Интересные факты о солнечном свете. Комментарии

Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» - неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.

До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса - Френеля, с которым мы уже ознакомились в главе «Колебания и волны» (см. § 34). Волновая теория Гюйгенса - Юнга - Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма

сомнительной. Однако в 60-х годах прошедшего столетия, когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля (см. § 105), необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм (см. таблицу на стр. 392), создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.

Одним из важнейших экспериментальных доказательств справедливости электромагнитной теории света послужили опыты Физо (1849 г.) Фуко (1850 г.) и Майкельсона (1881 г.): экспериментальное значение скорости распространения света совпало с теоретическим значением скорости распространения электромагнитных волн, полученным из электромагнитной теории Максвелла. Другим не менее важным подтверждением электромагнитной теории явились опыты Я. Я. Лебедева (1899 г.): измеренное им световое давление на твердые тела (см. § 137) оказалось равным давлению электромагнитных волн, рассчитанному на основе теории Максвелла (см. § 105).

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему. Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую тгоршо света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Таким образом, в начале текущего столетия возникла новая теория о природе света - квантовая теория, возрождающая в известном смысле корпускулярную теорию Ньютона. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).

Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования атомщдх и молекулярных спектров, выполненные Бором (1913 г.), Шредингером (1925 г.), Дираком

(1930 г.), Фейнманом (1949 г.), В. А. Фоком (1957 г.) и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ, например, как уже отмечалось (см. § 20), электрон, рассматриваемый обычно как частица, в некоторых явлениях обнаруживает себя в качестве волны (см. § 126).

Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.

В данном курсе волновые свойства света рассматриваются в гл. XVIII, а корпускулярные (квантовые) свойства света - в гл. XIX (в связи с вопросом о строении атома). При описании волновых свойств света мы будем пользоваться принципом Гюйгенса - Френеля и общими понятиями и характеристиками волнового процесса, введенными в § 31-34 первой части курса (такими, как фронт световой волны, когерентные источники света, световой луч, частота света, длина световой волны и т. д.). Поэтому, приступая к изучению оптики, следует повторно прочесть указанные параграфы.

Свет - это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов. ООН объявила 2015 год Международным годом света, чтобы продемонстрировать "жителям Земли важность света и оптических технологий в жизни, для будущего и для развития общества". Вот несколько интересных фактов о свете, о которых, возможно, вы не знали.

Солнечный свет

1. Солнце на самом деле белое , если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.

2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.

3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.

4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.

5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние - это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.

6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет .

7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.

8. Световой чихательный рефлекс , который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.

9. При двойной радуге , свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.

10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет , в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.

11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.

12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.

Законы света

13. Свет обладает импульсом . Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.

14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету , что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.

15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет .

16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.

17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу . Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).

18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец , никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.

19. Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.

20. Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.

Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.

И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.

Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.

Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние.

Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.

Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датским ученым Олафом Ремером (1644-1710) в 1676г. он обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. Таким образом, он смог определить скорость света.

Определение света

Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.

Возникновение теории о свете

В XVII веке возникло две теории света волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет волны, распространяющиеся в особой среде эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Если по одной из теорий нельзя было объяснить какое либо явление, то по другой это явление можно было объяснить. Именно по этому эти две теории так долго существовали параллельно друг другу.

Например: прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Корпускулярная теория

Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию. От сюда происходит волновая теория.

Волновая теория

Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.

Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.

Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Впрочем, в эти годы он уже мог себе такое позволить – авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:

отклонение света в поле тяготения;

явление поляризации света;

взаимопревращение света и вещества.

Свет – это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.

Солнце на самом деле белое, если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.
1
Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
2

Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.
3

Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.
4

Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.
5

За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет.
6

Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.
7

Световой чихательный рефлекс, который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.
8

При двойной радуге, свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
9

Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет, в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
10

Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.
11

Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.
12

Свет обладает импульсом. Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.
13

Глаза лягушки настолько чувствительны к свету, что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
14

Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет.
15

Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
16

Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу. Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).
17

Если бы Солнцу внезапно пришел конец, никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.
18

Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.
19

Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.
20

Глория или Радужный ореол

Когда свет как бы рассеивается обратно (смесь отражения, преломления и дифракции) — назад к его источнику, капелькам воды в облаках, тень объекта между облаком и источником может быть разделена на цветные полосы. Glory переводится ещё как неземная красота — достаточно точное название такому прекрасному природному феномену) В некоторых частях Китая этот феномен даже называют Светом Будды — он часто сопровождается Призраком Брокена.

Брокенский призрак

Брокенский призрак (нем. Brockengespenst), также называемый горным призраком — это увеличенная тень наблюдателя на поверхности облаков (тумана) в направлении, противоположном Солнцу. Тень иногда окружают цветные кольца (так называемая глория).

Явление можно наблюдать в условиях горного тумана или облачности, или даже из самолёта. Но известность оно приобрело благодаря пику Брокен в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто. Это способствовало возникновению местной легенды, по которой и дали явлению название.
Впревые "Брокенский призрак" был описан в 1780 году Иоганном Зильбершлагом, который налюдал его в горах Гарц (Германия) на пике Брокен. С тех пор об этой горе рассказывают страшные байки про вампиров и привидений. Но окончательную славу Брокену принес Иоганн Вольфганг фон Гёте. Именно на это вершину поднимается Фауст и Мефистофель, чтобы попасть на ведьминский шабаш. А в главе "Вальпургиева ночь" можно найти точное описание брокенского призрака:

Взгляни на край бугра.
Мефисто, видишь, там у края
Тень одинокая такая?
Она по воздуху скользит,
Земли ногой не задевая.

Это явление можно увидеть в любом горном регионе, таком, как Национальный парк Халикала на острове Мауи на Гаваях или в валлийских горах.

Брокенский призрак появляется, когда Солнце светит из-за альпиниста, смотрящего вниз с хребта или пика в туман. Свет проецирует тень альпиниста вперёд сквозь туман, часто принимая причудливые угловатые очертания, вызванные перспективой. Увеличение размеров тени — оптическая иллюзия, объясняемая тем, что наблюдатель соизмеряет свою тень, лежащую на относительно близлежащих облаках, с далекими объектами поверхности, видимой сквозь просветы в облаках; или когда невозможно сориентироваться в тумане и соизмерить размеры. Кроме того, тени попадают на капли воды, находящиеся на различных расстояниях от глаза, что нарушает восприятие глубины. Призрак может приходить в движение (иногда совершенно неожиданно) из-за движения облачного слоя и колебания плотности в облаке.