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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Wie man die Sonne hört. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Sonnige Stimme... Eine ungewöhnliche Wortkombination, nicht wahr? Wir alle sind an die Begriffe „Sonnenlicht“, „Sonnenstrahlen“ gewöhnt, kurz gesagt daran, dass unser Stern sichtbar ist. Aber was kann man sonst noch hören... Die Hypothese über die Existenz der Sonnenstimme wurde vom Gorki-Astronomen Professor Vladimir Vyacheslavovich Radzievsky aufgestellt, dessen Werke in unserem Land und im Ausland bekannt sind. Darüber hinaus sagt er sogar voraus, wie die sonnige Stimme klingen wird: Man hört darin das Brüllen von Hurrikanen, das Heulen von Stürmen, das gemessene Rauschen der Meeresbrandung und eine bizarre Kombination anderer Geräusche, die uns bisher unbekannt waren. Und wenn diese Stimme entschlüsselt wird, wird sie vielleicht viele Geheimnisse unseres Sterns enthüllen. Wie entstand die ungewöhnliche Idee, der Sonne zuzuhören? Wladimir Wjatscheslawowitsch antwortet auf diese Frage und sagt, dass ein in der Wissenschaft gar nicht so seltenes Phänomen auftritt, wenn man nach einer Sache sucht, aber etwas völlig anderes findet. Doch die Geschichte seiner Idee ist nicht nur ein Beispiel für ungewöhnliche, unerwartete Wendungen einer spannenden wissenschaftlichen Suche, sie ist auch ein Beispiel dafür, wie man beharrlich der Logik der Suche folgt, der Fähigkeit, das Begonnene zu seinem logischen Ende zu bringen. Radzievsky untersuchte, wie sich leichter Druck auf die Bewegung von Himmelskörpern auswirkt. Dazu musste er den genauesten Weg finden, den Lichtdruck zu messen. Die im klassischen Experiment von P. N. Lebedev erreichte Genauigkeit reichte nicht aus. Dennoch ist es am besten, die Geschichte damit zu beginnen, dass man sich daran erinnert, was Lichtdruck ist und wie Lebedews Experiment durchgeführt wurde, bei dem erstmals die Existenz dieses Drucks nachgewiesen und seine Größe gemessen wurde. In einem Glasgefäß im Vakuum hängte der berühmte Physiker an einem dünnen Faden einen Kardanring mit zwei leichten „Fliegenflügeln“ auf (siehe Abb.). So nannte der Wissenschaftler die dünnsten Metallblätter mit einem Durchmesser von etwa 5 mm. Einer dieser Flügel war versilbert, der andere war geschwärzt. Durch ein Linsensystem wurde das Licht eines starken Lichtbogens auf sie gerichtet. Und dann geschah Folgendes: Die geschwärzte Oberfläche absorbierte das Licht, während Photonen von der versilberten Oberfläche reflektiert wurden, abprallten und diesem Winglet dadurch einen zusätzlichen Impuls gaben. Dadurch verdrehte sich die Aufhängung mit Flügeln. Die Erfahrung von P. N. Lebedev hat bekanntlich bewiesen, dass leichter Druck existiert. Und anhand des Verdrehwinkels der Aufhängung konnte der Wert ungefähr ermittelt werden. Für Astronomen, die den Verlauf von Sternen berechnen müssen, ist die genaue Messung und Berechnung des Lichtdrucks sehr wichtig. Dieser Druck bestimmt maßgeblich das Aussehen und die Form von Kometenschweifen. Allerdings liefert die Erfahrung von P. N. Lebedev aus dem letzten Jahr des letzten Jahrhunderts für heutige Probleme, wie bereits gesagt, nicht die erforderliche Genauigkeit. Radzievsky suchte nach einer klareren Möglichkeit zur Messung. Irgendwie stieß er auf ein Buch mit dem Titel „Hören und Sprechen“. Der Autor des Buches argumentierte, dass das menschliche Ohr viel empfindlicher sei als das Auge. Es scheint, dass der Vergleich dieser beiden Sinne miteinander ebenso sinnlos ist wie beispielsweise der Vergleich der Qualität von Musikwerken und Süßwaren. Denn das Auge reagiert auf ein elektromagnetisches Feld, das Ohr auf ein akustisches. Dennoch gibt es in einem solchen Vergleich einen rationalen Kern. Die relative Überlegenheit des Ohrs gegenüber dem Auge wird aus diesem Beispiel deutlich. Das Auge ist nicht in der Lage, die Bildfolge auf der Kinoleinwand zu erfassen, die mit einer Frequenz von nur 24 Bildern pro Sekunde auftritt. Und das Trommelfell des Ohrs ist eine Druckmethode mit einer Frequenz von bis zu 20 Hertz. Der Wissenschaftler erinnerte sich auch daran, dass es seit langem ein sehr einfaches und praktisches Gerät zum Testen des Gehörs gibt – ein Thermophon. Mit seiner Hilfe testeten beispielsweise Rekruten in der Armee. Das Thermophon ist eine versiegelte Box mit einem geschwärzten Kabel, von der es einen Ausgang gibt – ins Ohr. An den Draht wird ein Strom von 1 Ampere angelegt, der durch einen Wechselstrom mit einer Schallfrequenz von 600 Hertz moduliert wird. Die Variablen sind hier verschwindend klein: Die Amplitude des Wechselstroms beträgt beispielsweise ein Zehnmillionstel Volt. Für 1/600 Sekunde hat der Draht Zeit, sich ein wenig auszudehnen, im nächsten Mikrointervall schrumpft er ein wenig ... Aber selbst diese unbedeutenden Vibrationen hört das Ohr, allerdings hat jeder Mensch unterschiedliche Möglichkeiten, was zum Testen verwendet wird Hören. Diese Tatsachen brachten Radzievsky auf die Idee: Wenn das Gehör so empfindlich ist, kann es mit seiner Hilfe vielleicht möglich sein, den Lichtdruck genauer zu messen? Um dies zu überprüfen, führte er ein einfaches Experiment durch (siehe Abb.): Der Wissenschaftler fertigte eine Scheibe an, in die fünf runde Löcher gleichen Durchmessers im gleichen Abstand voneinander eingeschnitten waren. Die Scheibe beginnt sich mit einer Geschwindigkeit von 100 U/min zu drehen und ein starker Lichtstrahl wird auf sie gerichtet. Hinter der Scheibe, gegenüber einem der Löcher, befindet sich eine versiegelte Box mit einer versilberten Membran. Aus der Box kommt ein dünner Schlauch, der in das Ohr eingeführt wird. Innerhalb einer Minute wird das Licht 500 Mal blockiert und wieder geöffnet, die Membran steht entweder unter Lichteinfluss oder nicht. Daher sollte es klingen, wenn es regelmäßig leichtem Druck ausgesetzt wird. Die Erfahrung war ein Erfolg. Der Ton war stark genug. Es blieb nur noch die Kalibrierung seiner Stärke und es war möglich, den Wert des Lichtdrucks zu berechnen ... Heureka? Der Erfolg, der manchmal zu einfach war, konnte den wahren Forscher nur alarmieren. Zur Verifizierung hat der Wissenschaftler (wie er selbst zugibt – rein intuitiv) die Membran mit Ruß geschwärzt. Der Ton sollte verschwunden sein oder zumindest deutlich schwächer geworden sein. Schließlich ist der Lichtdruck proportional zum Lichtreflexionskoeffizienten und bei einer geschwärzten Oberfläche vernachlässigbar. Es geschah jedoch etwas ganz anderes. Die Membran dröhnte förmlich!
Es wurde deutlich, dass es nicht der leichte Druck war, der sich im Experiment hauptsächlich bemerkbar machte. Was ist nun der Grund für das beobachtete Phänomen? Offensichtlich vermutete der Forscher, dass sich der Ruß unter dem Einfluss des Lichtflusses einfach erwärmt und abkühlt, wenn das Licht blockiert wird (denken Sie an den Draht im Thermophon). Folglich dehnt sich die an die Membran angrenzende Luftschicht periodisch aus und zieht sich zusammen. Elastische Luftschwingungen werden auf das Trommelfell übertragen. Dieser Hinweis wurde erneut durch ein neues Experiment bestätigt, bei dem anstelle eines starken Lichtbogens eine gewöhnliche Glühbirne als Lichtquelle diente. Der Effekt zeigte sich, aber der Ton wurde natürlich leiser. Streng genommen ist das Testexperiment nicht schwer zu reproduzieren. Dazu benötigen Sie ein einfaches Gerät – ein gewöhnliches medizinisches Phonendoskop, mit dem der Arzt dem Patienten zuhört. Wenn Sie es in die Hand nehmen, werden Sie sehen, dass auf die Schallsammelkammer eine Mutter aufgeschraubt ist, die eine starre Membran fest an die Kammer drückt (siehe Abbildung). Schrauben Sie es ab, bedecken Sie das Innere der Kammer mit einer dicken Schicht Ruß, setzen Sie dann die Mutter und die Membran wieder ein und prüfen Sie sorgfältig, ob sie fest sitzen. Auch Gummischläuche und Ohrstöpsel sollten luftdicht sein. Schließlich ist die in der Kammer entstehende Schallenergie vernachlässigbar und der kleinste Austritt davon führt zum Ausfall. Wenn Sie nun das Phonendoskop an die Glühbirne halten (der Abstand zwischen ihnen hängt von Ihrer Hörschärfe ab und kann zwischen 10 cm und 1 m variieren), hören Sie ein sanftes, tiefes Summen, das dem Klang einer Stimmgabel mit einer Frequenz entspricht von 50 Hertz. Jemand mag Zweifel haben – wird der Ton durch ein elektromagnetisches Wechselfeld verursacht? Versuchen Sie, das Licht mit einem undurchsichtigen Bildschirm zu blockieren. Der Ton verschwindet sofort und erscheint im selben Moment, wenn der Bildschirm entfernt wird. Im Gegenteil: Ein transparenter Schirm, beispielsweise aus Plexiglas, dämpft den Klang einer Glühbirne nicht.
Der Ursprung des Schalls ist hier genau derselbe wie im oben beschriebenen Experiment. Radzievsky nannte dieses Phänomen den Photophoneffekt und das Gerät zu seiner Erkennung (das mit Hilfe von Ruß modernisierte „Stethoskop“) das Photophon. Eine Person mit einer technischen Denkweise wird sofort herausfinden, wie man ein Fototelefon praktisch nutzt. Nun, zumindest um die Qualität der Glühbirnen zu überprüfen. Die Art des Geräusches der Glühbirne sollte offenbar mit dem technischen Zustand des Glühfadens zusammenhängen.
Aber natürlich sind die Glühbirnen nicht das Wichtigste. Letztendlich wissen sie, wie sie ihre Qualität auch ohne Fotophon bestimmen können. Beim Nachdenken über den entdeckten Effekt geriet Radzievsky plötzlich in einen einfachen und zugleich außerordentlich gewagten Gedanken. Wenn das Fotophon eine gewöhnliche XNUMX-Watt-Glühbirne hört, bedeutet das, dass es auch auf einen unermesslich stärkeren Emitter reagieren kann – die Sonne ... Hier haben wir allgemein den Entstehungsweg der Idee, auf die Sonne zu hören, nachgezeichnet. Ein aufmerksamer Leser wird wahrscheinlich selbst anhand dieser wenigen Ereignisse und Fakten erraten können, dass Wladimir Wjatscheslawowitsch zu der seltenen Art von Forschern gehört, die in der wissenschaftlichen Welt als „Ideengeneratoren“ bezeichnet werden. Tatsächlich ist es schwierig, alle Hypothesen, die er im Laufe seiner langjährigen wissenschaftlichen Tätigkeit aufgestellt hat, überhaupt zu zählen, geschweige denn aufzulisten. Gleichzeitig teilt der Wissenschaftler seine Ideen gerne mit Kollegen, vor allem mit seinen Studenten, die in vielen Städten des Landes arbeiten. Obwohl einige seiner Hypothesen nicht bestätigt wurden – dies ist in der Wissenschaft unvermeidlich –, werden andere Ideen fruchtbar weiterentwickelt. Und es ist auch leicht zu erkennen, dass Radzievsky auf teure Ausrüstung oder einige Spezialgeräte verzichten kann. Er wird immer durch ungewöhnliches Denken, Fiktion und kreative Vorstellungskraft gerettet. Um dies sicherzustellen, werden wir noch neue Möglichkeiten haben. Kehren wir zur Hypothese zurück. Sonnenlicht ist, wie das Licht einer Glühbirne, tatsächlich gar nicht so gleichmäßig, wie es mit bloßem Auge erscheint. Durch ein Teleskop betrachtet ähnelt die Oberfläche unseres Himmelskörpers kochendem Reisbrei. Jedes Korn „Brei“ – ein Körnchen – ist das Ergebnis eines konvektiven Durchbruchs einer glühenderen Gasmasse aus deren Tiefen durch die Photosphäre der Sonne. Die Größe jedes Granulats beträgt 150 bis 1000 km, seine durchschnittliche Lebensdauer beträgt 3 bis 5 Minuten und die Temperatur ist 300 bis 500 Grad höher als der umgebende Hintergrund. Jede Hundertstelsekunde werden etwa 50 Körnchen geboren und sterben, und gleichzeitig werden etwa eine Million davon auf der Sonne beobachtet. Daher der Eindruck von kochendem Brei. All diese Prozesse des ständigen Entstehens und Sterbens von Körnern verleihen dem Sonnenlicht unweigerlich ein „Zittern“, dessen Frequenz in einem breiten Klangspektrum schwankt, darunter natürlich auch hörbare. Und dann schlug die Fantasie dem Wissenschaftler vor, dass in einem so farbenfrohen Klangbild Hurrikane donnern, Stürme heulen sollten ... Und dahinter verbergen sich echte physikalische Prozesse, die vielleicht viel über sich selbst erzählen können. Allerdings muss man auch lernen, die Sprache der Sonnenstürme und des Flüsterns zu entschlüsseln. Die Gelegenheit, die Sonne zu hören, scheint also sehr verlockend. Aber die Sonne ist, obwohl sie eine enorme Strahlungskraft hat,, wie wir uns erinnern, in einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern. Man kann es nicht wie eine Glühbirne zu einem Fotophon bringen. Wird das Geräusch des Geräts durch Strahlen verursacht, die aus einer solchen Entfernung kommen? Radzievsky führte die notwendigen Berechnungen durch. Es stellte sich heraus, dass zur Überprüfung der Hypothese ein leistungsstarkes Teleskop mit einem Spiegeldurchmesser von mindestens 6-7 m benötigt wird. Was hat das Teleskop damit zu tun? Sein Zweck besteht nicht nur (und nicht so sehr) darin, die untersuchten Himmelskörper dem Beobachter näher zu bringen, sondern auch die von ihnen ausgehenden Signale zu verstärken. Die Verstärkung steigt mit dem Quadrat des Spiegeldurchmessers. Erst mit einem leistungsstarken Verstärker – einem Teleskop – wurde die Möglichkeit, die Stimme der Sonne zu hören, real (siehe Abb.).
Vor einigen Jahren gab es solche Teleskope noch nicht. Und bei Radzievsky beschränkte sich alles auf einen Artikel in einer speziellen wissenschaftlichen Zeitschrift. Die Meinungen der Kollegen über Radzievskys Idee waren geteilt. Eines der schwerwiegendsten Argumente von Skeptikern lautet: Die Geräusche in der Atmosphäre sind so stark, dass die Stimme der Sonne durch sie nicht die Erde erreichen kann. Als Antwort auf solche Zweifel nennt Wladimir Wjatscheslawowitsch ein bekanntes Beispiel mit ... Fledermäusen. Jeder weiß, dass Fledermäuse nachtaktiv sind. Sie sehen schlecht, bewegen sich aber mit Hilfe von Ultraschallsignalen, indem sie eine Welle aussenden, die von umgebenden Objekten reflektiert wird und bei der Rückkehr zu ihnen eine korrekte Orientierung ermöglicht. Einst beschlossen Wissenschaftler zu prüfen: Hängt ihr Lebensstil einfach mit der Gewohnheit zusammen, zu bestimmten Zeiten zu schlafen, oder hat es andere, tiefer liegende Gründe? Dazu wurden Fledermäuse in ein Flugzeug gesetzt und über mehrere Zeitzonen transportiert, wodurch sich ihr Tag um 8 Stunden verschob. Und was – die Mäuse saßen bis zum Sonnenuntergang ruhig auf den Stangen und begannen mit Einbruch der Dunkelheit ihre üblichen Flüge. Radzievsky erklärt diese Tatsache wie folgt. Die Erde reagiert auf Sonnenstrahlung wie eine riesige absorbierende Membran. Diese Reaktion äußert sich in Geräuschen, die für Menschen nicht hörbar sind, von empfindlicheren Fledermäusen aber gut erfasst werden. Für sie ist Rauschen ein starker Hintergrund, vor dem ihre eigenen schwachen Signale verloren gehen. Daher ist ihnen tagsüber die Möglichkeit der Orientierung entzogen. Nach Sonnenuntergang verschwindet der Lärm und die Mäuse können sich bewegen. Atmosphärische Geräusche, die es auch nachts gibt, stören Fledermäuse nicht. Das bedeutet, dass sie nicht so stark sind, dass sie das Hören der Sonne beeinträchtigen. Kurz gesagt, es liegt an dem zukünftigen Experiment an einem der leistungsstarken Teleskope, die in den letzten Jahren gebaut wurden. Nur Erfahrung kann eine Idee bestätigen oder widerlegen. Und es ist heute sogar schwierig vorherzusagen, wie sich das Testexperiment im Erfolgsfall auswirken wird. Vielleicht liefert die Sonnenstimme neue Informationen über die Prozesse auf unserem Stern, die noch lange nicht vollständig verstanden sind. Vielleicht wird ein einfaches Fotophon zur Grundlage hochempfindlicher Instrumente, die in der Lage sein werden, das vom Sonnenlicht erzeugte Rauschen der Erde einzufangen. Und dieses Geräusch könnte viel über die Erde und die Sonne verraten ... Autor: V. Meyerov
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