"Радиолюбитель", №3-4, 1928 год

Ультра-короткие волны в физике и радиотехнике

1. Свет как колебательный процесс

Ю. Ралль

Электромагнитные волны в физике и радиотехнике

ЛИШЬ около сорока лет отделяют нас от того времени, когда Гертц впервые с гениальной простотой поставил и разрешил вопрос — как получить возможно быстрые электрические колебания и бросить их в пространство.

Сейчас ежедневно, ежеминутно, идем ли мы в кино, или торопимся на службу, несемся ли на лыжах по снежному ковру, или благодушествуем на прибрежном песке, впитывая солнечные лучи, — мы почти не отдаем себе отчета в тончайшей и сложной игре электромагнитной энергии, окружающей наше тело.

Мы уже теперь достаточно сведущи в довольно сложных вопросах радио, но эти разнообразные и точные сведения часто имеют существенный недостаток — они не связаны с общей и цельной картиной физических явлений мира. Чем больше мы найдем сходства между процессами, происходящими в приемнике и передатчике с этими явлениями, тем лучше мы поймем настоящее место радио в общем строении науки и техники, поставивших своей задачей, как можно проще об'яснить мир и использовать его природу.

Мы будем итти той дорогой, которая постепенно привела к открытию той или иной закономерности. Для этого придется смотреть на природу вещей так, как она рассматривалась в историческом — и значит, последовательном — развитии науки.

Особенную помощь в этом принесут нам короткие волны, которые открывают сейчас слишком широкие перспективы, чтобы на них не остановилась прочно и надолго человеческая мысль. С помощью коротких волн он стремится разрешить не только направленную передачу, перебрасывающую с одного конца Земли на другой максимум энергии при минимуме затрат, но и такие сложнейшие вопросы, как изучение высших слоев атмосферы, как междупланетные сношения!..

Но для нас короткие волны представляют и другой особый интерес — именно они послужат тем мостом, который соединяет радиотехнику с другими областями физики. В частности, мы внимательней всего отнесемся к волнам, почти не освещенным в популярной радио-литературе. Для того, чтобы называть ультра-короткими волны определенной длинны, не существует общей мерки; мы, например, будем называть такими исключительно волны, не превышающие 100 сантиметров.

Мы хотим следовать за историей. Здесь мы наткнется на классические опыты физики из области электромагнитных явлений, изучим их и даже постараемся их воспроизвести. Стоит ли это? Зачем возиться с вопросами, сданными в архив! Нет, это не так. Это из этих опытов выросли наши суперы, наше широковещание, это благодаря тем терпеливым исканиям, которые производились сотни лет, мы имеем возможность у себя в углу слушать голос всего мира и отдавать досуг, силы и любознательность дальнейшему развитию радио-культуры.

Что такое свет

Спросите всякого, неискушенного в науках и здравого человека, что такое — свет; он наверное затруднится ответить, хотя бы приблизительно, как он представляет способность видеть. Свет есть свет — и больше ничего. Это такое свойство природы, что не нуждается в об'яснении, это так же понятно, как то, что все тела имеют об'ем — понятие врожденное у человека. Но оказывается, что способность видеть свет и освещенные им предметы, далеко не врожденна, а приобретается ребенком из опыта. У одного француза веки были срощены от рождения, а потом, уже через 30 лет раскрыты, при помощи операции. И что же, в первое время, он не только не видел, но вообще ничего не ощущал глазами; ему пришлось учиться видеть. Итак, наши простые суждения о свете могут оказаться ошибочными и вместо того, чтобы отмахнуться от предложенного выше вопроса, как от дикого и нелепого, придется задуматься — что же, в самом деле, есть свет?

Некоторые свойства света так часто проявляются, что трудно их не заметить. Например, одни тела очень хорошо пропускают через себя свет, другие совсем непрозрачны. Мы также совершенно уверены в том, что предметы находятся именно в том направлении, в котором мы их видим, далее — законы перспективы, образования тени — целый ряд фактов, не нуждающихся в особом об'яснении и понятные сами по себе, убеждают нас в том, что свет распространяется по прямой линии.

Еще первобытный человек рассматривал не раз свое косматое изображение в луже, озере и т. п. С незапамятных времен женщины всех народов употребляли зеркало, в виде металлической отполированной поверхности, которая делалась из меди, золота, бронзы, из сплава серебра с золотом, и лишь в ХIII веке — из стекла, покрытого с одной стороны свинцовым листом — родоначальника нашего современного зеркала. Но древним были известны и более сложные свойства света; палка, опущенная в воду и кажущаяся переломленной, стеклянный шар, наполненный водой, увеличивающий рассматриваемые сквозь него предметы и собирающий солнечные лучи в одну точку, и ряд других знакомых всем явлений — все это приводило к мысли, что свет иногда уклоняется от прямолинейного распространения.

Преломляемость

Итак, мы убедились, что пучок света, падая на гладкую поверхность непрозрачного, а в некоторых случаях и прозрачного тела, вдруг резко изменяет путь, отбрасываясь от этой поверхности; это отбрасывание всегда подчиняется простому правилу — если свет падает на зеркальную поверхность под некоторым углом к перпендикуляру, восставленному к поверхности в точке его падения, то он отразится по направлению, идущему под тем же углом к перпендикуляру, но лишь по другую его сторону. Кратко говорят, что угол падения равен углу отражения. Переломляясь же, свет ведет себя так, что, попадая из среды менее плотной в среду более плотную, он отклоняется от своего прямого пути, приближаясь к перпендикуляру, проведенному к плоскости, разделяющей эти среды. При обратном переходе свет идет тем же путем, но в обратном порядке, удаляясь от перпендикуляра. Нам важно особенно отметить математическое соотношение, определяющее свойство каждого вещества переломлять свет более или менее сильно. Оно выражается отношением синуса угла падения к синусу угла переломленного пучка света и называется показателем переломления второй среды, относительно первой.

Это совершенно ясно из простого чертежа, где a — угол, образованный падающим пучком, а b — выходящим. Тогда Sin a / Sin b = n показателю преломления II среды, относительно I. Обычно, за первую среду принимают пустоту. Эта величина n весьма замечательна. Мы не раз возвратимся к ней, найдя иной способ ее выражения, и увидим, что она сыграла важнейшую роль в уяснении истинной природы света и имеет самое близкое отношение к радиотехническим расчетам.

Без опыта

Итак, древние знали довольно основные свойства света и умели их применять. Однако, о природе световых процессов им было известно очень мало, хотя и не раз выдвигался вопрос — что же представляет из себя свет? На этот счет существовали самые сбивчивые и противоречивые мнения. Одни говорили, что сам глаз наш испускает особые лучи-щупальцы, и «ощупывает» ими предметы, другие, наоборот, думали, что предметы выбрасывают из себя световое вещество, которое ловит глаз. Но были и такие, что старались примирить противников, доказывающих с пеной у рта правоту своих взглядов на сборищах греческих мудрецов, где всякий имел право высказать свои мысли. Они придерживались золотой середины, рассуждая, примерно, так: «если потушить свечу, горящую в закрытой комнате, она станет невидима, но ведь если закрыть глаза, будет тот же результат; значит, в явлении света участвуют, как его источник, так и глаз». Впрочем, дальше подобных рассуждений дело не шло и самая, казалось бы, элементарнейшая способность человека видеть, оставалась совершенно непонятной. Мыслители того времени слишком редко прибегали к опыту, как отправной точке, для развития правильного понимания явлений.

Не подвинулось дело и в середине века: всесильная церковь того времени живо прекращала всякие попытки об'яснить свет — «свет есть от бога, и не человеческому скудоумию его постичь!»

Но надо сказать, что геометрическая оптика, то-есть наука, изучающая и применяющая геометрические свойства света в оптических приборах, мало интересовалась его истинной природой и достигла большего совершенства, хотя и не представляла того, над чем она работает... Оптики шлифовали свои линзы для телескопов, давая толчок развитию астрономии, которая разрослась, благодаря превосходным оптическим инструментам, в точную науку, но учение о природе света не сдвинулось ни на йоту с мертвой точки. Так обстояло дело до второй половины XVII столетия!

Новые открытия

В 1662 году иезуитский патер Франческо Гриммальди наблюдал светлое пятно на стене закрытой комнаты, куда он пропустил узкий пучок солнечного света, как это делали может быть тысячи других наблюдателей. Но случайно введя в полоску света палку, он с удивлением заметил, что самая темная часть тени от палки была гораздо шире, чем это следовало из законов прямолинейного распространения света. Кроме того, по обеим сторонам этой тени, а также внутри ее находились цветные полосы, как-будто свет, касаясь края палки, искривлял свой путь, попадая отчасти внутрь тени, отчасти снаружи. Гриммальди по-разному видоизменял свой опыт, и, наконец, пропустил свет от двух источников через два маленьких отверстия так, что их светлые изображения на экране частью накладывались друг на друга. Часть, которую освещали оба источника, была, как и следовало ожидать, светлее других, но в ней оказались темные кольца. Когда одно отверстие закрывалось, кольца пропадали. Таким образом Гриммальди первый в мире мог утверждать как-будто явную нелепость, что свет, присоединяясь к свету, может дать темноту! Эти свойства света не были никогда известны, и Гриммальди, в их об'яснении, пришлось итти новым путем. Его рассуждение настолько замечательно для нас, что стоит его привести. «Подобно тому, как волны вокруг камня, брошенного в воду, представляют не что иное, как скопление воды с выемкой вокруг, так и светящиеся полосы есть не что иное, как свет, неравномерно распределенный, вследствие особого рассеяния и прорезанный промежутками, наполненными тенью». В этой туманной и наивной форме Гриммальди, все же достаточно ясно, намекал на волнообразный характер света. Впрочем, он сам был смущен таким результатом, противоречащим взглядам древних мудрецов, считавшихся непоколебимыми десятки столетий, и, как истый сын церкви, он описал свои опыты, но припрятал это описание и умер в 1663 году, не запятнав репутации религиозного и порядочного человека... Его сочинение вышло в свет только через два года. В это же время появился труд Р. Гука — «Микрография», где говорилось о свете, как волнообразном движении. В том же 1665 году копенгагенский врач и математик Эразм Бартолин, рассматривая предметы через пластинку исландского шпата, — прозрачного, как вода, минерала, — заметил, что все они кажутся двойными, как-будто шпат расщепляет каждый пучок света на два, из которых один проходит через пластинку, не преломляясь, а другой ведет себя обычно.

Спустя некоторое время, ученику Бартолина датскому астроному Олё Рёмеру было суждено еще раз поразить ученых своего времени. Он нашел из астрономических наблюдений над затмениями спутников Юпитера, что свет имеет скорость; он рассчитал ее, найдя около 40.000 миль в секунду, и сделал сообщение об этом во французскую Академию Наук. Как бы ни были различны мнения о природе света, до этих пор, они все же сходились в одном, что свет распространяется мгновенно и поэтому скорости не имеет.

Итак, во второй половине XVII века физика натолкнулась на ряд оптических явлений, которые она не могла об'яснить с точки зрения существующих воззрений на природу света. Правда, в массе так называемый ученый мир отнесся скептически к открытиям Гриммальди и Бартолина, и сообщение Рёмера встретило иронические замечания, но, как всегда это бывает, нашлись люди, задумавшиеся более серьезно над необходимостью полной и определенной теории света. И выразителем этого пробуждения человеческой мысли, от косности преклонения перед древними авторитетами, явился Христиан Гюйгенс, гаагский математик и физик, величайший естествоиспытатель всех времен, оставивший глубокий след в самых разнообразных областях науки. Он первый изложил ясно и исчерпывающе волнообразную теорию света, представив ее Академии еше в 1678 году, а в 1690 г. выпустив свой труд в печати. Волновая теория была призвана в корне изменить учение о свете и открыть новую эру в оптике, но это надолго было отсрочено печальным вмешательством Ньютона. Это тормозящее влияние было так велико и так поучительно для нас, что мимо него нельзя пройти в двух словах.

Механическая теория

Мы не можем, понятно, остановиться подробнее на личности этого гениального человека, сделавшего великие открытия в математике, оптике, астрономии, которые совершенно прио6разили прежнее их понимание и далеко продвинули их вперед. Мы лишь посмотрим на то, что Ньютон внес в учение о природе света. Мы упоминали, что еще в древние времена были известны свойства света, прошедшего через стеклянный шар с водой; между прочим заметили, что он не только увеличивает предметы, но и окружает их радужной каемкой. Последнее явление долго и неудачно старались об'яснить, и с этой целью поставили не мало опытов с телами, переломлявшими свет так, что он окрашивался в различные цвета. В 1666 году, т.-е. во время создания своей теории тяготения, Ньютон начал систематическое исследование цветов света. Пропустив пучок солнечного света через треугольную стеклянную призму, он получил на экране великолепную радужную полосу, окрашенную, примерно, семью цветами, которые постепенно переходили друг в друга, располагаясь в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. После ряда попыток дать об'яснение этому спектру, Ньютон пришел к таким результатам, — солнечный белый свет содержит в себе световые пучки разных цветов, и каждый такой пучок преломляется призмой неодинаково (красный — слабее всех, фиолетовый — сильнее); поэтому белый свет разлагается призмой на свои составные части — цвета. Эту способность Ньютон назвал дисперсией света. Итак, наше ощущение того или иного цвета зависит только от степени преломляемости того или иного пучка, попавшего в глаз, и когда он ловит пучки всех преломляемостей, мы видим белый свет.

В 90-х годах XVII века Ньютон уступая настояниям друзей, так как сам он долго не решался утвердить свой взгляд на свет, выпустил свою «Теорию истечения света», которая явилась суммой всех древних представлений о свете, дав им законченную обработку. Изложим сущность теории. Всякое светящееся тело видимо нами потому, что оно испускает материальные световые частички — корпускулы, которые, ударяясь о сетчатку глаза и дают впечатление света. Различным цветам соответствуют корпускулы различной величины: фиолетовому — самые мелкие, красному — самые крупные. Частички света упруги: и, ударяясь о плоскость, ведут себя, как мячики, отражаясь от нее по законам: механики. Преломление же света происходит потому, что корпускулы притягиваются преломляющими телами, и это искривляет их путь в теле. В то же время Ньютон допускал, что при отражении участвуют отталкивательные силы между частичками и телом. Вы замечаете непреодолимые противоречия в этой удивительной теории, так как ей приходилось, допустить, что частички, отражаясь — отталкиваются, а преломляясь — притягиваются, одним и тем же телом! Но, чувствуя, что это слишком, мягко, говоря, нвероятно, Ньютон ввел понятие о продолговатости частиц, имеющих вид веретена. Так что, когда частица налетала на препятствие острым концом, она свободно его пронизывала, если же она «шлепалась» боком, она могла лишь отскочить в сторону. Впрочем, последнее допущение мало уясняло истину, и, наконец, Ньютон принужден приписывать корпускулам, как бы различные «настроения». Именно, иногда частица находится в «приступе отражения», иногда же — в «приступе преломления», и соответственно этому ведет себя.

(Продолжение следует).


Hosted by uCoz