Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете

классическим методом демонстрации принципа интерференции.

Взяв на вооружение принцип интерференции, волновая теория

располагала теперь тремя принципами: принципом элементарных волн,

принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельных

принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом,

для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие, как для

Гюйгенса. В произвольной точке волны полный эффект представляет собой

алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной;

полная сумма всех этих импульсов, складывающихся согласно принципу

интерференции, может быть, в частности равна нулю. Френель произвел

такой расчет, хотя и не вполне строгим способом, и пришел к выводу, что

влияние сферической волны во внешней точке сводится к влиянию

небольшого сегмента волны, центр которой находится на линии,

соединяющей источник света с освещенной точкой; остальная часть волны

дает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке.

Тем самым было определено препятствие, стоявшее в течение веков на

пути утверждения волновой теории – согласование прямолинейного

распространения света с его волновым механизмом. Каждая точка вне волны

получает свет лишь от очень небольшой ее области, прилегающей к точке,

ближайшей к рассматриваемой; все происходит так, как если бы свет

распространялся по прямой линии от источника к освещенной точке.

Действительно, волны должны огибать препятствия, но это утверждение не

следует понимать грубо качественно, поскольку отклонение волны за

препятствием зависит от длины волны. Зная длину волны, можно

рассчитать, как и насколько отклонится свет за препятствием.

Рассматривая явление дифракции, Френель произвел такой расчет, и его

результаты прекрасно совпали с экспериментальными данными.

После нескольких лет перерыва в исследованиях Френель вновь излагает

свою теорию в обширном мемуаре о дифракции, представленном в 1818 г. на

конкурс Парижской Академии наук. Этот мемуар рассматривался комиссией,

состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей-Люссака. Трое первых

были убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей-

Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но

был известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля

можно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии со

здравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центре

геометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно

наблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого

круглого отверстия на определенном расстоянии легко вычисляемом

расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелю

доказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще это

выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После

этого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила ему

премию, а в 1823 г. он был избран ее членом.

После установления теории дифракции Френель перешел к исследованию

явления поляризации. Корпускулярная теория вынужденная для

интерпретации многочисленных явлений, открытых в первое пятнадцатилетие

XIX века, вводить одну за другой различные гипотезы, совершенно

необоснованные и порой противоречивые, к этому времени невообразимо

усложнилась. В своем опыте с двумя зеркалами, расположенными под углом,

Френель получил с помощью одного источника света два мнимых источника,

всегда строго когерентных. Он попытался также видоизменить этот прибор,

используя два луча, получающихся при двойном лучепреломлении одного

луча, и компенсируя надлежащим образом разносить оптических путей обоих

лучей. Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этих

поляризованных лучей.

Тот факт, что луч, поляризованный при отражении, обладает двумя

плоскостями симметрии, ортогональными друг другу и проходящими через

луч, мог натолкнуть на мысль о том, что колебания эфира происходят в

этих плоскостях перпендикулярно направлению луча. Эта идея была

высказана Френелю Ампером еще в 1815 г., но Френель не воспользовался

ею. Юнгу, едва лишь он узнал об опытах Френеля и Араго с поляризованным

светом, тоже пришла мысль о поперечных колебаниях, однако то ли из-за

неуверенности, то ли благоразумия он говорил об этом как о

«воображаемом поперечном движении», т.е. как о понятии чисто

фантастическом, - столь бессмысленными с механической точки зрения

представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира.

После того как в течение многих лет Френель пользовался языком

теории продольных колебаний, в 1821 году он, не найдя другого пути

интерпретации поляризованных явлений, решился принять теорию

поперечности колебаний. В том же году он пишет:

«Лишь несколько месяцев тому назад, размышляя с большим вниманием по

этому поводу, я признал весьма вероятным, что колебательные движения

световых волн осуществляются только в плоскости волн, как для простого,

так и для поляризованного света… Я постараюсь показать, что гипотеза,

которую я представляю, не содержит ничего физически невозможного и что

она уже не может служить для объяснения основных свойств

поляризованного света».

То, что эта гипотеза может объяснить основные свойства

поляризованного света, было детально показано Френелем; что же касается

того, что в этой гипотезе нет ничего физически невозможного, - это уже

совсем другое дело. Из поперечности колебаний следовало, что эфир,

будучи тончайшим и невесомым флюидом, должен одновременно быть

наитвердейшим телом, тверже стали, ибо только твердые передают

поперечные колебания. Эта гипотеза представлялась исключительно смелой,

почти безумной. Араго, физик явно не склонный к предрассудкам, тот

самый Араго, который был другом, защитником Френеля во всех случаях, не

нашел возможным разделить ответственность за эту странную гипотезу и

отказался подписать представленную Френелем статью.

Таким образом, с 1821 г. Френель продолжал свой путь в одиночку, и

это был путь, полный побед. Гипотеза о поперечности колебаний позволила

ему построить свою механическую модель света. Основой ее является эфир,

заполняющий всю Вселенную и пронизывающий все тела, причем эти тела

вызывают изменение механических характеристик эфира. Из-за этих

изменений, когда упругая волна переходит из свободного эфира в эфир,

содержащийся в веществе, на поверхности раздела часть волны

поворачивает обратно, а часть проникает в вещество. Тем самым было дано

механическое объяснение явления частичного отражения, остававшегося в

течение нескольких веков тайной для физиков. Выведенные Френелем

формулы, носящие теперь его имя, сохранили свой вид до наших дней.

Скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны, а

при заданной длине волны тем меньше, чем более преломляющей является

среда. Отсюда вытекают как следствие преломление света и его дисперсия.

В изотропных средах волны имеют сферическую форму с центром в точечном

источнике излучения; в анизотропных средах форма волны описывается,

вообще говоря, поверхностью четвертого порядка. В теории Френеля все

сложнейшие явления поляризации интерпретируются в удивительном согласии

с экспериментальными данными и предстают как частные случаи общего

закона сложения и разложения скоростей.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА.

РАБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА.

То, что все физические явления представляют собой лишь различные

проявления одной и той же сущности, или идея «единства физических сил»,

было основной философской предпосылкой физики прошлого века.

Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим в

работах одного из самых проницательных исследователей всех времен –

Майкла Фарадея (1791-1867). Какова связь между электричеством и

магнетизмом? Можно ли превратить одно в другое?

Другие физики тоже ставили перед собой эту проблему, которая

соответствовала общей тенденции науки того времени, тяготевшей к

унифицирующим теориям. Еще в 1812 г. Доменико Морикили (1773-1836) и в

1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно считали, что им удалось добиться

намагничивания под воздействием света. Но Фарадея убедили не опыты

Морикини, который продемонстрировал их специально в 1814 г. в Риме,

когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Большое

влияние на него оказали идеи Джона Гершеля, который в отклонении

магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию,

аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его

прохождении через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г.

и повторенные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действия

электрического поля на свет не дали желаемого результата. Оставив эти

попытки электрооптических исследований, Фарадей в 1845 г. приступил к

магнитооптическим опытам. После первых неудач, которые его, однако, не

обескуражили, он обнаружил новое явление. Параллелепипед из тяжелого

стекла (фингласа) был помещен между полюсами электромагнита и через

него пропускался поляризованный луч света параллельно силовым линиями

поля. При возбуждении электромагнита плоскость поляризации света

поворачивалась.

Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой

серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству»,

озаглавленной «Намагничивание света и освещение магнитных силовых

линий». Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многими

раскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовых

линий». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобы

пояснить и оправдать это выражение:

«Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет

испытал на магнитное действие , то есть что магнитному действию

подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее в

свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в

силе света»

Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некий

магнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более

непонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо по

теории Френеля, которая тогда глубоко укоренилась, свет не имел ничего

общего с магнетизмом.

Максвелл придерживался взглядов Фарадея относительно природы света.

«В различных местах этого трактата, - пишет Максвелл, приступая в ХХ

главе четвертой части своего «трактата о электричестве и магнетизме» к

изложению электромагнитной теории света, - делалась попытка объяснения

электромагнитных явлений при помощи механического действия,

передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей

пространство между этими телами. Волновая теория света также допускает

существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства

электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды…

Мы можем получить численное значение некоторых свойств среды,

таких, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее,

которая может быть вычислена из электромагнитных опытов, а также

наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что

скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и

скорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах,

мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать свет

электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и

электромагнитной очевидности даст такое же доказательство реальности

среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании

совокупности свидетельств наших органов чувств».

Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований

приходит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещения

распространяются с той же скоростью, что и свет, что и «представляет

собой подтверждение электромагнитной теории света», - уверенно

заявляет Максвелл. Затем Максвелл изучает более детально свойства

электромагнитных возмущений и приходит к выводам, сегодня уже хорошо

известным: колеблющийся электрический заряд создает переменное

электрическое поле, неразрывно связанное с переменным магнитным полем.

Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во времени в

любой точке пространства возникают электрические и магнитные колебания,

т.е. интенсивность электрического и магнитного полей периодически

изменяется; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно

перпендикулярно. Эти колебания распространяются в пространстве с

определенной скоростью и образуют поперечную электромагнитную волну:

электрические и магнитные колебания в каждой точке происходят

перпендикулярно направлению распространения волны.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА.

В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент

Гельмгольца, приступил к изучению теории Максвелла. В 1887 г. он

повторил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками. После

нескольких попыток ему удалось поставить свои классические опыты,

хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герц

экспериментально доказал (способом, который сегодня описывают во всех

учебниках), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны,

состоящие из двух колебаний – электрического и магнитного,

поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил также

отражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опыты

полностью объяснимы теорией Максвелла.

По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, но

им не удалось многого прибавить у уяснению сходства световых и

электрических волны, которую брал Герц (около 66 см.), они

наталкивались на явления дифракции, затемнявшие все другие эффекты.

Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров,

которые практически в те времена были нереализуемы. Большой шаг вперед

сделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощью созданного им

нового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько

сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Таким

образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью

приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих

оптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное

преломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. и

время от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся

в научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже

ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в

1897 г., одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи в

истории физики.

В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал работать в Московском

Страницы: 1, 2, 3, 4