Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Цифровые камеры совершили прорыв от редких и дорогих приборов к привычным, стали неотъемлемой частью повседневной жизни впечатляюще быстро, но наука, лежащая в основе этих приборов, остается недооцененной. Сенсор вашего телефона, который делает фото ваших детей, котов или завтрака, чтобы разместить в Твиттере, в основе своей базируется на квантовой механике, опираясь на корпускулярную природу света. Ирония в том, что в действительности открытие в физике, позволившее создать эту технологию, было лишь побочным продуктом экспериментов, с их помощью пытались доказать волновую природу света.

Эксперимент Герца<a type="note" l:href="#n_58">[58]</a>

Как было упомянуто в предыдущей главе, эксперименты Томаса Юнга и Франсуа Араго в начале 1800-х годов, демонстрирующие, что световые волны дают эффект интерференции, когда проходят вокруг препятствий, соответственно показали: свет ведет себя как волна. В середине того же века уравнения Максвелла ответили на вопрос «Что есть волна?», предсказывая существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

Одно из применений теории света как электромагнитных волн заключается в том, что возможно создать такие волны, используя электрические токи. В поздние 1880-е годы молодой немецкий физик Генрих Герц решил это сделать и подверг уравнения Максвелла непосредственной экспериментальной проверке. Ученый создал гениальный прибор, в котором были «искровые зазоры», пары металлических шариков, разделенных между собой несколькими миллиметрами воздушного зазора. Один искровой зазор был присоединен к антенне, подключенной к системе батареек, она подавала колебания высокого напряжения между шариками. Это создавало яркую искру в зазоре, по мере того как электрическое поле пробивало воздух между шариками, позволяя току течь с частотой, определяемой колебаниями напряжений, которые Герц выставлял соответственно своему выбору.

Когда электроны метались туда-сюда через зазор, согласно уравнениям Максвелла, их движение должно было генерировать электромагнитные волны, испускаемые из зазора и колеблющиеся на той же частоте.

Другой искровой зазор – шарик на любом из концов кольца из провода, расположенного на некотором расстоянии, – служил детектором. Приходившая к нему электромагнитная волна из излучателя-зазора создавала меньшее напряжение на детекторе и производила меньшую искру. Расстояние между шариками детектора можно было регулировать и настраивалось, пока приходящие волны были способны едва зажечь искру в зазоре. Более мощные приходящие волны создавали более высокое напряжение в детекторе, увеличивая расстояние, через которое могла пробить искра. Используя этот детектор, Герц был способен создать картину интенсивности создаваемых волн и показать, что результаты точно совпадали с предсказаниями Максвелла как для распространившихся волн, покидавших детектор, так и для стоячих, сформированных отражением начальных волн от металлического листа у дальней стены лекционного зала. Аппарат Герца генерировал волны на крайне низких частотах по сравнению с видимым светом, но он показал, что они распространяются с той же скоростью, подтвердив: свет – это электромагнитное явление.

Принцип прибора с искровыми зазорами, который использовал Герц. Высокое переменное напряжение создает искры через зазор в контуре из провода, генерируя электромагнитные волны на этой частоте. На зазоре детектора волна создает напряжение, которое может дать искру, если зазор мал или волна достаточно мощная. Размер самой большой искры, какая может проскочить через зазор, дает измерение размера волны.

Когда его спросили о значимости его экспериментов, Герц продемонстрировал деловую хватку великого физика, бодро ответив: «Вообще никакой пользы. Это просто эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав: действительно существуют эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем видеть невооруженным глазом, но они есть!» Однако, несколькими годами позже, те же принципы, что были использованы в эксперименте Герца с искровыми зазорами, были использованы для генерирования радиоволн у «беспроводного телеграфа», что затем привело к созданию радиовещания, телевидения и мобильных телефонов.