101 ключевая идея: Физика - Страница 22

См. также статьи «Фотон», «Электромагнитные волны».

Спектр белого света состоит из электромагнитных волн, имеющих длину от 350 (фиолетовый) до 650 нм (красный). Мы воспринимаем цвет благодаря трем типам светочувствительных клеток, называемых колбочками и расположенных в сетчатке глаза. Каждый тип клеток обладает максимальной чувствительностью к разным частям светового спектра, соответствующим основным цветам света — синему, зеленому и красному.

Когда мы смотрим на белый предмет в белом свете, наш глаз воспринимает фотоны различных длин волн в диапазоне от 350 до 650 нм, отразившиеся от поверхности этого предмета и попавшие в наш глаз. В результате возбуждаются все три типа колбочек, а наш мозг воспринимает их сигналы как белый цвет.

Когда мы наблюдаем какой-то отдельный цвет радуги, фотоны определенной длины возбуждают один определенный тип колбочек; здесь возможны сочетания. Например, желтый свет состоит из фотонов с длиной волны около 600 нм, возбуждающих колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам. Мозг интерпретирует поступающие от них сигналы как желтый цвет. Второстепенные цвета — желтый (красный + зеленый), фиолетовый (красный + синий) и голубой (синий + зеленый) — можно наблюдать при пересечении нескольких основных цветов на белом фоне. Например, при пересечении красного и зеленого кругов можно видеть желтый цвет. Это происходит потому, что возбуждается два типа колбочек — чувствительных к красному и к зеленому цветам. Колбочки, чувствительные к синему цвету, не возбуждаются. В этом и вышеприведенном случаях мы видим одинаковый цвет, хотя в первом примере длина волн фотонов была 600 нм, а во втором одни фотоны имели длину волн 650 нм (красный), а другие — 550 нм (зеленый).

См. также статьи «Фотон», «Цвет 2».

Эффекты, наблюдаемые при применении фильтров и пигментов, основаны на поглощении фотонов света молекулами фильтра или пигмента.

Когда белый свет проходит через цветной фильтр, молекулы фильтра поглощают фотоны с определенной длиной волны. Когда мы смотрим на свет, то фотоны, попадающие в наши глаза, взаимодействуют с тремя типами клеток-колбочек на сетчатке. Мозг воспринимает передаваемые ими сигналы как тот или иной цвет. Например, желтый фильтр поглощает фотоны синего цвета, так что в сетчатке возбуждаются только те колбочки, которые чувствительны к красному и зеленому цветам.

Если на поверхность падает белый свет, молекулы пигмента поверхности поглощают фотоны с определенной длиной волны. Таким образом, отраженный от поверхности свет не содержит этих фотонов. Например, желтая поверхность поглощает синие фотоны, оставляя другие. Когда мы смотрим на желтый предмет, то на нашей сетчатке глаза возбуждаются колбочки, чувствительные к красному и зеленому цветам, — мы видим желтую поверхность. Если на поверхность падает цветной свет, молекулы поглощают фотоны с такой же длиной волн (если они присутствуют в нем), как если бы это был белый свет. Отраженный свет опять-таки не содержит этих фотонов. Например, если зеленый свет падает на красную рубашку, то она кажется черной, потому что молекулы красного пигмента поглощают фотоны всех цветов, кроме красного; если на желтую рубашку направить луч белого света и поместить между источником и рубашкой голубой фильтр, то она покажется зеленой. Это происходит потому, что голубой фильтр поглощает фотоны красного цвета, а желтая рубашка — фотоны синего. Оставшиеся фотоны воздействуют на колбочки сетчатки, более чувствительные к зеленому цвету.

См. также статьи «Фотон», «Цвет 1».

Ничто не может покинуть пределы черной дыры, даже свет. Черная дыра — это идеальный поглотитель всех типов электромагнитного излучения (или любой иной формы излучения), подобно тому как черная поверхность служит поглотителем видимого света. Впервые концепция черной дыры была предложена Джоном Мичеллом еще в 1783 году, хотя сам термин «черная дыра» гораздо позже ввел в употребление американский физик Джон Уилер. В 1916 году Альберт Эйнштейн в рамках своей общей теории относительности предсказал, что сильное гравитационное поле искажает пространство — время и искривляет траекторию света. Ученый высчитал, что свет дальней звезды, проходящий мимо Солнца, отклоняется на тысячную долю градуса под действием гравитации последнего. Точные наблюдения этого явления провел Артур Эддингтон, отправившийся в 1919 году в Южную Америку для фотографирования звезд, оказавшихся рядом с солнечным диском во время солнечного затмения. Эддингтон обнаружил, что положения звезд на снимках отклонялись от их обычных позиций именно на такое расстояние, какое и предсказывал Эйнштейн.

Современная теория черных дыр была основана Карлом Шварцшильдом, который использовал принципы теории относительности для доказательства того, что объект с достаточно сильным гравитационным полем не позволит свету покинуть его пределы. Шварцшильд доказал, что такой объект обладает горизонтом событий, т. е. замкнутой поверхностью, ограничивающей область вокруг черной дыры, откуда ничего не может выйти. Любой объект, пересекший область горизонта событий, пропадает навсегда. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. Для черной дыры массой М радиус Шварцшильда равен 2GM/c ², где G — гравитационная постоянная, известная из теории всемирного тяготения Ньютона, с — скорость света. Чтобы Земля стала черной дырой, ее нужно сжать по крайней мере до 18 мм в диаметре. Астрономы получили косвенные доказательства существования черных дыр. Например, галактика М87 вращается очень быстро и предполагается, что в ее центре находится массивная черная дыра. Источник рентгеновского излучения X1 Лебедя представляет собой двойную систему, состоящую из звезды-сверхгиганта и очень плотной невидимой звезды, которая может быть черной дырой, вытягивающей материю из своего соседа.

См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Общая теория относительности».

Эволюция звезды — это последовательность стадий, через которые она проходит в своем развитии, начиная с формирования и заканчивая прекращением испускания света. Звезда образуется из облака межзвездной пыли и водородного газа, сжимающегося под действием собственного тяготения облачного вещества. По мере увеличения плотности будущей звезды энергия гравитации переходит в энергию тепла и температура будущей звезды повышается, пока не начинаются термоядерные реакции синтеза. Высокая энергия излучения разогревает образующуюся звезду еще больше, и она становится стабильной.

В таком состоянии звезда пребывает большую часть своей жизни, находясь на так называемой главной последовательности. В результате синтеза ядер гелия из ядер водорода в ее ядре она испускает энергию в виде излучения.

Излучение, испускаемое в процессе этой реакции, оказывает давление на внешние слои звезды. Сила тяготения внешних слоев на внутренние уравновешивается давлением этого излучения изнутри. Когда исчерпываются запасы водородного топлива, ядро звезды сжимается, а ее внешние слои расширяются и она превращается в красного гиганта. На этой стадии в гелиевом ядре происходит синтез более тяжелых элементов, таких, как железо. Когда эта стадия заканчивается, то звезда массой меньше чем 1,4 массы Солнца сжимается и разогревается до стадии белого карлика. Если белый карлик входит в двойную звездную систему, то он может вытягивать вещество соседней звезды. В таком случае он вспыхивает и становится «новой» звездой.

Эволюция звезды

Если масса звезды в 1,4 раза превышает массу Солнца («предел Чандрасекара»), то она полностью сжимается и взрывается в виде сверхновой. Такой массивный взрыв приводит к столкновению легких ядер и образованию ядер тяжелых элементов.