В XVIII веке утвердились две основные гипотезы о природе света — волновая и корпускулярная. Решающих научных аргументов в пользу той или иной теории не было. Авторитет Ньютона, склонявшегося к корпускулярной идее, подчинял себе умы ученых. Главным доводом корпускулярной теории было то, что с помощью волновой теории трудно было объяснить простейшее явление — прямолинейность распространения света. И все же всегда находились научные авторитеты, поддерживающие волновую теорию. Среди них — Лейбниц, Ломоносов, Франклин, Эйлер. В работе Эйлера «Новая теория света и цветов» (1746 г.) выдвинуто фундаментальное положение о том, что максимальная длина волны света соответствует красному цвету, а минимальная — фиолетовому. В теории Эйлера содержится принципиально важный вывод, опровергающий мнение Ньютона о невозможности исправления хроматизма и утверждающий такую возможность. Ахроматические объективы, состоящие из двух линз, изготовленных из стекол с различными показателями преломления (из крона и флинта), были впервые изготовлены в 1758 г. английским оптиком Джоном Долландом (1706—1761). Однако к пересмотру теории света это не привело, а рассматривалось как чисто технический факт. Начало коренным изменениям в представлении о природе света положил Томас Юнг (1773-1829). Т. Юнг родился в Милвертоне (графство Сомерсет, Англия) в семье торговца тканями. С самого раннего детства Юнг проявил совершенно уникальную способность к наукам и необъятную широту интересов. В зрелые годы, благодаря этим качествам, он получил прозвище «Феноменальный», данное ему в годы учебы в Кембридже. Семья Томаса была религиозной и принадлежала к общине квакеров. Родители проявляли заботу об образовании стар- 191 Раздел II. Основные направления классической науки шего сына, которым был Т. Юнг, но, сменив ряд учебных заведений, Томас пришел к выводу, что лучший способ получить знания — самостоятельные занятия наукой. Юнг решил посвятить себя медицине и изучал ее с 1792 г. по 1803 г. сначала в Лондоне, затем в Эдинбурге, Геттингене и Кембридже. Как врач Юнг признания не получил, но медицина послужила «отправным пунктом» к ряду его научных исследований. Так, изучая явление аккомодации глаза, он доказал, что аккомодация обусловлена изменением кривизны поверхностей хрусталика. За эту работу Юнг был избран в 1794 г. членом Лондонского Королевского общества. Научные интересы Юнга простирались в самые различные области знаний. В 1807 г. выходит двухтомник Юнга «Курс лекций по натуральной философии и механическому искусству», в котором он обобщил огромный научный материал, содержащий обзоры важнейших достижений в области механики, астрономии, оптики. Наряду с материалом энциклопедического и обзорного характера в «Курс» вошли и оригинальные работы Юнга. Так, в частности, Юнг впервые вводит термин «энергия», понятие «модуль упругости», именуемый сегодня «модулем Юнга». Юнг был известен в научном мире и как египтолог, изучавший египетские иероглифы, и получивший важные результаты в их расшифровке. Юнг занимался общественной и литературной работой. Он исполнял обязанности секретаря Лондонского Королевского общества, являлся издателем справочника по практической астрономии — «Морского альманаха». Для приложения к «Британской энциклопедии» Юнг написал биографические очерки о выдающихся ученых. Оптическими исследованиями Юнг начал заниматься со времени своего пребывания в Кембридже. Наряду с оптическими Юнг занимался тогда и акустическими явлениями, имевшими явно выраженные волновые свойства. Интерес к акустике пришел к Юнгу от музыки, которой он увлекался с детства. Юнг прекрасно владел практически всеми существующими в то время музыкальными инструментами. По- видимому, параллельные исследования в оптике и акустике привели Юнга к аналогиям между оптическими и акустическими явлениями, натолкнули на волновые представления о свете. Корпускулярная теория Ньютона не устраивала критический ум Юнга. Он пытался разобраться в теории «приступов» Ньютона, неудовлетворительно объяснявшей окрашивание тонких пленок, и счел эту теорию совершенно неприемлемой. Поразмыслив над явлением окрашивания, Юнг пришел к идее интерпретации этого явления сложениям колебаний света, отраженного от первой поверхности пленки, и света, прошедшего пленку и отраженного от второй ее поверхности и вышедшего затем через первую. Как ни странно, но именно Ньютон «подсказал» Юнгу принцип сложения колебаний — принцип интерференции. В «Началах» Ньютон объясняет аномальные приливы, наблюдавшиеся Галилеем на Филиппинском архипелаге, ре- 192 4. Оптика зультатом наложения волн. Юнг в «Курсе лекций по натуральной философии и механическому искусству» несколько раз цитирует Ньютона и на этом примере выводит общий принцип интерференции. Юнг отмечает, что для получения интерференции необходимо, чтобы световые лучи исходили из одного источника и взаимодействовали будучи практически параллельными друг другу. Условием максимума интенсивности интерферирующих лучей Юнг определяет равенство разности хода лучей определенной величине (целому числу «волнообразных движений»). Эта характерная величина (Юнг не говорит о длине волны) по Юнгу неодинакова для света различных цветов. Принцип интерференции был экспериментально подтвержден Юнгом следующим опытом с двумя отверстиями. В непрозрачном экране 5, (рис.2.7) иглой прокалываются два близко расположенных отверстия (щели S] и S2). Щели освещаются солнечным светом, прошедшим через небольшое отверстие S. Вследствие дифракции световые конусы за 5, и S2 расширяются и перекрываются, образуя в зоне перекрытия ВС на экране Э2 темные и светлые полосы. Если же одно отверстие St или S2 закрыто, то полосы исчезают и возникают дифракционные кольца от другого отверстия. Юнг объяснил это явление сложением «волнообразных движений» светоносного эфира (Юнг предпочитает термин «волнообразные движения» термину «колебание» и особо отмечает это). Темные полосы получаются там, где провалы налагаются на гребни волн, светлые — там, где два гребня или два провала волн складываются. По результатам опыта Юнг рассчитал длины волн излучения красного и фиолетового цветов. Поражает точность, с которой Юнгу удалось измерить (впервые в истории физики) длину волны света: 0,7 мкм для красного света и 0,42 мкм для синего. Длина волны определялась следующим образом. Центральная часть картины поля (точка А) всегда оказывалась светлой, «...а яркие полосы с каждой из сторон находятся на таких расстояниях, что свет, приходящий к ним от одного из отверстий, должен пройти больший путь, чем свет, приходящий от другого, на отрезок, который равен ширине одного, двух, трех или большего числа предполагаемых волнообразных движений, в то время как промежуточные темные области соответствуют разности в половину предполагаемых волнообразных движений, в полтора, два с половиной волнообразных движения или более». Используя принцип интерференции, Юнг легко объясняет образование колец Ньютона, явление окра- Рис. 2.7. Схема опыта Юнга ло интерференции 7 В. Соломатин 193 Раздел II. Основные направления классической науки шивания «бороздчатых поверхностей» (царапин) и тонких пластин (пленок). Окрашивание царапин на полированных поверхностях (образование цветов «бороздчатых поверхностей») Юнг объясняет следующим образом. «Пусть в данной плоскости имеются две отражающие точки А и В (рис. 2.8), близкие друг к другу, и пусть плоскость расположена так, что отраженное изображение светящегося предмета, видимое в ней, окажется совпадающим с этими точками. Тог- Рис. 2.8. К объяснению окрашивания царапин да очевидно, что длины падающего и отраженного лучей, взятые вместе, равны по отношению к двум точкам, если считать эти лучи способными к отражению во всех направлениях. Пусть теперь одна из точек опустилась ниже данной плоскости (точка А'); тогда полный путь света, отраженного от нее, будет удлинен на величину, которая равна понижению точки, умноженному на удвоенный косинус угла падения (сумма отрезков CA'uA'D'). Далее Юнг указывает на условие образования максимумов при интерференции для излучения с различной длиной волны и объясняет окрашивание отраженного изображения предмета при наблюдении его глазом: максимумы (цветная окраска) будет наблюдаться в том случае, когда разность хода отраженных лучей от точек А и В равна целому числу длин волны (в современной терминологии). Очень сильным подтверждением своей волновой гипотезы Юнг считал эксперимент с параллельными штрихами, нанесенными на стекле (по сути дела это эксперимент с дифракционной решеткой). Юнг проводит аналогию между «разделением цветов при интерференции и получением музыкальной ноты с помощью последовательных отражений от эквидистантных железных стержней, что «...согласуется с известной скоростью звука и расстоянием между поверхностями». Аналогия с акустикой, как мы уже отмечали, для Юнга не случайна. Теория интерференции Юнга (термин «интерференция» был введен самим Юнгом так же, как и термин «физическая оптика») прекрасно объясняла все явления, связанные с периодичностью. Вместе с тем позиции сторонников корпускулярной теории оставались прочными. Теория Юнга не давала удовлетворительного объяснения прямолинейности распространения света, ее математическая основа была слаба. Кроме того, в 1808 г. было открыто явление поляризации света (об этом разговор пойдет ниже), и теория Юнга была не в состоянии объяснить это явление. Преодолеть трудности волновой теории и утвердить ее сумел Огюстен-Жан Френель (1788—1827). 194 4. Оптика Огюстен-Жан Френель О. Френель родился в местечке Брольи в Нормандии в семье архитектора. После окончания школы он получил инженерное образование в Парижской политехнической школе, а затем в Школе мостов и дорог, после окончания которой работал дорожным инженером в провинции. В пе- J.JK риод «Ста дней» Наполеона Френель присоеди- ,J3^L нился волонтером к роялистам, которые должны -'f^^, были преградить дорогу Наполеону при его воз- вращении с Эльбы, за что и бьш уволен со службы. Френель удалился в Матье, близ Казна, занялся научными исследованиями, к которым стремился еще со времени учебы в школе. В распоряжении Френеля не оказалось сколько-нибудь серьезного экспериментального оборудования, и он приступил к опытам, используя доступные примитивные средства. Френель начал с изучения тени, образуемой тонкой проволокой, и пришел к «открытию» интерференции, уже описанной Юнгом. Френель не знал английского языка, не бьш знаком с исследованиями Юнга, да и вообще оптика была новой для Френеля областью знаний. Френель, по-существу, повторил опыты Юнга, добавив к ним ставший классическим опыт с бизеркалами. Схема опыта Френеля с бизеркалами показана на рис.2.9. Свет от источника впадает расходящимся пучком на два плоских зеркала Мх и М2, расположенных относительно друг друга под небольшим углом а. Из геометрических построений по закону отражения видно, что световые лучи, отразившиеся от зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S{ и S2, являющихся изображениями источника S в зеркалах. При наложении на экране Э лучи дают интерференционную картину (АВ — область интерференции). Результат интерференции в некоторой точке С экрана зависит от длины волны и разности хода лучей 5, С и S2 С. От прямого попадания света экран защищен диафрагмой D. Уже зная об опытах Юнга, Френель тем не менее продолжает увлекшие его исследования. Он разрабатывает «опыт с бипризмой Френеля», как он стал называться впоследствии. В этом классическом опыте интерферирует лучи, исходящие из одного источника и преломленные двумя одинаковыми, сложенными своими основаниями призмами с малым преломляющим углом. Одновременно с проведением опытов Френель развивает теоретическую сторону проблемы. Используя принцип Гюйгенса, он рассмат- s, Рис. 2.9. Схема опыта Френеля с бизеркалами ■7* 195 Раздел II. Основные направления классической науки ривает суммирование волн в произвольной точке линии, соединяющей источник с освещенной точкой. Он показывает, хотя и не вполне строго с точки зрения математики, что сферические волны во внешней точке определяются влиянием лишь небольшого сегмента волны, центр которой находится в светящейся точке. Остальная часть волны в сумме дает нулевой эффект в рассматриваемой точке (нулевую «результирующую интенсивность»). Тем самым Френелю удалось преодолеть самое главное препятствие, находящееся на пути признания волновой теории — объяснить прямолинейность распространения света на основе волновых представлений. Пусть S0 — точечный источник света с длиной волны X, С — точка наблюдения (рис. 2.10). Выберем волновую поверхность радиусом R так, чтобы расстояние / от точки С до точки О сферы было порядка R. Френель разбил волновую поверхность на кольцевые зоны такого размера, чтобы расстояния от краев зоны до точки С отличались на Х./2 («зоны Френеля», как их теперь называют). Колебания, приходящие в точку Сот соседних зон, будут при интерференции ослаблять друг друга, поэтому амплитуда результирующего колебания в точке С: А = А]-А2 + А3~А4 + .., где Ах, А2... амплитуды колебаний, возбуждаемых соответствующими зонами Френеля. Можно показать из геометрических соображений, что площади зон Френеля примерно одинаковы. Действие зон постепенно убывает от центра О к периферии. Число зон вследствие малости X велико. Приняв ам- Рис. 2.10. Зоны Френеля 196 4. Оптика плитуду колебаний в каждой зоне равной среднему значению амплитуд колебаний соседних зон, легко показать, что А = АД, то есть амплитуда колебаний в произвольной точке С определяется действием только половины центральной зоны. Следовательно, распространение света от точки S к точке С происходит прямолинейно. Отметим, что из представления о зонах Френеля следует возможность усиления света в точке С. Действительно, если построить такую пластину, состоящую из чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец, соответствующих зонам Френеля (так называемую «зонную пластину»), и перекрыть четные зоны, то результирующая амплитуда будет А = Ах + Аъ + А5 + ..., и освещенность в точке С увеличится. Объяснение прямолинейности распространения света на основе волновых представлений Френель опубликовал в «Мемуаре о дифракции света» — работе, представленной на конкурс, объявленный в 1817 г. Академией наук Франции. Конкурс проводился по инициативе Ж.Б. Био и П.С. Лапласа, которые, будучи сторонниками корпускулярной теории, надеялись получить объяснение опытов Юнга и Френеля по интерференции. Результат был полностью противоположным: родилась волновая теория дифракции, основанная на принципе Гюйгенса — Френеля. Один из членов комиссии СО. Пуассон, изучая мемуар Френеля, заметил, что из теории Френеля следует важный вывод, не отмеченный самим автором мемуара: в центре тени, образуемой круглым экраном, должно быть светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого круглого отверстия на определенном расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Это, как будто бы, противоречило здравому смыслу, и комиссия предложила Френелю экспериментально доказать этот вывод. Френель и поддержавший его Араго провели соответствующие опыты и подтвердили справедливость теории Френеля. Академия по представлению комиссии присудила Френелю премию за работу по дифракции, а в 1823 г. избрала Френеля своим членом. Для окончательной «победы» волновой теории не хватало важного звена. Сторонники корпускулярной теории считали, что явление поляризации света, открытое французским военным инженером Этьеном Малюсом (1775 — 1812), объясняется только корпускулярной природой света. Напомним вкратце историю открытия поляризации. Датчанин Эразм .^7 ——у ^^ Бартолин (1635—1698) описал опыты II 7\*^!^*' с исланДским шпатом (кристалли- / «/----""/ _^-г^"^ ческое вещество, кальцит), в кото- J'"/ Т / рых он обнаружил, что если луч све- ^^1^ -^ —J—jJ та падает на поверхность исландско- го шпата, то, преломляясь, он раз- Рис. 2 11 Двулучепреломление в кристалле ДВаИВаеТСЯ (рис.2.11). Один ИЗ пре- исландского шпата ломленных лучей подчиняется зако- 197 Раздел II. Основные направления классической науки ну преломления (этот луч называют «обыкновенным»), в то время как другой («необыкновенный») этому закону не подчиняется. Позднее Гюйгенс открыл явление, которое, как он сам признал, не мог объяснить. Если расположить два кристалла исландского шпата так, что их так называемые главные сечения будут параллельны, то луч света, проходящий сквозь первый кристалл, во втором уже не испытывает двойное лучепреломление, а преломляется обычно. Если же второй кристалл шпата повернуть, то двулучеп- реломление вновь возникает, причем интенсивность преломленных лучей зависит от угла поворота кристалла. Ньютон выдвинул идею, что корпускулы обладают «различными сторонами» специальной формы, так что поведение корпускул зависит от их ориентации или «поляризации» (термин употреблен впервые Ньютоном). Малюс обнаружил, что свет, отраженный от воды под углом 52°45', обладает тем же свойством, что и свет, прошедший через кристалл исландского шпата, и объяснил это явление в духе Ньютона. Свет, в котором корпускулы имеют определенную ориентацию, Малюс вслед за Ньютоном стал называть поляризованным. Исследованием поляризации занялись во Франции Ж.Б. Био (1774—1862) и Араго (1786—1853), в Англии Дэвид Брюстер (1781—1868), Уильям Николь (1768—1851). В сотрудничестве с Араго Френелем были поставлены эксперименты, показывающие, что лучи, поляризованные в параллельных плоскостях, интерферируют, а два луча, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют (не «гасят» друг друга). Такое явление не имело аналогов в акустике — наиболее характерной области применения волновых представлений. В поисках выхода из этого положения Френель, до этого пользовавшийся представлениями о продольности колебаний светоносного эфира, принимает гипотезу о поперечности колебаний эфира, то есть колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн. Из этой гипотезы следовало, что эфир должен быть очень твердым телом, поскольку только твердые тела передают поперечные колебания. Одновременно эфир должен являться тончайшим и невесомым флюидом. Такое представление об эфире казалось слишком фантастическим. Араго не смог его принять и отказался подписать представленную Френелем статью, в которой утверждалась идея поперечности световых волн. Френелю пришлось в одиночку отстаивать свою точку зрения. Френель развивает механическую теорию эфира, выводит формулы, определяющие скорость распространения света в среде в зависимости от длины волны и показателя преломления среды. Механическая модель эфира Френеля стала основой для разработки общей теории упругости, появившейся после работ Френеля. Волновая оптика, разработанная Юнгом и Френелем, теоретически объясняла все известные оптические явления, включавшие отражение, преломление, полное внутреннее отражение, прямолинейность распространения света, дифракцию, интерференцию, двулучепреломление и поляризацию.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Волновая теория. Юнг. Френель» з дисципліни «Історія науки»
