Арифметика световых волн
Всякое вещество, находящееся в раскаленном состоянии, излучает в окружающее пространство энергию. Распространение энергии происходит волнообразно со скоростью 299 800 километров в секунду. Эти волнообразные колебания создают в человеческом глазу ощущение света.
Установлено, что каждый одноцветный луч имеет постоянную, только ему свойственную длину волны. Именно от длины волны и зависит восприятие глазом того или иного цвета.
Внутри каждого из восьми основных участков спектра, разделенных линиями, существует огромное количество оттенков данного цвета со свойственной каждому оттенку характерной длиной волны. Но так как внутри одного цвета разница между длинами волн различных оттенков ничтожно мала, то для практических целей ею пренебрегают и принимают для каждого из восьми цветных участков по одной характерной длине волны, выраженной в метрических единицах.
Длина волн очень незначительна и для средних светлых линий (желтый, зеленый) ее величина равна приблизительно 0,0005 миллиметра.
Всякое физическое тело дает особый спектр, состоящий из свойственных только этому телу линий, всегда одинаково расположенных. Длина волн, соответствующая каждой линии спектра определенного физического тела, есть величина постоянная, не изменяющаяся со временем и не зависящая от каких-либо условий. Эти свойства световых волн и натолкнули на мысль использовать их длину в качестве природного эталона линейных мер. Но световые волны невидимы! Как же можно с их помощью производить измерения? Ученые сделали их видимыми, воспользовавшись явлением интерференции света.
В чем это явление заключается? {114}
Представим себе, что два одноцветных (следовательно, имеющих одинаковую длину волны) луча действуют одновременно. Из возможных в данном случае положений обоих лучей нас интересуют два: первый — когда одинаковые по длине волны таких двух лучей как бы налагаются друг на друга, совпадая началом и концом волны. Такие два луча дают увеличенную яркость; второй — когда волны как бы направлены друг против друга. Если проследить одинаково расположенные точки этих волн (например, высшие точки верхних гребешков каждой волны), то видно, что они взаимно смещены на половину длины волны. (Стоит «передвинуть» один луч на половину волны, и они снова будут как бы наложены один на другой.) Такие два луча дают пониженную яркость и даже ощущение темноты, если величины колебаний волны одинаковы. Волны как бы уничтожают друг друга. В физике это явление называется интерференцией. Практически оно может дать следующий очень интересный эффект. {115}
Два плоских зеркала поставлены под весьма малым углом друг к другу. На расстоянии нескольких сантиметров от линии соприкосновения зеркал расположена узкая щель, которая освещается сзади сильным источником света (солнце, вольтова дуга). Пучок света падает на зеркала и отражается вниз на экран.
Каждое зеркало можно рассматривать как отдельный источник того же света. Из этих двух исходных точек как бы начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран, на котором можно наблюдать следующее явление.
В середине экрана расположена точка, по которой волны обеих исходных точек проходят одинаковый путь. Длины этих волн одинаковы, и гребень одной волны накладывается на гребень другой; провалы обеих волн также совпадают. Поэтому участок будет усиленно освещен. По обеим сторонам от него расположены две точки, расстояние до которых от исходных точек будет таким, что гребень одной волны совпадает с провалом другой. Это значит, что в данном случае длина пути, проходимого светом от одной исходной точки, на половину длины волны короче, чем длина пути от второй исходной точки.
В обеих точках, расположенных по обеим сторонам освещенного участка, получается затемнение экрана — темная полоса.
Идя дальше в обе стороны от середины экрана, мы придем в такие два участка, до которых длины путей света от обеих исходных точек будут разниться на целую длину волны. Опять гребень одной волны совпадает с гребнем другой, провал одной — с провалом другой, и эти участки будут усиленно освещены. Далее мы придем к двум точкам, расстояния до каждой из которых от источников света будут разниться на 1,5 длины волны; снова получится затемнение и появится темная полоса. В результате мы получим освещенный экран, пересеченный рядом темных, равноотстоящих друг от друга полос, Расстояния между полосами зависят исключительно от длин волн.
Из этого опыта легко понять, что каждому промежутку между темной полосой и серединой светлого участка соответствует половина длины волны, а расстояние между двумя последовательными темными полосами или одинаково расположенными точками двух последовательных {116} световых участков соответствует полной длине волны и имеет неизменную величину.
На место экрана можно поместить любой измеряемый предмет и подсчитать, сколько на его длине уложится полос. Если мы определим таким путем длину волны, как долю этой длины, то две величины — проверяемая длина и волна данного одноцветного луча света — будут связаны неизменным соотношением. Благодаря этому длина волны может быть использована как точнейшая мера. Это и было сделано для выражения длины международного прототипа метра в длинах световых волн.
Метр — в длинах световых волн
Еще в первой половине XIX столетия ученые предлагали использовать длину световой волны какого-либо определенного цвета в качестве эталона линейных мер. Но требования, предъявляемые к точности, не вызывали тогда еще необходимости в таком эталоне.
Только в конце XIX века, когда бурно развивающееся машиностроение потребовало высокой точности измерительных средств, предложение ученых было осуществлено.
Чтобы получить четкое воспроизведение явления интерференции, необходимо соблюсти два условия.
1. Так как интерферируют не любые два луча одного цвета, а только взаимозависимые одноцветные лучи, то либо первоначальный луч должен быть разложен на два, либо два луча должны исходить из одного источника света.
2. Лучи должны иметь строго определенную длину волны. Большинство световых лучей не удовлетворяет этому требованию: они слагаются из лучей с различными, правда, весьма близкими друг к другу длинами волн. Каждый из этих лучей интерферирует по-своему, результаты накладываются друг на друга и на экране либо вовсе ничего не получается, либо получается очень нечеткая картина. Особенно важно это условие в тех случаях, когда длины путей двух интерферирующих лучей разнятся на много тысяч или миллионов длин волн. Существует очень немного источников света, лучи которых имеют настолько четкую длину волны, что ими можно пользоваться для точных измерений.
Ученые нашли такой источник света: это оказался свет гейслеровой трубки, наполненной парами металла кадмия (белый металл, химически сходный с цинком). {117}
Спектр кадмия состоит из четырех резко выделяющихся цветных линий: красной, которой соответствует длина волны, равная 0,044 микрона, зеленой — 0,509 микрона, синей — 0,480 микрона и фиолетовой — 0,468 микрона. Лучи, порождающие эти линии, правильно интерферируют на пространстве
