorium Instytutu Fizycznego P.N. Lebiediewa Akademii Nauk ZSRR, na której czele stał akademik Landsberg.

Metody te pozwalają w laboratorium zakładowym szybko i dokładnie wykonać analizy ilościowe i jakościowe benzyn lotniczych, produktów krakingu, produktów naftowych i wielu innych złożonych cieczy organicznych. Aby to zrobić, wystarczy oświetlić badaną substancję i za pomocą spektrografu określić skład rozproszonego przez nią światła. Wydaje się to bardzo proste. Zanim jednak ta metoda okazała się naprawdę wygodna i szybka, naukowcy musieli dużo pracować, aby stworzyć dokładny i czuły sprzęt. I własnie dlatego.

Z Łączna Z energii świetlnej docierającej do badanej substancji tylko niewielka część - około jednej dziesięciomiliardowej - stanowi udział światła rozproszonego. A rozpraszanie Ramana rzadko stanowi nawet dwa lub trzy procent tej wartości. Najwyraźniej dlatego samo rozpraszanie Ramana przez długi czas pozostawało niezauważone. Nic dziwnego, że uzyskanie pierwszych fotografii ramanowskich wymagało naświetlań trwających kilkadziesiąt godzin.

Nowoczesny sprzęt stworzony w naszym kraju pozwala uzyskać kombinowane spektrum czystych substancji w ciągu kilku minut, a czasem nawet sekund! Nawet do analizy złożonych mieszanin, w których poszczególne substancje występują w ilościach kilkuprocentowych, zwykle wystarcza czas ekspozycji nie dłuższy niż godzina.

Minęło trzydzieści siedem lat od odkrycia, rozszyfrowania i zrozumienia języka cząsteczek zarejestrowanych na kliszach fotograficznych przez Mandelstama i Landsberga, Ramana i Krishnana. Od tego czasu na całym świecie trwają prace nad stworzeniem „słownika” języka molekuł, który optycy nazywają katalogiem częstotliwości Ramana. Kiedy taki katalog zostanie opracowany, dekodowanie spektrogramów zostanie znacznie ułatwione, a rozpraszanie Ramana stanie się jeszcze pełniej przydatne nauce i przemysłowi.

Dlaczego niebo jest niebieskie. Dlaczego słońce jest żółte? Te pytania, tak naturalne, pojawiały się przed człowiekiem od czasów starożytnych. Aby jednak uzyskać prawidłowe wyjaśnienie tych zjawisk, trzeba było podjąć wysiłki wybitnych uczonych średniowiecza i czasów późniejszych, aż do koniec XIX V.

Jakie hipotezy istniały? W jakich hipotezach nie postawiono inny czas wyjaśnić kolor nieba. Hipoteza pierwsza Obserwując, jak dym na tle ciemnego kominka nabiera niebieskawego koloru, Leonardo da Vinci napisał: ... jasność nad ciemnością staje się niebieska, tym piękniejsze jest światło i ciemność. ” Goethe trzymał się mniej więcej tego samego punktu poglądu, który był nie tylko światowej sławy poetą, ale także największym przyrodnikiem swoich czasów. To wyjaśnienie koloru nieba okazało się jednak nie do utrzymania, gdyż, jak się później okazało, mieszanie czerni i bieli może dawać tylko odcienie szarości, a nie kolorowe. Niebieski kolor dym z kominka powstaje w zupełnie innym procesie.

Jakie hipotezy istniały? Hipoteza 2 Po odkryciu interferencji, szczególnie w cienkich warstwach, Newton próbował zastosować interferencję do wyjaśnienia koloru nieba. Aby tego dokonać, musiał założyć, że kropelki wody mają kształt cienkościennych bąbelków, przypominających bańki mydlane. Ponieważ jednak kropelki wody zawarte w atmosferze są w rzeczywistości kulami, hipoteza ta wkrótce pęknie jak bańka mydlana.

Jakie hipotezy istniały? 3 hipotezy Naukowcy XVIII wieku. Marriott, Bouguer, Euler uważali, że błękit nieba można wytłumaczyć jego własnym kolorem składniki powietrze. Wyjaśnienie to znalazło nawet pewne potwierdzenie później, już w XIX wieku, kiedy ustalono, że ciekły tlen jest niebieski, a ciekły ozon jest niebieski. Najbliżej prawidłowego wyjaśnienia koloru nieba był O. B. Saussure. Wierzył, że gdyby powietrze było absolutnie czyste, niebo byłoby czarne, ale zawiera ono zanieczyszczenia odbijające głównie kolor niebieski (w szczególności parę wodną i kropelki wody).

Wyniki badania: Jako pierwsi stworzyli smukłą, ścisłą sylwetkę teoria matematyczna molekularnego rozpraszania światła w atmosferze, był angielski naukowiec Rayleigh. Uważał, że rozpraszanie światła nie zachodzi na zanieczyszczeniach, jak sądzili jego poprzednicy, ale na samych cząsteczkach powietrza. Aby wyjaśnić kolor nieba, przedstawiamy tylko jeden z wniosków teorii Rayleigha:

Wyniki badania: mieszanina promieni rozproszonych będzie miała kolor niebieski.Jasność, czyli intensywność rozproszonego światła, zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do czwartej potęgi długości fali światła padającego na cząstkę rozpraszającą. Zatem rozpraszanie molekularne jest niezwykle wrażliwe na najmniejszą zmianę długości fali światła. Na przykład długość fali promieni fioletowych (0,4 μm) jest w przybliżeniu o połowę mniejsza od długości fali promieni czerwonych (0,8 μm). Zatem promienie fioletowe zostaną rozproszone 16 razy silniej niż czerwone, a przy takim samym natężeniu promieni padających w świetle rozproszonym będzie ich 16 razy więcej. Wszystkie pozostałe kolorowe promienie widma widzialnego (niebieski, cyjan, zielony, żółty, pomarańczowy) zostaną uwzględnione w świetle rozproszonym w ilościach odwrotnie proporcjonalnych do czwartej potęgi długości fali każdego z nich. Jeśli teraz wszystkie kolorowe rozproszone promienie zostaną zmieszane w tym stosunku, wówczas kolor mieszaniny rozproszonych promieni będzie niebieski

Literatura: S.V. Zvereva W świecie światła słonecznego L., Gidrometeoizdat, 1988

Piękno nieba nie raz ukazywali artyści, opisywali pisarze i poeci, nawet ludzie bardzo dalecy od sztuki wpatrują się w tę ponętną otchłań, podziwiają ją, nie znajdując ani słów, ani wystarczających wzruszeń, aby wyrazić uczucia, które poruszają duszę i umysł. Wysokości przyciągają osobę w dowolnej roli, jest piękna z krystalicznie niebieską powierzchnią, nie mniej atrakcyjne są kipiące strumienie biało-szarych chmur, zastąpione lekkimi wtrąceniami chmur cirrus lub bujnymi „barankami” cumulusami. I bez względu na to, jak melancholijne może się to wydawać pochmurne niebo otulając głębią, ogłuszając i napierając całą swoją masą, powoduje także burzę emocji i przeżyć, wnosząc myśli na szczególną falę.

Piękno widzi patrzący

Każdy człowiek postrzega świat inaczej. Dla niektórych jest ponura i szara, inni wręcz odwrotnie widzą jedynie kwitnącą, zieloną planetę pełną kolorów. Inaczej też oceniamy niebo nad naszymi głowami. Jeśli weźmiemy pod uwagę osobę o zwykłej percepcji kolorów, to zobaczy ona niebo takie, jakie jest powszechnie uważane - niebieskie, szare, różowawe o zachodzie słońca, dymno-szare o świcie.

W rzeczywistości te kolory są tylko tym, co nasze oczy i mózg są w stanie nam przekazać. Ludzkim oczom najłatwiej jest postrzegać zachmurzone niebo jako szare. Przy dobrej pogodzie nad głową mamy nieskończony lazur, ale w rzeczywistości kopuła atmosferyczna ma odcień bliższy fioletowi, patrząc z Ziemi.

W tej publikacji dowiemy się, dlaczego niebo w pochmurny dzień jest szare i co decyduje o nasyceniu tej barwy, dowiemy się także, jak zmienia się jej barwa w ciągu dnia i roku oraz co wpływa na te procesy.

Wyżej ocean bez dna

Nad terytorium kraje europejskie Niebo w ciepłej porze roku zwykle zachwyca swoim bogactwem, czasem można o nim powiedzieć, że jest niebiesko-niebieskie. Jeśli jednak poświęcisz chociaż jeden dzień temu, co dzieje się nad naszymi głowami i uważnie przyjrzysz się naturalnym procesom, zauważysz gradację barw, która bardzo zmienia się od momentu wschodu słońca aż do momentu jego całkowitego zachodu.

Latem niebo wydaje się tak czyste i wizualnie wysokie ze względu na niską wilgotność i brak dużej liczby chmur, które gromadząc wodę, stopniowo opadają bliżej ziemi. Przy dobrej pogodzie nasz wzrok nie patrzy nawet na setki metrów przed siebie, ale na odległość 1-1,5 km. Dlatego niebo postrzegamy jako wysokie i jasne - brak ingerencji w drogę promieni świetlnych w atmosferze sprawia, że ​​nie załamują się one, a oczy postrzegają jego barwę jako niebieską.

Dlaczego niebo zmienia kolor

Zmiana ta jest opisywana przez naukę, choć nie tak malowniczo jak przez pisarzy, i nazywana jest rozproszonym promieniowaniem nieba. Mówiąc prostym i przystępnym dla czytelnika językiem, procesy powstawania kolorów na niebie można wyjaśnić w następujący sposób. Światło emitowane przez Słońce przechodzi przez warstwę powietrza wokół Ziemi, co powoduje jego rozproszenie. Proces ten zachodzi prościej w przypadku fal krótkich. Podczas maksymalnego wzniesienia ciała niebieskiego nad naszą planetę, w punkcie położonym poza jego kierunkiem, zaobserwowany zostanie najjaśniejszy i najbardziej nasycony kolor niebieski.

Kiedy jednak słońce zachodzi lub wschodzi, jego promienie padają stycznie do powierzchni Ziemi, emitowane przez nie światło musi pokonać dłuższą drogę, przez co są rozproszone w powietrzu w znacznie większym stopniu niż w ciągu dnia. W rezultacie człowiek postrzega niebo w kolorach różowym i czerwonym rano i wieczorem. Zjawisko to jest najbardziej widoczne, gdy nad nami jest zachmurzone niebo. Chmury i chmury stają się wtedy bardzo jasne, blask zachodzącego słońca barwi je oszałamiająco

Stal burzowa

Ale czym jest pochmurne niebo? Dlaczego tak się stało? Zjawisko to jest jednym z ogniw obiegu wody w przyrodzie. Unosząc się ku górze w postaci pary, cząsteczki wody przedostają się do warstwy atmosferycznej o niższej temperaturze. Gromadzenie i chłodzenie wysoki pułap, łączą się ze sobą, zamieniając się w krople. W momencie, gdy cząstki te są jeszcze bardzo małe, naszym oczom ukazują się piękne, białe chmury cumulusów. Jednak im większe stają się krople, tym więcej szarości jest w chmurach.

Czasami patrząc na niebo, po którym pływają te ogromne „baranki”, widać, że jedna ich część jest kolorowa szary kolor inne przybierają nawet stalowy, grzmiący odcień. Transformację tę tłumaczy się faktem, że krople w chmurach mają różne rozmiary i kształty, w związku z czym inaczej załamują światło. Kiedy niebo jest całkowicie zachmurzone, jest ono całkowicie pomalowane na mysią szarość, dociera do nas tylko białe światło.

Ogromne, zadymione przestrzenie

Są dni, kiedy na szarym, pochmurnym niebie nie ma ani jednej przejaśnienia. Dzieje się tak, gdy koncentracja chmur i chmur jest bardzo duża, otaczają one całą przestrzeń wizualną powyżej. Czasami postrzegane są jako ogromna, napierająca masa, gotowa zawalić się na głowę. Co więcej, zjawisko to najbardziej charakterystycznie objawia się jesienią i zimą, kiedy temperatura powietrza jest niska, natomiast wilgotność powietrza jest wysoka i kształtuje się na poziomie 80-90%.

W takie dni chmury są bardzo blisko powierzchni ziemi, znajdują się zaledwie sto lub dwa metry od niej. Opis pochmurnego nieba często ma nuty melancholijne i depresyjne, a to najprawdopodobniej wiąże się właśnie z wrażeniami, które pojawiają się, gdy czujesz się sam na sam z tym ponurym kolosem, gotowym spaść na ciebie deszczem i zimnem.

Ale wszystko mogło potoczyć się inaczej...

Ton, w jakim gra niebo, zależy od intensywności promieniowania świetlnego i długości fali docierającej do planety, dlatego zimą, nawet w pogodne dni, jest ono niebieskawo-niebieskie. Jednak im bliżej wiosny i im wyżej znajduje się słońce, tym jaśniejszy jest jego błękit, zwłaszcza w dni, kiedy mgła znika. górne warstwy atmosfera zniekształcająca światło.

Naukowcy odkryli, że na innych planetach niebo może nie mieć niebiesko-niebieskich kolorów, do których jesteśmy przyzwyczajeni. szare kolory na przykład na Marsie jest różowy nawet w pełnym świetle dziennym.

Proste wyjaśnienie

Czym jest niebo?

Niebo jest nieskończonością. Dla każdego narodu niebo jest symbolem czystości, ponieważ uważa się, że mieszka tam sam Bóg. Ludzie zwracając się do nieba, proszą o deszcz i odwrotnie o słońce. Oznacza to, że niebo to nie tylko powietrze, niebo jest symbolem czystości i niewinności.

Niebo - to tylko powietrze, to zwykłe powietrze, którym oddychamy w każdej sekundzie, którego nie można zobaczyć ani dotknąć, ponieważ jest przezroczyste i nieważkie. Ale oddychamy przezroczystym powietrzem, dlaczego nad naszymi głowami robi się tak niebieski kolor? Powietrze zawiera kilka pierwiastków: azot, tlen, dwutlenek węgla, parę wodną i różne cząsteczki kurzu, które są w ciągłym ruchu.

Z punktu widzenia fizyki

W praktyce, jak mówią fizycy, niebo jest po prostu powietrzem zabarwionym przez promienie słoneczne. Mówiąc prościej, słońce świeci na Ziemię, ale w tym celu promienie słoneczne muszą przejść przez ogromną warstwę powietrza, która dosłownie otacza Ziemię. I tak jak promień słońca ma wiele kolorów, a raczej siedem kolorów tęczy. Tym, którzy nie wiedzą, warto przypomnieć, że siedem kolorów tęczy to czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy.

Co więcej, każdy promień ma wszystkie te kolory, a przechodząc przez tę warstwę powietrza, rozpryskuje różne kolory tęczy we wszystkich kierunkach, ale następuje najsilniejsze rozproszenie koloru niebieskiego, dzięki czemu niebo nabiera koloru niebieskiego. Krótko mówiąc, błękitne niebo to plamy wytwarzane przez wiązkę zabarwioną na ten kolor.

I na księżycu

Nie ma atmosfery i dlatego niebo na Księżycu nie jest niebieskie, ale czarne. Astronauci wchodzący na orbitę widzą czarno-czarne niebo, na którym błyszczą planety i gwiazdy. Oczywiście niebo na Księżycu wygląda bardzo pięknie, ale nadal nie chciałbyś widzieć nad głową stale czarnego nieba.

Niebo zmienia kolor

Niebo nie zawsze jest niebieskie, ma tendencję do zmiany koloru. Każdy zapewne zauważył, że czasem jest białawy, czasem niebiesko-czarny... Dlaczego? Na przykład w nocy, gdy słońce nie wysyła swoich promieni, widzimy, że niebo nie jest niebieskie, atmosfera wydaje nam się przezroczysta. A przez przezroczyste powietrze człowiek może zobaczyć planety i gwiazdy. A w ciągu dnia niebieski kolor ponownie niezawodnie ukryje tajemniczą przestrzeń przed ciekawskimi oczami.

Różne hipotezy Dlaczego niebo jest niebieskie? (hipotezy Goethego, Newtona, XVIII-wiecznych naukowców, Rayleigha)

W różnych okresach wysunięto najróżniejsze hipotezy mające na celu wyjaśnienie koloru nieba. Obserwując, jak dym na tle ciemnego kominka nabiera niebieskawej barwy, Leonardo da Vinci napisał: „...światło nad ciemnością staje się niebieskie, im piękniejsze, tym wspanialsze jest światło i ciemność”. ten sam punkt widzenia Goethe, który był nie tylko światowej sławy poetą, ale także największym przyrodnikiem swoich czasów. Jednak to wyjaśnienie koloru nieba okazało się nie do utrzymania, ponieważ, jak stało się później oczywiste, zmieszanie czerni i bieli może dać jedynie odcienie szarości, a nie kolorowe. Niebieski kolor dymu z kominka wynika z zupełnie innego procesu.

Po odkryciu zakłóceń, zwłaszcza w cienkich warstwach, Niuton próbował zastosować interferencję, aby wyjaśnić kolor nieba. Aby tego dokonać, musiał założyć, że kropelki wody mają kształt cienkościennych bąbelków, przypominających bańki mydlane. Ponieważ jednak kropelki wody zawarte w atmosferze są w rzeczywistości kulami, hipoteza ta wkrótce „pęknie” jak bańka mydlana.

Naukowcy XVIII wieku Marriott, Bouguer, Euler Myśleli, że niebieski kolor nieba wynika z nieodłącznego koloru składników powietrza. Wyjaśnienie to znalazło nawet potwierdzenie później, już w XIX wieku, kiedy ustalono, że ciekły tlen jest niebieski, a ciekły ozon jest niebieski. Najbliżej prawidłowego wyjaśnienia koloru nieba był O.B. Saussure’a. Wierzył, że gdyby powietrze było absolutnie czyste, niebo byłoby czarne, ale zawiera ono zanieczyszczenia odbijające głównie kolor niebieski (w szczególności parę wodną i kropelki wody). Do drugiej połowy XIX w. Zgromadził się bogaty materiał doświadczalny dotyczący rozpraszania światła w cieczach i gazach, w szczególności odkryto jedną z cech rozproszonego światła pochodzącego z nieba – jego polaryzację. Arago był pierwszym, który go odkrył i zbadał. Miało to miejsce w roku 1809. Później Babinet, Brewster i inni naukowcy badali polaryzację firmamentu. Zagadnienie koloru nieba tak przykuło uwagę naukowców, że eksperymenty dotyczące rozpraszania światła w cieczach i gazach, które miały znacznie szersze znaczenie, prowadzono pod kątem „laboratoryjnego odtwarzania światła błękitny kolor nieba.” Wskazują na to tytuły prac: „Modelowanie błękitnego koloru nieba „Brücke, czyli „O błękitnym kolorze nieba, w ogóle o polaryzacji światła przez materię zachmurzoną” Tyndalla. Sukcesy z tych eksperymentów skierowało myśli naukowców na właściwą ścieżkę - szukać przyczyny błękitnego koloru nieba w rozpraszaniu promieni słonecznych w atmosferze.

Pierwszym, który stworzył harmonijną, rygorystyczną teorię matematyczną rozpraszania światła molekularnego w atmosferze, był angielski naukowiec Rayleigh. Uważał, że rozpraszanie światła nie zachodzi na zanieczyszczeniach, jak sądzili jego poprzednicy, ale na samych cząsteczkach powietrza. Pierwsza praca Rayleigha na temat rozpraszania światła została opublikowana w 1871 roku. W ostatecznej formie jego teoria rozpraszania, oparta na ustalonej wówczas elektromagnetycznej naturze światła, została przedstawiona w pracy „O świetle z nieba, jego polaryzacji i kolorze” ”, opublikowanej w 1899 r. Za prace w dziedzinie rozpraszania światła Rayleigha (jego pełne imię i nazwisko John William Strett, Lord Rayleigh III) jest często nazywany Rayleighem Rozpraszaczem, w przeciwieństwie do swojego syna, Lorda Rayleigha IV. Rayleigh IV nazywany jest Atmospheric Rayleigh ze względu na jego wielki wkład w rozwój fizyki atmosfery. Aby wyjaśnić kolor nieba, przedstawimy tylko jeden z wniosków teorii Rayleigha, do innych będziemy się wielokrotnie odwoływać przy wyjaśnianiu różnych zjawisk optycznych. Wniosek ten stwierdza, że ​​jasność, czyli intensywność rozproszonego światła, zmienia się odwrotnie z czwartą potęgą długości fali światła padającego na cząstkę rozpraszającą. Zatem rozpraszanie molekularne jest niezwykle wrażliwe na najmniejszą zmianę długości fali światła. Na przykład długość fali promieni fioletowych (0,4 μm) jest w przybliżeniu o połowę mniejsza od długości fali promieni czerwonych (0,8 μm). Zatem promienie fioletowe zostaną rozproszone 16 razy silniej niż czerwone, a przy takim samym natężeniu promieni padających w świetle rozproszonym będzie ich 16 razy więcej. Wszystkie pozostałe kolorowe promienie widma widzialnego (niebieski, cyjan, zielony, żółty, pomarańczowy) zostaną uwzględnione w świetle rozproszonym w ilościach odwrotnie proporcjonalnych do czwartej potęgi długości fali każdego z nich. Jeśli teraz wszystkie kolorowe rozproszone promienie zostaną zmieszane w tym stosunku, wówczas kolor mieszaniny rozproszonych promieni będzie niebieski.

Bezpośrednie światło słoneczne (tj. światło emanujące bezpośrednio z dysku słonecznego), tracąc w wyniku rozproszenia głównie promienie niebieskie i fioletowe, nabiera słabego żółtawego zabarwienia, które nasila się w miarę schodzenia Słońca do horyzontu. Teraz promienie muszą pokonywać coraz dłuższą drogę przez atmosferę. Na długiej ścieżce utrata promieni krótkich, tj. Fioletowych, niebieskich, cyjanowych, staje się coraz bardziej zauważalna, a w bezpośrednim świetle Słońca lub Księżyca dominują promienie długofalowe - czerwone, pomarańczowe, żółte - dotrzeć na powierzchnię Ziemi. Dlatego kolor Słońca i Księżyca najpierw staje się żółty, potem pomarańczowy i czerwony. Czerwony kolor Słońca i niebieski kolor nieba to dwie konsekwencje tego samego procesu rozpraszania. W świetle bezpośrednim, po przejściu przez atmosferę, pozostają głównie promienie długofalowe (czerwone Słońce), natomiast światło rozproszone zawiera promienie krótkofalowe (niebieskie niebo). Zatem teoria Rayleigha bardzo jasno i przekonująco wyjaśniła tajemnicę niebieskie niebo i czerwone Słońce.

termiczne rozpraszanie molekularne na niebie