Текст книги "О чем рассказывает свет"
Автор книги: Сергей Суворов
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 9 страниц)
Однако, к счастью, в природе создаются и условия, при которых идет и обратный процесс. Он связан с растительным царством. Растения вырабатывают хлорофилл, в зернах которого под воздействием солнечного света происходит расщепление углекислоты CO2. В результате этого процесса вновь образуются свободные углерод и кислород (потому-то в лесах «легко дышится»).
Таким образом, получается вечный круговорот: углерод и кислород то соединяются, давая энергию животным и человеку, но переходя при этом в инертное состояние, то вновь расщепляются и становятся свободными, создавая возможность растительным и животным организмам строить свои клетки и при новом окислении углерода получать все новые количества энергии.
Этот круговорот непрерывно повторяется, непрерывно создается энергия и потенциальная возможность жизни. Но это – не «вечный двигатель»; этот круговорот – результат работы солнечного света, проявление его энергии, преобразуемой в определенных условиях (хлорофилл) в потенциальную энергию углерода и кислорода, которые, соединяясь, приводят к дальнейшему преобразованию энергии в теплоту.
Энергию, выделяемую при сжигании углерода, равно как и энергию падающей воды, можно рассматривать как преобразованные формы солнечной энергии. Эти формы энергии под действием солнечного света непрерывно в природе возобновляются. В недрах Земли в течение миллионов лет накоплены огромные запасы преобразованной солнечной энергии. Но, как уже было сказано, потребности в энергии в наше время весьма велики, и они быстро растут. Ни энергия накопленных в Земле угля и нефти, ни гидроэнергия в перспективе не такой уж далекой не смогут эти потребности удовлетворить. Где же искать новые, более перспективные источники?
Солнечные батареи
Обращает на себя внимание весьма малый коэффициент использования солнечной энергии при сжигании топлива. Очень уж многозвенен этот процесс: солнечная энергия – химический процесс расщепления углекислоты и получение потенциальной химической энергии кислорода и углерода – последующее окисление углерода и образование тепловой энергии – преобразование полученной теплоты в двигателе внутреннего сгорания в механическую энергию движения ротора – преобразование механической энергии ротора в динамомашине в электрическую энергию, – наконец, передача электроэнергии на производство и новое ее преобразование в соответствии с потребностью.
Во всем этом цикле превращений участвует только крайне малая часть солнечной энергии, дошедшей до Земли. Но, кроме того, в каждом звене этой цепи превращений теряется много энергии на побочные процессы. В каждом звене коэффициент полезного действия представляет собой малую дробь, а общий коэффициент полезного действия солнечной энергии тем более мал, ибо он представляет собой произведение нескольких малых дробей.
Естественно, что научно-техническая мысль работает над сокращением длинной цепи превращений по крайней мере до одного – двух звеньев. Потери солнечной энергии резко сократились бы, если бы она была непосредственно превращена в электрическую энергию. Да и долю используемой на это солнечной энергии можно было бы резко увеличить.
Но в принципе такая проблема уже решена в фотоэлементах (см. опыт Столетова). В них как раз и происходит непосредственное превращение световой энергии в энергию потока электронов, т. е. в электрический ток. Надо только изготовить достаточное количество надежно и экономично работающих фотоэлементов и покрыть ими крыши домов и все свободные площади. Но это «только» – легко сказать. На деле задача эта не проста. Для ее выполнения потребовалось бы большое количество редких химических материалов. Их надо подвергнуть весьма тщательной химической очистке и добиться почти абсолютной однородности. Изготовление фотоэлементов в больших масштабах технически сложно и пока дорого. Пока они изготовляются лишь в количествах, необходимых для приборостроения и автоматики. Конечно, когда маленький фотоэлемент полностью заменяет человека, как это имеет место, например, в автоматических контролерах, стоящих при входе в московское метро, это выгодно. Еще более выгодно применять системы фотоэлементов на космических кораблях. Там они используются для ориентации корабля (по Солнцу или по Луне), а также для получения электротока от солнечных лучей (солнечные батареи). На космических кораблях фотоэлементы имеют особое преимущество, поскольку они обеспечивают длительное действие приборов и не утяжеляют корабль. Однако пока они дают немного энергии и применяются на космических кораблях лишь как дополнение к обычным химическим батареям.
В этом методе непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую есть еще много технических и экономических трудностей. Но в принципе здесь все уже ясно. Поэтому многие ученые видят в нем главный и перспективный источник получения энергии для нужд человека. Эти идеи особенно активно развивал выдающийся русский физик академик А. Ф. Иоффе (1880—1960).
Превращение вещества в свет как источник энергии
Рождаясь в недрах вещества, свет раскрыл перед мыслящим человеком огромные кладовые энергии, связанной в атомах. Без изучения языка света, несущего информацию о сложной структуре атома, нельзя было ни осознать этот факт, ни поставить и решить проблему высвобождения атомной энергии. Частично эта задача уже решена. Мы уже построили и строим атомные электростанции, атомные ледоколы и подводные лодки.
Но познание атомов как источников энергии находится еще в самом раннем периоде своей истории. Мы пока еще используем энергию синтеза или же распада атомов, притом только определенных атомов.
Еще не раскрыта сложная структура ядра и элементарных частиц. Быть может, наибольшую энергию можно будет получать не при переходе атома с одного энергетического уровня на другой и даже не в процессе распада или синтеза атомов, а в процессах совершенно иного рода. Выше уже говорилось о том, что физики установили факт превращения частиц вещества – электрона и позитрона, находящихся в сильном поле ядра, в гамма-кванты, т. е. в свет. Этот процесс связан с максимальным образованием энергии.
Позитрон является такой же частицей вещества, как и электрон, но только заряд его не отрицателен, а положителен; он является как бы отображением электрона, или, как говорят физики, его античастицей. В наше время известно свыше тридцати различных элементарных частиц; для некоторых из них уже открыты их античастицы. Например, установлено наличие не только элементарной частицы – протона, но и антипротона, не только нейтрона, но и антинейтрона. По-видимому, каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Соединение частицы и античастицы в особых условиях (сильные ядерные поля) приводит к превращению их в соответствующие кванты излучений. Можно предполагать, что любая пара элементарных частиц – частица и ее античастица, – взаимодействуя друг с другом в сильных полях, претерпит превращение в кванты света. Эти превращения будут сопровождаться огромными энергиями, гораздо большими, чем те, которые связывают и отдают такие возбужденные физические системы, как молекулы, а темы и ядра.
В поисках условий, при которых протекают подобные процессы, физики создают мощные ускорители, в которых в огромном пустом внутри кольце периодически меняющиеся поля разгоняют элементарные частицы до очень больших скоростей. Эти частицы достигают на выходе огромных энергий, порядка миллиардов электрон-вольт. Так, в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже несколько лет работает ускоритель, в котором получаются частицы с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт. В Швейцарии вступил в строй ускоритель объединенных западных держав; элементарные частицы разгоняются в нем до 25 миллиардов электрон-вольт. В Советском Союзе проектируется еще более мощный ускоритель.
Для чего физики упорно стремятся получить частицы все более высоких энергий? Для того, чтобы с их помощью прощупать структуру ядер, элементарных частиц, взаимодействие их между собой, открыть новые возможные частицы, закономерности их взаимопревращений, их превращения га кванты света. Эти исследования должны раскрыть, какие превращения протекают в глубинах атома, выяснить, при каких условиях и какую энергию могут освободить в этих превращениях ядра или элементарные частицы.
Исследования физики в области атомной энергии тесно переплетаются с исследованиями астрофизиков. Результаты, полученные одними, помогают другим осмыслить наблюдаемые явления.
Долгое время астрофизики пытались разгадать, каков источник столь мощного излучения Солнцем световой энергии. В прошлом веке образование солнечной энергии пытались объяснить сильным сжатием Солнца, т. е. превращением механической энергии. Однако подсчеты показали, что величина энергии, которую возможно получить за счет сжатия, была бы ничтожно мала по сравнению с действительной. Точно так же было выяснено, что огромную величину излучаемой солнечной энергии нельзя объяснить никакими химическими реакциями окисления.
Только тогда, когда ученые постигли структуру атомов и их различные превращения, они поняли, что солнечная энергия образуется в результате ядерных реакций. В настоящее время полагают, что световая энергия Солнца получается в результате ядерной реакции, при которой 4 атома водорода превращаются в атом гелия и два позитрона; при этом выделяется около 27 миллионов электрон-вольт энергии в расчете на один грамм превращенного водорода. Количественный спектральный анализ показал, что на 80% Солнце состоит из водорода и на 18% из гелия. Расчеты показывают, что Солнцу с его огромным запасом водорода и при его теперешней интенсивности излучения хватило бы энергии, освобождаемой при превращении водорода в гелий, на сотни миллиардов лет.
Интерес физиков все более приковывается к процессам, происходящим во Вселенной. Ведь звезды представляют собой гигантские ядерные котлы, в которых природа создала исключительные условия высоких температур и давлений, недостижимые в земных условиях. Мы знаем об этих исключительных условиях опять-таки из анализа звездных спектров. В недрах звезд протекают реакции, о которых мы, быть может, еще не имеем представления и которые служат источником колоссальных энергий, излучаемых в мировое пространство. Какие колоссальные запасы энергий хранятся в звездах и испускаются в виде энергии света, трудно себе и представить. Энергия некоторых звезд превышает солнечную в десятки и сотни тысяч раз. Длительность излучения у каждой звезды исчисляется многими миллиардами лет. Только в одной нашей Галактике содержится более ста миллиардов звезд.
Замечательно, что вся эта информация прочитана путем расшифровки языка света, падающего на Землю.
Мощные источники энергии в ядрах радиогалактик
Не все явления, наблюдаемые астрофизиками, можно объяснить посредством ядерной реакции превращения водорода в гелий. Уже около полусотни лет ученые изучают космические лучи, приходящие к нам на Землю из далеких глубин Вселенной. Эти «лучи» представляют собой поток быстродвижущихся положительно заряженных частиц – протонов, а также в небольшом количестве альфа-частиц и других ядер. Энергия этих частиц огромна, она измеряется миллиардами электрон-вольт, а в отдельных случаях доходит до сотен миллионов миллиардов электрон-вольт.
Где и в каких условиях космические частицы получают такую колоссальную энергию? Ни в нашей Солнечной системе, ни в нашей Галактике таких условий не обнаруживается.
Быть может, ответ на этот вопрос даст анализ радиоизлучений, наблюдаемых с помощью радиотелескопов.
Как известно, все галактики испускают кроме видимого излучения еще и радиоизлучения. У большинства галактик мощность этих радиоизлучений невелика по сравнению с мощностью их видимого светового излучения. Но все же находятся и такие галактики, у которых мощность радиоизлучения сравнима с мощностью их видимого светового излучения. Естественно, что эти «радиогалактики» привлекли к себе внимание. Чем они отличаются от других, что за процессы там происходят?
Советские астрофизики установили, что источником мощных радиоизлучений радиогалактик является поток электронов весьма высоких энергий, движущихся в сильных магнитных полях. Этот поток электронов высоких энергий выбрасывается из ядра радиогалактик. Именно в ядрах галактик происходят какие-то, еще нам неизвестные, процессы, в результате которых возникают потоки частиц высоких энергий и испускаются мощные радиоизлучения.
Так исследование Вселенной с помощью света дает физикам возможность лучше понять природу и условия тех превращений, которые испытывают элементарные частицы и атомные ядра в галактиках и звездных системах. Оно открывает пути к новым практически неисчерпаемым источникам энергии.
Незаменимым орудием этого исследования является свет в широком смысле этого слова, т. е. электромагнитное излучение.
Заключение. Что дала человеку наука о свете
О чем рассказывает свет
В этой книге был дан лишь самый общий очерк того, каким путем шли ученые в познании свойств света и к каким огромным результатам привело это познание.
Что же дало человеку познание законов света, законов возникновения, распространения и преобразования электромагнитных излучений?
Прежде всего выяснилось, что свет является надежным паспортом вещества – атомов и молекул, кристаллов и даже белков. Установление этого факта помогло человеку открыть еще не открытые элементы, осуществлять точнейший спектральный анализ вещества, контролировать составы сплавов и смесей.
Но спектральные закономерности излучаемого света – не простая этикетка вещества. Спектр излучений однозначно связан с его структурой. Переходя из одного энергетического состояния в другое, вещество излучает свет. Изучение спектров излучений помогало не только распознавать или устанавливать присутствие даже крайне малых долей того или иного вещества, но и раскрывать внутренние взаимосвязи в различных физических системах, познавать структуру атомов, молекул, кристаллов.
Свет обладает свойством переносить информацию и энергию. Для своего распространения он не требует какой-либо вещественной среды. Практически он переносит информацию и энергию через все земные расстояния и через бесконечно далекие космические пространства.
На основе изучения и практического использования законов возникновения и распространения электромагнитных излучений, а также законов их преобразования, получили развитие целые отрасли науки и техники: светотехника, рентгенотехника, электронная микроскопия, радиовещание, радиолокация и радионавигация, телевидение, телеуправление.
В силу своих свойств, свет служит орудием исследования структуры звезд и галактик, физических процессов, в них протекающих. Они предоставляют человеку возможность изучать условия жизни в космосе, овладевать им.
Свет помог раскрыть огромные кладовые энергии в атомах, звездах и галактиках. Научная мысль настойчиво работает над проблемой управления атомной энергией, а также над превращением в больших масштабах солнечной энергии непосредственно в электрическую. Быть может, еще более перспективным окажется открытие факта превращения в световые фотоны пары сопряженных частиц вещества – частицы и античастицы. Оно возбуждает надежды на то, что когда-нибудь человек будет в состоянии превращать по своему плану любое вещество в излучение, которое легко передавать на любые расстояния и энергию которого нетрудно использовать.
Уже и современный уровень культуры был бы невозможен без тех результатов, которые достигнуты благодаря науке о свете. А развитие производительных сил коммунистического общества, которое должно далеко позади себя оставить современный уровень, будет еще шире использовать свойства света – этой гибкой, подвижной формы материи.
Познание человека беспредельно
Наш рассказ подходит к концу. Мы узнали теперь, какое мощное теоретическое и практическое оружие получил человек, изучив законы возникновения и распространения света, и как сложен путь познания законов света.
На этом пути встречалось немало и скептиков. Еще в 1909 году немецкий физик Ритц писал: «Спектральные измерения с крайней точностью дают нам в руки многочисленные драгоценные документы, но, к несчастью, они написаны иероглифами (символами), которые мы не умеем расшифровывать». Прогресс пауки очень скоро опроверг этот скептицизм: световые «иероглифы» были расшифрованы в ближайшее же десятилетие. Были и ныне еще есть такие «ученые», которые пытаются доказать, будто познание человека ограничено.
– Мы не можем затащить кусочек звезды в наши лаборатории, профильтровать, выпарить, взвесить его, всунуть в него термометр, а значит, мы никогда не узнаем ни о химическом составе звезд, ни о том, какова их температура, плотность, – так рассуждал, например, один из родоначальников современных идеалистов в естествознании позитивист Огюст Конт. Очень скоро после этих рассуждений были открыты спектральные методы и возникла новая наука – астрофизика.
Атомы мы тоже не воспринимаем непосредственно чувствами, не можем их увидеть глазами или ощупать руками. На этом основании физик и философ Мах и химик Оствальд заявляли о том, что бессмысленно утверждать, будто атомы существуют. А ныне физика знает основные характеристики атомов, их массу, составные части, спектр излучений, важнейшие черты структуры и т. д.
Вся история познания природы опровергает антинаучные «доводы» скептиков.
Познание законов природы есть сложный процесс. Человек – сам часть природы – взаимодействует с ней в процессе практической деятельности. Органы чувств доставляют ему необходимые сведения. Но кроме органов чувств человек, в отличие от животных, имеет также и разум. С помощью разума человек исследует то, о чем ему рассказали органы чувств. Он создает догадки (гипотезы) о том, какие законы лежат в основе наблюдаемых явлений, а затем проверяет свои догадки на практике.
Так, из того, что знакомые линии в звездном спектре сдвинулись в сторону длинных волн, Белопольский высказал догадку, что звезда удаляется от Земли. Он проверил свою догадку, поставил опыт в лаборатории и доказал, что подобные сдвиги линий действительно происходят при удалении источника света. Звезды стали доступными для исследования благодаря тому, что они испускают свет, а мы изучили его свойства.
Изучая свойства света, мы познали строение атомов, применили это познание в технике и тем самым доказали существование атомов. Некоторые физики-идеалисты, вроде Иордана, утверждают, что атомы есть только «наша мыслительная конструкция»; в наше время, когда люди научились извлекать из атомных яцер огромные запасы энергии, становится особенно ясным, как далека философия этих людей от поступательного процесса познания и вытекающей из него практики.
Познание человека беспредельно. Ему нет преграды. Ни бесконечно большие расстояния до звезд, ни исчезающе малые размеры атомов не являются препятствием для разума человека.
Это потому, что и звезды и атомы существуют не отдельно, не изолированно, они взаимодействуют с окружающим их миром. В частности, это взаимодействие осуществляется через свет. И тот, кто настойчиво изучает законы взаимодействия в природе, вес больше и глубже познает и звезды, и атомы, и всю природу.
Приложения
I
Спектр солнечного излучения
II
Спектр натрия
Спектр калия
Спектр лития
Спектр стронция
III
Темные линии в солнечном спектре. На рисунке изображены только самые четкие линии
IV
Солнечный протуберанец
Примечания
1
То есть соответствующей излучению с длиной волны, равной 6708 ангстремам; в дальнейшем мы будем выражать эту мысль коротко: излучение с линией во столько-то ангстрем или еще короче: линия 6708Å.
(
обратно
)
2
Световой год – расстояние, проходимое светом в течение астрономического года со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Это – расстояние примерно в 1013 (т. е. десять тысяч миллиардов) километров.
(
обратно
)
3
В конце сороковых и в начале пятидесятых годов были открыты и другие неизвестные элементы; теперь уже все пустые клетки периодической таблицы Менделеева заполнены. Но в этих открытиях играли роль не только спектроскопические методы.
(
обратно
)
4
См. В. Левантовский. Ракетой к Луне. Физматгиз, 1960.
(
обратно
)
Оглавление
Введение
Цветной язык света
Цветные сигналы металлов
Белый луч – семья цветных лучей.
Познать физические свойства – значит научиться измерять
Первые споры о природе света
Волны на поверхности воды
Взаимодействие водяных волн
Дифракция волн
Волновые свойства света. Опыт Юнга
Механизм появления интерференции
Как можно измерить длину световой волны
Как физики различают цветные лучи
Вторая характеристика света – его частота
От призмы к спектрографу
Свет рассказывает о составе веществ
Химики заводят спектральную книгу
Спектрограф обнаруживает неизвестные элементы
Спектрограф подтверждает предсказания Менделеева
Спектральный анализ веществ в современной промышленности
Экспресс-контроль металлических сплавов
Рассказы света о далеких звездах
Сплошной спектр твердых веществ
Темные линии в солнечном спектре
Спектры из темных линий
Менделеев о будущем спектрального анализа
Как было открыто вещество сначала на Солнце, а затем на Земле
Разгадка темных линий в солнечном спектре
Свет рассказывает о составе звезд
Куда движутся звезды
Астрофизические открытия Белопольского с помощью лучей света
Принцип Допплера – Белопольского
Температура звездных оболочек
Изучение планет
Наука против суеверий
Невидимый свет
Электромагнитные волны
Возбуждение электромагнитных волн
Обнаружение электромагнитных волн
Длина волны электромагнитных волн
Теория электромагнитного поля Максвелла
Электромагнитная природа света
Невидимый свет
Шкала электромагнитных излучений
Развитие радиоастрономии
Призма отказывается служить
Дифракционная решетка
Дифракционные спектры
Отражательные решетки
Поиски решетки для рентгеновских излучений
Нашлась решетка и для рентгеновских излучений
О природе света
Борьба материализма и идеализма в физике
Свет – это не вещество
Толкование света как лучистой энергии
«Энергетизм» против материализма
Критика энергетизма Лениным. Свет – одна из форм материи
П. Н. Лебедев открывает давление света
Опыты А. Г. Столетова
Необычные закономерности фотоэффекта
Свет как поток фотонов
Что такое свет —волны или частицы?
Снова трудности и снова идеализм
Мнение академика Вавилова
Марксистская философия и современная физика
Свет и атомы
Почему атомы светятся?
Эффект Зеемана
Природа солнечных пятен
Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов
Новый закон частот
Составные части атомов
Почему атомы устойчивы?
Как атомы обмениваются энергией?
Какова структура атома
Модель атома водорода
Атомные спектры и электронные слои
Свет и химические свойства атомов
Молекулярные спектры
Физические условия изменяют спектры
Серии рентгеновских излучений
Рентгеновские частоты и ядерные заряды
Точное место элементов в таблице Менделеева
Рентгеновский спектр неоткрытых элементов
Познавательная роль теории
Превращение света в вещество
Модуляция света. Преобразование света
Об активном отношении человека к природе
Передача звука по радио
Естественные преобразователи света
Люминесцентный анализ на производстве
Задача преобразования длинноволновых излучений в видимый свет
Электронно-оптические преобразователи света
Преобразование света и новейшая радиотехника
Свет и освоение космоса
Величие задачи и роль света в ее решении
Опасности в космосе и информация
Научная документация прилунения вымпела
Свет и телеуправление
Освоение космоса и световые (фотонные) ракеты
Свет и энергия будущего
Проблема источников энергии
Два круговорота вещества и энергии на Земле
Солнечные батареи
Превращение вещества в свет как источник энергии
Мощные источники энергии в ядрах радиогалактик
Заключение. Что дала человеку наука о свете
О чем рассказывает свет
Познание человека беспредельно
Приложения
I
II
III
IV
Взято из Флибусты, flibusta.net
