Измерения и меры

ЕЩЕ РАЗ О МЕТРЕ

Мы уже говорили, что метр в конце концов перестал быть «природной» мерой. Однако учёные не оставили заманчивую мысль связать меру длины с каким-нибудь неизменным образцом, взятым из природы.

Таким образцом оказался световой луч. Но что общего между светом и длиной? Чтобы убедиться в том, что между этими понятиями существует самая тесная связь, нужно познакомиться с природой света.

Кто из нас не любовался красивой многоцветной радугой, появляющейся иногда на небе после дождя?

Секрет радуги был раскрыт ещё в XVII веке чешским учёным Марци, проделавшим такой опыт. В тёмную комнату через небольшое отверстие проникал узкий солнечный луч. Он падал на одну из стен, образуя на ней световой зайчик. Марци поместил на пути луча стеклянную призму — кусок стекла с тремя гранями (рис. 22). И вдруг на стене вместо зайчика появилась искусственная радуга — многоцветная полоса, в которой красная полоска сменялась оранжевой, за ней виднелась жёлтая, затем зелёная, голубая, синяя и фиолетовая. Радуга — это те же световые лучи, прошедшие через призму, но только роль призмы играют здесь дождевые капли.

Более подробно изучал разложение солнечного света на цветные лучи великий английский учёный Ньютон (1643–1727 гг.). Он нашёл, что если на пути луча поставить не одну призму, а две, как показано на рис. 23, то радужная полоса исчезнет, и снова возникнет полоска белого солнечного света. Стало ясно, что «белые» солнечные лучи состоят из ряда цветных лучей. Совокупность этих лучей, образующих радужную полосу, Ньютон назвал спектром. Отдельные цветные лучи спектра призмой уже не разлагаются, значит, в отличие от лучей белого света они не сложные, а простые.

Рис. 22. Опыт Марци.

Рис, 23. Опыт Ньютона.

В прошлом веке было установлено, что свет — это особые электромагнитные волны, возникающие в результате изменений электрических и магнитных сил и распространяющиеся в пространстве с огромной скоростью (около 300 тысяч километров в секунду).

Как и волны, наблюдаемые, например, на поверхности воды, электромагнитные волны бывают разной длины (рис. 24). В зависимости от этого они обладают различными свойствами. Электромагнитные волны длиной от тысяч метров до нескольких миллиметров — это радиоволны, применяемые в радиовещании, связи, телевидении, радиолокации. Они возникают в пространстве вокруг провода, по которому течёт переменный электрический ток (направление и сила такого тока всё время изменяются; он как бы непрестанно колеблется). Чем быстрее «колеблется» электрический ток (то есть чем выше частота его колебаний), тем короче длина радиоволны, им порождаемой.

Электромагнитные волны длиной приблизительно от 0,4 до 0,7 микрона мы воспринимаем как свет. Волны длиной 0,7 микрона — это лучи красного цвета; 0,6 — жёлтого; 0,5 — зелёного; 0,4 — фиолетового[4].

Ещё в 1829 году французский учёный Бабинэ предложил световую волну в качестве нового «природного» эталона метра. Но его идея получила признание только в конце прошлого века. Её осуществлению препятствовало отсутствие таких источников света, спектры которых содержали бы лучи со строго определённой, резко выраженной длиной волны. Подобный источник был найден американским физиком Майкельсоном.

Это раскалённые пары кадмия (кадмий — металл, в некоторых отношениях похожий на цинк). Спектр световых лучей, испускаемых раскалёнными парами кадмия, состоит из четырёх узких цветных линий, разделённых тёмными промежутками (рис. 25).

Рис. 24. Длина волны.

Учёным удалось чрезвычайно точно измерить длины световых волн каждой из этих линий. Например, длина волны красной линии при температуре 20 °C оказалась равной 0,64385033 микрона. Следовательно, в одном метре содержится 1553153,51 волн такой длины. Многие повторные измерения подтвердили правильность этого результата.

Рис. 25. Спектр световых лучей, испускаемых раскалёнными парами кадмия.

Правда, новый «природный» эталон ещё не получил прав гражданства. Учёные не пришли к окончательному выводу, какую же световую линию использовать для такого эталона. Дело в том, что около десяти лет назад были найдены линии, более узкие и чёткие, чем красная линия кадмия. Это зелёная линия паров ртути и жёлто-зелёная линия газа криптона. Считают, что применение этих линий взамен красной линии кадмия повысит точность измерений в 2–3 раза. Но какой из них отдать предпочтение, ещё не решено.

Переход к световому эталону метра — дело ближайшего будущего. И тогда можно будет с полным правом утверждать, что метр — единица «неизменная и в любое время восстанавливаемая».