ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Эволюция представлений о природе света из "Общий курс физики Оптика Т 4 " Гюйгенс в своих высказываниях о природе света не был столь сдержанным и осторожным, как Ньютон. Он не сомневался в волновой природе света. Свои воззрения он изложил на заседании Парижской Академии наук (1678 г.), а затем более полно в сочинении Трактат о свете ), опубликованном в 1690 г. В этом сочинении впервые в истории оптики была сделана-попытка изложить с единой — волновой — точки зрения распространение, отражение, преломление и двойное лучепреломление света. [c.20] Согласно корпускулярной теории, свет состоит из мельчайших частиц, или корпускул, испускаемых светящимися телами. С этой точки зрения прямолинейное распространение света сводится к закону инерции. Для истолкования закона независимости световых пучков надо было ввести предположение, что средние расстояния между корпускулами в световых пучках настолько велики, что корпускулы практически не взаимодействуют между собой случаи сближения, в которых проявляется такое взаимодействие, крайне редки и при существующей точности эксперимента ускользают от наблюдения. [c.20] О прямолинейном распространении света. Действительно, принцип Гюйгенса указывает на принципиальную возможность определения волнового возмущения во всем пространстве, если известны все вторичные волны, порожденные в более ранний момент времени. [c.23] Если в момент времени t волна дойдет до краев отверстия АВ, то оно вырежет из волнового фронта сферический участок АСВ. Построим из каждой точки этого участка, как из центра, вторичные волны радиусом с сИ. Огибающая всех этих вторич- ных волн оборвется на краях сферического участка А В , за пределы которого проникнут только отдельные вторичные волны. [c.23] Действие таких волн, согласно предположению Гюйгенса, пренебрежимо мало, а потому волновой фронт возмущения в мо- Рис. 12. [c.23] Естественно, что такое объяснение не могло удовлетворить Ньютона. Кроме того, Ньютон, как и Гюйгенс, не видел, как в рамках волновой теории можно объяснить поляризацию света, открытую Гюйгенсом в двойном лучепреломлении. Это действительно невозможно для продольных волн, какими, согласно Гюйгенсу, является свет. Только такие волны и были известны в физике того времени. Представления о поперечных волнах еще не существовало. Эти трудности казались Ньютону настолько существенными, что его симпатии оказались на стороне корпускулярной теории. [c.24] Проблема прямолинейного распространения света есть частный случай проблемы дифракции и может быть решена до конца только в рамках последней. Дифракция света была открыта Гримальди и независимо от него несколько позднее Гуком. Ньютон много занимался экспериментальными исследованиями дифракции света. Но Гюйгенс в Трактате о свете почему-то полностью обошел молчанием это явление. Кроме того, ему осталась неизвестной периодичность световых процессов (в отличие от Ньютона, который первый подметил ее). Гюйгенс писал, что свет, подобно звуку, распространяется сферическими поверхностями, и именно такие поверхности называл волнами. Он специально подчеркивал, что удары, возбуждающие световые возмущения в центрах волн, совершаются совершенно беспорядочно, а потому не следует думать, что сами волны следуют друг за другом на равных расстояниях. В этом отношении высказывания Гюйгенса примыкают к более ранним представлениям Декарта и Гука. Понятие длины волны нигде не встречается в теории Гюйгенса, а без этого невозможно установить, при каких условиях (приближенно) справедлив закон прямолинейного распространения света. [c.24] Геометрические законы отражения и преломления, однако, совершенно не. зависят от физической природы волн и от конкретногй механизма отражения, и преломления. [c.25] Они одинаковы в любой волновой теории. Действительно, падающая волна возбуждает возмущение, бегущее вдоль границы раздела со скоростью AD = BDIsm ф = y /sin ф (если воспользоваться надлежащими единицами), где Vi — скорость света в первой среде. Но отраженная и преломленная волны порождаются падающей волной и поэтому бегут вместе с ней вдоль границы раздела с той же скоростью. Следовательно, можно написать также, что AD = Рис. 13. [c.25] В противоположность корпускулярной теории (см. (3.1)), волновая теория приводит к заключению, что скорость света в более преломляющей среде меньше, чем в менее преломляющей. И это заключение справедливо независимо от того, какова физическая природа световых волн. [c.25] Э противном случае падающий, отраженный и прошедший свет был бы окрашен различно. Для преодоления этой трудности Ньютон ввел идею о приступах легкого отражения и легкого прохождения, в которых периодически может находиться световая корпускула. Если корпускула подходит к границе сред в приступе легкого отражения, то она отталкивается и отражается. Если же это случится в приступе легкого прохождения, то произойдет притяжение и прохождение корпускулы во вторую среду. [c.26] Идея приступов , как заметил Я. И. Френкель (1894—1952), напоминает современные представления о световых квантах — фотонах. Согласно этим представлениям, отражение и прохождение фотонов через границу раздела сред управляется статистическими законами существует определенная вероятность, что фотон отразится, и определенная вероятность, что он пройдет во вторую среду. Сам Ньютон, конечно, не раскрыл физический механизм приступов легкого отражения и легкого прохождения. Однако он ставил вопрос, не являются ли эти приступы результатом обратного воздействия каких-то быстрых волн, возбуждаемых в среде световыми корпускулами. Идея приступов навязывалась также периодичностью световых процессов, подмеченной Ньютоном при исследовании интерференционного явления ньютоновых колец . Эту периодичность Ньютон также пытался объяснить, дополнив корпускулярную теорию волновыми представлениями. [c.26] Смертельный удар корпускулярной теории в ее ньютоновской форме был нанесен в 1850 г. К этому времени Физо (1819—1896) и Фуко (1819—1868) впервые измерили скорость света лабораторными методами. Как мы указывали (см. пункты 2 и 5), по корпускулярной теории скорость света в воде больше, а по волновой теории меньше, чем в вакууме. В 1850 г. Фуко и независимо от него Физо и Бреге сравнили обе скорости. Опыт оказался в согласии с волновой и противоречии с корпускулярной теориями света. Физики XIX века восприняли это как решающий опыт, окончательно доказавший неправильность корпускулярной теории света. [c.28] В 60-х годах XIX века Максвеллом были установлены общие законы электромагнитного поля, которые привели его к заключению, что свет — это электромагнитные волны (см. т. III, гл. IV). Подтверждением такой точки зрения в то время были открытие Фарадеем в 1846 г. вращения плоскости поляризации света в магнитном поле и совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной, установленное на опыте в 1856 г. Вебером и Кольраушем (см. т. III, 51 и -83). После известных опытов Герца (1887—1888 гг., см. т. III, 142) электромагнитная природа света быстро получила признание. Уже в первом десятилетии ХХ века она из гипотезы превратилась в твердо установленный факт. Световые колебания были отождествлены с колебаниями электромагнитного поля. Оптика превратилась в раздел учения об электрических и магнитных явлениях. [c.28] Однако эти надежды не оправдались. Световой (или, лучше, электромагнитный) эфир упрямо отказывался обнаружить свои механические свойства . В частности, потерпели неудачу настойчивые попытки обнаружить движение Земли бтносительно эфира, начатые Майкельсоном (1852—1931) в 1881 г. При изучении оптических и электродинамических явлений в движущихся средах обнаружились и другие расхождения теории эфира с опытом. Это привело Эйнштейна (1879—1955) в 1905 г. к теории относительности. Гипотеза механического эфира была оставлена ), Пошатнулась вера- в механическую картину мира , к построению которой так настойчиво стремились физики XIX века. И все последующее развитие науки привело физиков к убеждению в невозможности сведения всех явлений природы к механике. Утверждать противоположное — значит предъявлять к природе необоснованные требования. Поэтому, когда в современной волновой теории говорят, что свет — это колебания электромагнитного поля, то на это уже не смотрят как на формальное утверждение, а считают, что сами эти колебания не сводятся к чему-то более простому и наглядному . [c.29] Необходимо заметить, однако, что в вакууме нет обычного вещества, как оно понимается в химии, fio вакуум не есть пустота в буквальном смысле этого слова. Его заполняют физические поля (гравитационное, электромагнитное, ядерное и пр.). Они, наряду с обычным химическим веществом, являются различными формами материи. В вакууме могут происходить различные физические процессы. Примером может служить поляризация вакуума, т. е. рождение пар электрон — позитрон в сильных электрических полях. Можно было бы не возражать по существу против употребления термина эфир в смысле носителя Этих физических свойств пустого пространства. Возражение относится к представлению об эфире как о жидкой, твердой, упругой или какой-либо другой среде. Наделенной механическими свойствами. Однако в современной физике предпочитают не пользоваться термином эфир в указанном смысле, а употребляют термин вакуум . [c.29] Однако классическая физика и, в частности, электронная теория оказались недостаточными для истолкования явлений атомного масштаба. Потребовалось введение квантовых представлений. Необходимость и плодотворность последних обнаружилась ранее всего при изучении проблемы распределения энергии в спектре черного излучения, т, е. температурного излучения абсолютно черного тела. Применение к это й проблеме принципов классической физики приводило к глубоким противоречиям с опытом. Планк (1858—1947) В конце 1900 г. получил согласующуюся с опытом формулу для распределения энергии в спектре черного излучения. При этом он ввел чуждое классической физике представление, что излучение й поглощение света осуществляется не непрерывно, а конечными порциями, или квантами энергии, причем величина кванта определяется выражением (1,1). Для решения проблемы черного излучения Планку достаточно было принять, что этот квантовый характер излучения и поглощения света относится к статистическим Процессам. Через пять лет Эйнштейн показал, что его необходимо распространить и на элементарные процессы. Согласно Эйнштейну, не только излучение и поглощение, но и распространение света Б пространстве происходят конечными порциями — квантами света, обладающими определенной энергией и определенным импульсом. Так возродилось представление о частицах света, названных позднее фотонами. [c.30] Гипотеза фотонов позволила прежде всего объяснить загадочные закономерности в явлениях фотоэффекта, совершенно непонятные с точки зрения классической волновой теории света. Существование импульса у фотонов было доказано открытием в 1923 г. аффекта Комптона — изменения длины волны при рассеянии рентгеновского излучения. Гипотеза световых квантов позволила понять химические действия света и их закономерности. Квантовый характер излучения и поглощения света был использован Бором (1885—1962) для объяснения спектральных закономерностей. [c.30] Вернуться к основной статье