Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

В сущности все, что мы знаем о структуре атомов и молекул, исходит из использования света, который они излучают для вычисления энергий их допустимых состояний. Для более тяжелых атомов спектр может быть очень сложным и обеспечивает богатую информацию о расположении электронов и взаимодействии между ними. Точно так же, как спектр черного тела Планка позволяет нам определять температуру далеких объектов во Вселенной, характерные линии поглощения и излучения различными элементами позволят нам определять, из чего сделаны эти объекты. Здесь, на Земле, также множество технологий химического анализа зависят от идентификации спектральных линий конкретных атомов и молекул.

Эти спектральные линии также находят техническое применение в нашей повседневной жизни, например, флуоресцентное освещение. Флуоресцентные лампочки содержат газ, состоящий в основном из атомов ртути. Когда они возбуждаются электрическим током, эти атомы испускают свет в красном, зеленом и синем диапазонах спектра, производя свет, который кажется синевато-белым для нашего зрения Они также излучают достаточное количество невидимого ультрафиолетового света, и флуоресцентные трубки покрыты химическим составом, он и поглощает энергию от ультрафиолетового света и излучает его в видимом диапазоне, увеличивая количества производимого света, что позволяет дизайнерам по свету контролировать смеси цветов для получения различных эффектов.

Высокая эффективность флуоресцентных ламп также есть, в конечном счете, функция от квантового условия Бора. Раскаленная лампа должна нагревать свою нить до достаточно высокой температуры, чтобы генерировать спектр черного тела с нужным цветом, но излучаемый спектр будет обязательно включать большое количество инфракрасного света, который наши глаза не видят. Газ в флуоресцентной трубке достаточно разрежен, так что атомы в сущности не зависят друг от друга, поэтому они испускают свет не в широком спектре, а в конкретных линиях, сконцентрированных в видимом диапазоне.

В результате, хотя общее количество света, сгенерированного для данного тока, может быть и меньше, большая часть этого света видима для людей, поэтому в целом эффективность такой лампы выше.

Атомные часы

Модель атома Бора и информация, которую он дал нам о спектрах света, излучаемых атомами, также заложило фундамент для революции в измерении времени – вот почему сегодня устройство даже дешевого будильника включает в себя квантовые принципы. Частота света, поглощенного или излученного атомами конкретного элемента, определяется только разницей в энергии между двумя состояниями электрона, и такие состояния являются фиксированными согласно законам физики. Каждый атом цезия во Вселенной идентичен любому другому атому цезия, и поэтому они все действуют как идеальные маленькие генераторы одинаковых частот: если атом цезия поглощает свет, вы точно и без вопросов знаете, какой частоты был этот свет. Наконец, у нас есть источник света, который мы можем считать основой для наших часов.

Современное определение секунды – это время, за какое происходит 9,192,631,770 колебаний света, связанного с переходом между двумя конкретными состояниями электрона в атоме цезия[90]. Самые современные атомные часы состоят из лабораторного источника света в микроволновом диапазоне и набора из нескольких миллионов атомов цезия, охлажденных до нескольких миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, это и служит базовой частотой. Облако из таких атомов с подготовленным электроном в одном состоянии запускается вперед через полость, в котором атомы взаимодействуют со светом от источника микроволнового излучения. Затем атомы замедляют свое движение под действием гравитации и, наконец, снова падают обратно через полость. Этот второй проход через полость дает второе взаимодействие с микроволновым излучением, после него атомы измеряются, чтобы узнать, в каком они состоянии. Если частота микроволнового источника точно совпадает с частотой, связанной с переходом цезия, все атомы будут переведены во второе состояние, в то время как небольшая ошибка в частоте будет приводить к тому, что некоторые из атомов останутся в начальном состоянии. Специалисты, управляющие часами, используют часть атомов, совершивших переход, для определения, насколько подстроить частоту микроволнового излучения, чтобы она лучше соответствовала переходу электрона в атоме цезия, и процесс повторяется.

Этот процесс двойного взаимодействия (за него Норман Рамзей[91]получил Нобелевскую премию), в сущности, является тем же, что вы используете, когда подводите часы. Во-первых, вы синхронизируете ваши часы с сигналами точного времени, например, на официальной странице Национального института стандартов и технологий (NIST). Затем вы немного ждете и еще раз проверяете часы по сигналу точного времени. Если они спешат или отстают, вы подстраиваете их до точного времени и повторяете процесс.