вторник, 10 февруари 2015 г.

ТАЙНАТА НА СВЕТЛИНАТА, НЕВИДИМОСТ, СТЕЛТ....И МАКСУЕЛ

Едва след работата в тази област на шотландския физик Джеймс Кларк Максуел, през XIX в. физиците започнали да разбират ясно законите на оптиката. В известен смисъл Максуел е пълна противо­положност на Майкъл Фарадей. Докато Фарадей притежа­вал превъзходен експериментален инстинкт, но нямал каквото и да е официално образование - Максуел, който бил съвременник на Фарадей, бил експерт по висша математика. Той изпъкнал още като студент по математическа физи­ка в Кембридж, където Исак Нютон бил работил преди два века.
Нютон бил създал математическия анализ, който полу­чавал израз на езика на „диференциалните уравнения“ и който описва как обектите претърпяват лесно безкрайно малки промени в пространството и времето. Движението на океанските води, на течностите, газовете и гюлетата мо­же да бъде изразено на езика на диференциалните уравне­ния. Максуел си поставил една ясна цел - да изрази револю­ционните открития на Фарадей и неговите силови полета посредством точни диференциални уравнения.
Максуел започнал с откритието на Фарадей, че елект­рическите полета биха могли да се превръщат в магнит­ни полета и обратно. Той взел описанията на силовите по­лета от Фарадей и ги пренаписал на прецизния език на диференциалните уравнения, създавайки по този начин една от най-важните поредици от уравнения в модерната наука. Това е поредица от осем страховити на вид дифе­ренциални уравнения. Всеки физик и инженер в света трябва да се поти над тях, докато учи за електромагнетизма в гимназията.
След това Максуел си задал съдбоносния въпрос: ако маг­нитните полета могат да се превръщат в електрически и об­ратно, то какво ще стане, ако те постоянно се превръщат едно в друго в един вечен модел? Максуел открил, че тези електромагнитни полета биха създали вълна, която до го­ляма степен прилича на океанска вълна. За негово удивле­ние той изчислил скоростта на тези вълни и установил, че тя съвпада със скоростта на светлината! През 1864 г., след като открил този факт, той написал пророчески следното: Тази скорост е толкова близка до тази на светлината, че изглежда така, сякаш имаме силно основание да стигнем до заключението, че самата светлина... е електромагнитно сму­щение.“
Това било може би едно от най-големите открития в чо­вешката история. За първи път тайната на светлината била разкрита. Изведнъж Максуел осъзнал, че всичко, като се почне от яркостта на слънчевия изгрев и се стигне до блясъ­ка на залязващото слънце, ослепителните цветове на дъга­та и непоколебимостта на звездите в небесата би могло да се опише чрез вълните, които той надраскал върху лист хар­тия. Днес разбираме, че целият електромагнитен спектър - от радара до телевизията, инфрачервената светлина, види­мата светлина, ултравиолетовата светлина, рентгеновите лъчи, микровълните и гама-лъчите - не е нищо друго освен
вълни на Максуел, които на свой ред представляват вибри­ращи силови полета на Фарадей.
Коментирайки значението на уравненията на Максуел, Айнщайн писал, че те са „най-важното и най-плодотворно събитие, което е преживяла физиката от времето на Ню- тон“.
(Трагично е обстоятелството, че Максуел починал на ран- ната възраст от четиридесет и осем години от рак на стома­ха - вероятно същата болест, която погубила и майка му на същата възраст. Ако той бе живял по-дълго, може би е щял да открие, че неговите уравнения са допускали изкривява­ния на континуума пространство-време, които биха довели директно до теорията на относителността на Айнщайн. За­шеметяващо е да осъзнаем, че относителността е можела да бъде открита още по времето на Американската гражданс­ка война, ако Максуел бе живял по-дълго.)
Теорията за светлината на Максуел и атомната теория дават прости обяснения на оптиката и невидимостта. В ед­но твърдо тяло атомите са свързани здраво, а в течност или газ молекулите са разредени. Повечето твърди тела са матови, защото светлинните лъчи не могат да преминават през гъстата матрица от атоми в едно твърдо тяло, която действа като тухлена стена. Много течности и газове, обратното, са прозрачни, тъй като светлината може да пре­минава по-лесно между големите пространства между тех­ните атоми - пространство, което е по-голямо от вълнова­та дължина на видимата светлина. Например водата, ал­кохолът, амонякът, ацетонът, водородният прекис, бен­зинът и т.н. - всички те са прозрачни, каквито са и газове като кислорода, водорода, азота, въглеродния диоксид, ме­тана и т.н.
Има някои важни изключения от това правило. Много кристали са и твърди, и прозрачни. Но атомите на един крис­тал са подредени във формата на прецизна решетъчна структура в правилни редици с еднакво разстояние между тях. Вследствие на това има много пътища, по които един светлинен лъч може да премине през кристалната решет­ка. Следователно, макар че един кристал има такова сцеп­ление, каквото има всяко твърдо тяло, светлината все пак може да си пробие път през него.
При известни обстоятелства един твърд предмет може да стане прозрачен, ако атомите бъдат подредени произволно. Това може да стане чрез нагорещяването на някои матери­али до висока температура и след това чрез бързото им ох­лаждане. Стъклото например е твърдо тяло с част от свойст­вата на течност заради произволното подреждане на него­вите атоми. Някои бонбони също могат да станат прозрач­ни чрез този метод.
Очевидно невидимостта е свойство, което се появява на атомно равнище, описано от уравненията на Максуел, от което следва, че би било изключително трудно - дори не­възможно, да бъде удвоен един обект с използването на оби­чайни средства. За да направи Хари Потър невидим, човек би трябвало да го втечни, да го свари, за да създаде пара, да го кристализира, пак да го затопли и след това да го охлади, като всичко това би било твърде трудно постижимо дори за магьосник.
Военните, не можейки да създадат невидими самолети, са се опитали да реализират следващото по качество пости­жение, са създали стелт технологията, която прави самолетите невидими за радарите. Стелт технологията се опира на уравненията на Максуел, за да създаде серия от трикове. Един боен изтребител Стелт е съвсем видим за човешкото око, но неговото радарно изображение върху екрана на вра­жески радар достига само размера на голяма птица. (Стелт технологията в действителност представлява неочаквана смесица от трикове. Чрез промяната на материалите в ре­активния изтребител, посредством намаляване на съдър­жанието на стомана и използването вместо нея на смола и пластмаси, чрез промяната на ъглите на неговия фюзелаж, чрез пренареждането на ауспусите и т.н., човек може да накара лъчите на вражеския радар, след като се ударят в апарата,  да се разпръснат във всички посоки така, че никога да не се върнат на екрана на вражеския радар. Дори с помощ- та на стелт технологията един реактивен изтребител всъщност не е невидим, а по-скоро отразява и разпръсва толкова лъчи, изпратени от вражеските радари, колкото е възможно технически).


НИКОЛАЙ НИКОЛОВ

Няма коментари:

Публикуване на коментар