Кудрявцев Павел Степанович Курс истории физики
 Скачать 7.55 Mb.
|
Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетияФакты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и потороты. Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт. Что касается открытых еще в XVII в. явлений дифракции и интерференции, то ведущие ученые конца XVIII – начала XIX в. не сомневались в том, что они получат исчерпывающее объяснение в терминах корпускулярной теории. Не удивительно, что гениальные исследования Юнга по интерференции и дифракции света были встречены с недоверием и даже с насмешкой, поскольку в них эти явления объяснялись с точки зрения волновой теории. Вскоре эти исследования получили мощную поддержку в работах Френеля, и волновая теория, несмотря на оппозицию ведущих ученых и необычайные трудности, вызванные открытием поляризации, восторжествовала. Юнг. Томас Юнг родился 13 июня 1773 г.Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до десяти языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему позднее в работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора медицины. За два года до этого он опубликовал работу по физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения», в которой разработал теорию аккомодации глаза? В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в 1807 г. в двух томах. Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих «Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия». Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики, технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, филологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии ». Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом – наездником и канатоходцем. Умер Юнг 10 мая 1829г. Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория светаицвета», опубликованной в 1801 г. Она основана на следующих гипотезах: «I. Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вселенную. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, когда тело начинает светиться. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке. Все материальные тела притя-гивают эфирную среду, вследствие чего она накапливается в их веществе и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей плотности, но не большей упругости». Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоитиз волнообразных движений светоносного эфира». Таким образом, все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов – к различным частотам этих колебаний. Световые колебания распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу, и если они в данной точке направлены одинаково, то «их совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них». Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов». Так в оптике появился принцип интерференции. Этот принцип Юнг подтвердил на таком опыте. Солнечный свет, выходящий из небольшого отверстия в ставне окна, освещал экран, в котором кончиком булавки были сделаны два отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Свет, выходящий коническими пучками из обоих отверстий (Юнг знал дифракцию и формулировал ее в одной из работ 1801 г.), перекрещивался в некоторой области светового поля за экраном, и на приемном экране появлялись светлые и темные полосы. Когда закрывали одно из отверстий, то полосы исчезали и на приемном экране были видны лишь дифракционные кольца от другого отверстия.  Измеряя ширину полос, Юнг смог определить ту «некоторую длину», которая фигурировала в его законе. Это были первые в истории физики определения длины волны, которая оказалась для красного света равной 0,7 мкм (Юнг измерял длину в дюймах), 0,42 мкм для крайнего фиолетового.Как мы знаем, интервалы в четверть длины волны измерял Ньютон в своем опыте с кольцами, но он не пользовался понятием длины световой волны. Юнг впервые сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало спектрометрии. Совершенно естественно, что Юнг обратился к опыту с кольцами Ньютона и правильно истолковал появление центрального темного пятна изменением фазы колебаний при отражении от более плотной среды. Юнг проверил свою теорию опытом, налив между линзой из кронгласа и пластинкой из флинтгласа каплю сассафрасового масла. В этой установке световой луч проходил последовательно через три среды в направлении убывания их показателей преломления, и центральное пятно стало белым. Юнгу было уже известно о существовании невидимых, инфракрасных лучей («тепловых»), открытых Вильямом Гершелем в 1800 г., и ультрафиолетовых («химических») лучей, открытых Иоганном Риттером и Волластоном в 1802 г. Юнг показал, спроектировав кольца Ньютона на бумагу, пропитанную ляписом, что и для ультрафиолетовых лучей справедлив принцип интерференции. На бумаге были обнаружены три темных кольца. Это была первая спектрограмма ультрафиолетового света. Как уже говорилось, теория Юнга была встречена с недоверием и в самой Англии подвергалась ожесточенным нападкам. Особенно суровое испытание ожидало волновую теорию в связи с открытием Малюса. Малюс. Этьенн-Луи Малюс родился 23 июня 1775 г. Он учился в Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу; его мобилизовали в армию на фортификационные работы. Здесь его технические и организационные таланты были замечены, и он был направлен в только что организованную Политехническую школу, которую и окончил в 1796 г. Однако война не отпускала Малюса. Он принял участие в экспедиции Наполеона в Египет, откуда был направлен в Сирию, участвовал во взятии Яффы. В городе вспыхнула чума, и Малюс получил приказ остаться с больными и ранеными солдатами. Вскоре он сам заболел чумой. Все окружавшие Малюса люди умерли. «Я остался один–без сил, без помощи и друзей», – вспоминал он. Более месяца он провел в лазарете вместе с другими зачумленными, выздоровел и продолжал участие в египетском походе. После перемирия он вернулся на родину, продолжая военно-инженерную службу и интенсивно занимаясь наукой. В 1810 г. он стал членом Института, т. е. академиком. Однако ослабленный болезнью и тяготами военной жизни организм Малюса, подточенный вдобавок открывшимся туберкулезом, не выдержал, и 24 февраля 1812 г. он умер. Оптические исследования Малюса начались еще во время египетского похода, а в 1807 г. он представил в Академию два мемуара по оптике. Ему принадлежит теорема геометрической оптики: пучок лучей, нормальный к некоторой поверхности, остается таковым после произвольного числа отражений и преломлений. В 1808 г. в связи с конкурсной задачей Парижской Академии наук он сосредоточил свое внимание на явлении двойного лучепреломления. Размышляя над этим явлением, Малюс рассматривал однажды через кристалл исландского шпата отражение лучей заходящего солнца от стекол окон Люксембургского дворца и заметил, что одно из изображений исчезло. С наступлением темноты он повторил опыт со светом свечи, наблюдая через кристалл свет, отраженный от поверхности воды, и установил, что при определенных углах падения одно из изображений исчезает Тщательно исследуя явление, Малюс открыл в световом луче асимметрию, аналогичную поляризационным свойствам частиц. Идея о поляризационных свойствах корпускул была высказана еще Ньютоном. Малюс принял эту идею и ввел в оптику термин «поляризация света». Он установил, что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление, и что эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Он установил также, что свет падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется. Брюстер (1781-1868) в 1815 г. нашел, что этот угол полной поляризации удовлетворяет уравнению tgz = п, где п - показатель преломления отражающего вещества. В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с плоскостью главного сечения анализирующего кристалла. Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах, рассматривая двоякое Действие молекул кристалла на световые корпускулы.Он вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био обощил закон Лапласа на двухосные кристаллы. Aparo открыл явление хроматической поляризации в одноосных кристаллах, а также вращение плоскости поляризации в кварце. Био обнаружил хроматическую поляризацию в сходящихся лучах сначала в одноосных, а потом в двухосных кристаллах (1813–1814) В 1815 г. он открыл законы вращения плоскости поляризации. Область оптических явлений необычайно расширилась, и назрела потребность в единой теории, объясняющей все разнообразие явлений света. Такая теория совершенно неожиданно для современников и в особенности для парижских академиков была создана инженером Огюстеном Френелем. Неожиданность заключалась в том, что эта теория была волновой, казалось бы, полностью скомпрометированной открытием Малюса и последующими открытиями поляризационных явлений. Френель. Огюстен Жан Френель родился 10 мая 1788 г. в Нормандии в семье архитектора. Отличаясь слабым здоровьем, Френель учился с трудом, однако рано обнаружил технические способности и шестнадцати с половиной лет поступил в Политехническую школу. Оттуда он перешел в Школу мостов и дорог, по окончании которой работал по ремонту и прокладке дорог в Вандее и других округах франции. Не чувствуя в себе организаторских способностей, Френель тяготился своей работой и пытался отвлечься научными занятиями то в области философии и богословия, то в области техники и химии. Наконец, прочитав сообщение о мемуарах Био, посвященных поляризации, он заинтересовался этим явлением и начал заниматься оптикой. Но политические события: бегство Наполеона с Эльбы и его победа – привели к отставке роялиста Френеля. С апреля 1815 г. до нового назначения в декабре 1815 г. он напряженно занимался научной работой и 15 октября 1815 г. представил в Академию наук свой первый мемуар по дифракции света. За первым трудом последовал ряд других, стяжавших Френелю мировую славу. В 1823 г. он был избран членом Академии наук. Но уже в 1824 г. болезнь заставила Френеля отойти от научной деятельности. 14 июля 1827 г. он умер. В своем первом мемуаре о дифракции света, «в котором специально изучается явление цветных каемок, наблюдающихся у теней, отбрасываемых телами, освещенными светящейся точкой», Френель рассматривает дифракцию от проволоки и отражение и преломление света с точки зрения волновой теории. Он начинает с критики корпускулярной теории света Ньютона. Френель считает сомнительным отсутствие взаимодействия световых частиц среды, в которой свет распространяется. А между тем свет распространяется в воздухе почти с неизменной скоростью. Различие в цветах нельзя объяснить различием в скоростях частиц, и, следовательно, приходится допустить «такое же количество сортов световых частиц, сколько имеется цветов или различных оттенков в солнечном спектре». «Приступы легкого отражения и легкого прохождения почти что необъяснимы в системе Ньютона», – пишет далее Френель. Он указывает, что явление двойного преломления «заставило Ньютона допустить еще новую гипотезу, которая является весьма необычайной, а именно что световые частицы имеют полюсы...». Вот это обилие гипотез и заставляет Френеля сделать вывод, что «теория колебаний лучше подходит для объяснения всех этих (т. е. световых. – П. К.) явлений, чем теория Ньютона». Наиболее существенным возражением против волновой теории было прямолинейное распространение света. «Это возражение, – пишет Френель,– единственное, на которое мне кажется затруднительным дать исчерпывающий ответ, привело меня к изучению размытых теней». С изумительной изобретательностью и мастерством Френель ставит опыты по дифракции света. Он получает светящуюся яркую точку с помощью «весьма выпуклой линзы», в качестве которой он «использовал шарик меда, помещенный на небольшом отверстии, сделанном в медном листе. Освещенная этим шариком железная проволока, каемки которой я измерял, давала еще весьма четкие изображения, даже в том случае, когда она находилась на расстоянии только одного сантиметра от световой точки». Френель показал, что дифракционные полосы являются результатом интерференции лучей, идущих от краев проволоки: «каемки образуются в результате перекрещивания этих лучей». Он нарисовал картину волнового интерференционного поля и показал, что «ширины этих каемок, измеренные на различных расстояниях от проволоки, являются не ординатами прямой линии, а ординатами гиперболы, абсциссами которой являются эти расстояния ». Ньютон в одном из писем, рассматривая некоторые вопросы акустики, изобразил пересекающиеся системы волн, распространяющихся от двух одинаковых источников. Ту же картину изображает теперь Френель, но источниками волн у него служат края препятствия. Френель ясно видит стационарное распределение максимумов и минимумов волнового поля, расположенных на гиперболоидах вращения. Ньютон этой картины не увидел, хотя в «Началах» описывает случай погашения волнового движения другим, находящимся в противофазе. Френель в своих опытах измерил длины волн различных цветов по формуле у=bd/2c, где у - ширина полосы, b - расстояние от проволоки до экрана, с -ширина проволоки, d - длина волны. Принцип интерференции дал возможность Френелю объяснить законы отражения и преломления тем, что световые колебания погашают друг друга для всех направлений, кроме направлений, удовлетворяющих закону отражения или закону Снеллиуса – Декарта. Из своей теории Френель сделал вывод, противоположный выводу Ньютона, а именно «что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе». Опыты с кольцами Ньютона Френель воспроизвести не мог, не имея соответствующих линз. Однако в дополнениях ко второму мемуару, представленных в Академию наук 15 июля 1816 г., Френель уже описывает опыт с кольцами Ньютона и интерпретирует его в духе волновой теории. Здесь же он дает теорию интерференции в плоскопараллельных пластинках и выводит формулу для разности хода интерферирующих лучей, приводимую теперь во всех курсах физики (d = 2x cos i, где х -толщина пластинки, i - угол преломления). Наконец, в этом же дополнении он описывает свой классический опыт с зеркалами. Френель отмечает, что этот опыт удался ему лишь «после нескольких неудачных опытов». «Мимоходом замечу, – пишет он, – что лишь теория колебаний могла привести к идее постановки такого рода опыта. Этот опыт настолько труден, что почти невозможно, чтобы чистый случай на него натолкнул». Во втором мемуаре, опубликованном в мартовском номере «Анналов химии и физики», Френель воскрешает забытый принцип Гюйгенса: «Наиболее естественная гипотеза состоит в том, что молекулы тела, приведенные в колебание падающим светом, становятся центрами испускания новых волн». Дополняя принцип Гюйгенса принципом интерференции, Френель превращает геометрический принцип в физический и успешно решает с его помощью ряд дифракционных задач. Принцип интерференции, который Френель довольно неясно формулирует в своем первом мемуаре, был, как мы видели, уже сформулирован Юнгом, и Араго сказал об этом Френелю. Френель в своем письме к Араго от 23 сентября 1815 г. пишет, что он, не зная английского языка, не мог прочитать этой книги. Через месяц Френель сообщает Араго: «Очень простой эксперимент доказал мне, что световые лучи могут действовать друг на друга, ослабляться и даже почти совершенно погашаться, когда их колебания мешают друг другу, и, наоборот, добавляться и взаимно усиливаться, когда они колеблются согласно. На этом принципе я основываю мое объяснение дифракции». Френель совершенно независимо от Юнга пришел к принципу интерференции. Только от Араго он узнал о том, что то же самое открыл Юнг. Франсуа Доминик Араго (1786–1853) сыграл большую роль в развитии и пропаганде волновой теории. Он содействовал приезду Френеля в Париж в 1816 г., где в течение десяти месяцев Френель выполнял ряд опытов по дифракции и интерференции. В начале 1817 г. Парижская Академия наук предложила на премию задачу о дифракции, формулируя ее следующим образом: определить с помощью точных опытов все эффекты дифракции световых лучей, прямых и отраженных, когда они проходят одновременно или раздельно вблизи границ одного или нескольких тел, ограниченных или бесконечных, принимая во внимание расстояния между этими телами, равно как и расстояние до источника света, откуда исходят лучи; с помощью математической индукции вывести из этих опытов движения лучей при их прохождении вблизи тел». Сама формулировка задачи не оставляет сомнения, что авторы ее явно имели в виду корпускулярную теорию света. Их интересовала теория движений световых частиц вблизи самих дифрагирующих тел. Во взаимодействии световых корпускул с молекулами тел они усматривали «секрет физического процесса, благодаря которому лучи изгибаются и разделяются на различные полосы разного направления и интенсивности». Френель колебался, принять ли участие в конкурсе, но уговоры друзей и поддержка младшего брата фюльжанса, помогавшего ему в опытах, возымели свое действие. 20 апреля 1818 г. он представил в Академию наук в запечатанном конверте «Записку о теории дифракции». В первых же параграфах этой записки он показывает, что эмиссионная теория света не в состоянии объяснить явление дифракции. Молекулярные взаимодействия не распространяются на такие значительные расстояния, которые достигают полмиллиметра. Массы краев дифрагирующего тела не играют никакой роли; «...Нить и обушки бритвы дают совершенно одинаковые каемки». Френель описывает опыт с дифракцией света, проходящего между двумя близкими стальными пластинками, вертикальные края которых с одной стороны были острыми, а с другой – округленными. Он помещал острый край против закругления и наоборот и не заметил никакого изменения дифракционной картины: полосы были прямыми, как будто бы обе пластинки были обращены друг к другу одинаковыми краями. Из этого опыта следует, что явления дифракции совершенно необъяснимы с точки зрения эмиссионной теории. «Волновая теория, как мне кажется, наоборот, приводит к полному объяснению этих явлений при помощи принципа Гюйгенса, который можно сформулировать следующим образом: колебания световой волны в каждой из ее точек равны сумме всех элементарных движений, которые были бы посланы в один и тот же момент каждой действующей изолированной частью этой волны, рассматриваемой в каком-нибудь из своих предыдущих положений». Применяя свой расчет к случаю дифракции от края экрана, он находит «периодические изменения интенсивности света по мере того, как свет удаляется от края геометрической тени». Комиссия в составе Био, Араго, Лапласа, Гей-Люссака и Пуассона присудила премию мемуару под девизом «Natura simplex et fecunda» («Природа проста и плодотворна»), т. е. Френелю, написавшему этот девиз на конверте. При обсуждении работы возник следующий эпизод, описанный в докладе комиссии и прочитанный Араго: «Один из членов нашей комиссии – г-н Пуассон – вывел из сообщенных автором интегралов тот удивительный результат, что центр тени от круглого непрозрачного экрана должен бы быть таким же освещенным, как и в том случае, если бы экран не существовал, – это при условии, что лучи проникают в тень под малыми углами падения. Это следствие было проверено прямым опытом, и наблюдение полностью подтвердило данные вычисления». Расчеты Пуассона Араго проверил на опыте, превратив таким образом возражение Пуассона в убедительнейшее доказательство справедливости теории Френеля. Следует отметить, что свет в центре тени круглого экрана (шарика) наблюдал еще в 1715 г. Ж. Н.Делиль (1688-1768), бывший с 1726 по 1747 г. членом Петербургской Академии наук. Премированный мемуар Френеля о дифракции был в своей значительной части опубликован в двух статьях в «Анналах физики и химии» за 1819 г. Полностью он был напечатан в «Трудах Парижской Академии». Мемуар открывается рассмотрением двух систем, «которые до сего времени разделяли ученых в их воззрениях на природу света». Здесь интересен философский аргумент в пользу волновой теории, выраженный латинским эпиграфом «Природа проста и плодотворна» и принципом: природа создает максимум явлений при помощи минимума причин. Френель указывает, что хотя и «очень трудно открыть основания этой замечательной экономии», но этот «общий принцип философии физических наук... может направлять усилия человеческого ума». Конкретный материал мемуара Френеля очень богат. Он описывает опыты и измерения различных случаев дифракции и интерференции. При этом он постоянно обращает внимание на неудовлетворительность эмиссионной теории, на ее неспособность объяснить описываемые явления без противоречий и сомнительных допущений. Он показывает, что волновая теория легко объясняет эти явления путем суперпозиции волн, и выводит основную формулу интерференции: |