История изучения света

ОТКРЫТИЕ ДИСПЕРСИИ И ДИФРАКЦИИ (оптика второй половины XVII века)

К середине XVII века накопились факты и наблюдения, выходившие за рамки геометрической оптики: впервые высказанная Пифагором, оформилась корпускулярная теория , согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом; с другой стороны, последователи Аристотеля и Декарта рассматривали свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.

Указанием на волновую природу света стало явление, подробно описанное итальянцем Гримальди . Он заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление он назвал дифракцией , но объяснить правильно не сумел.

Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, подобным всем хорошо знакомой ряби на воде или звуковым колебаниям, причем впервые предположил, что различным цветам соответствуют различные длины волн , подобно музыкальным звукам.

Франческо Гримальди (1618 - 1663) - итальянский ученый. Родился в Болонье, где в 1637-45 изучал философию, риторику, теологию. В 1647 получил степень доктора, был преподавателем (сначала философии, а затем математики) Болонской иезуитской коллегии. В 1651 стал священником. Основное сочинение Гримальди - “Физическая наука о свете, цветах и радуге” - вышло в свет в 1665, уже после его смерти. Открыл дифракцию света и тщательно ее изучал. В своем сочинении подробно описал явления распространения света, отражения, преломления, дифракции, видения, изложил свои представления (правда, противоречивые) относительно природы света, разработал теорию цветов, считая цвет “модификацией света”. Описал солнечный спектр, полученный с помощью призмы. Возможно, Гримальди наблюдал и интерференционные полосы в опыте с двумя отверстиями, однако классическое описание этого эффекта появилось лишь через 150 лет в работах Томаса Юнга.

НАЧАЛО КРИСТАЛЛООПТИКИ. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА (оптика второй половины XVII века)

Распространение света в природных кристаллах наблюдалось на протяжении многих веков. В отличие от всех жидкостей и аморфного стекла, кристаллы представляют собой анизотропную среду , физические свойства которой неодинаковы в различных направлениях. В 1669 году датский ученый Бартолиниус обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Бартолиниус не только открыл двулучепреломление , но и дал его полное описание, положив начало кристаллооптике . Затем это явление исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.

В ставшем знаменитом “Трактате о свете”, вышедшем в 1690 г., Гюйгенс изложил свою волновую теорию света (световые возбуждения являются упругими импульсами в эфире), исследования по кристаллооптике, а также первое описание явления поляризации света. Здесь же сформулирован знаменитый принцип Гюйгенса , согласно которому каждый элемент волны считается центром вторичных волн и прямолинейное распространение света является следствием огибающей вторичных волн, как в прямом, так и в отраженном свете. Для объяснения двулучепреломления Гюйгенс вел понятие сфероидных волн , а также математически показал, каким образом волновая теория света объясняет дифракцию и цвета тонких пленок. Однако в XVII веке победил авторитет Ньютона и волновая теория должна была ожидать своего часа более чем сто лет.

Христиан Гюйгенс (1629 - 1695) - голландский физик, механик, математик и астроном. Родился в Гааге. Учился в университетах Лейдена (1645- 47) и Бреда (1647-49). В 1665-81 жил в Париже, был избран членом Парижской Академии наук, с 1681- снова в Гааге. Физические исследования в области механики, оптики, молекулярной физики. В 1678 в мемуарах, представленных в Парижскую Академию наук, разработал волновую теорию света (опубликована в “Трактате о свете” в 1690). Объясняя механизм распространения света, выдвинул известный принцип, названный впоследствии его именем. Изучал также двулучепреломление , с большой точностью измерил геометрические характеристики исландского шпата, в котором наблюдалось это явление, и обнаружил его в кристаллах кварца. Ввел понятие “ ось кристалла ”. Открыл в 1678 поляризацию света. Работал над усовершен-ствованием объективов, сконструировал использующийся и поныне окуляр Гюйгенса .

ВОЛНЫ ИЛИ КОРПУСКУЛЫ ? (оптика конца XVII века)

Вообще, оптические дискуссии конца XVII века проходили под знаком соперничества волновой теории Гука и корпускулярной теории сэра Исаака Ньютона .

Изучая явление дисперсии , Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным и представляет собой сумму простых цветных лучей. По Ньютону призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью. Что касается дифракции , то захождение лучей в область геометрической тени объяснялось притяжением между частицами, из которых состоит экран, и “атомами света”. Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света, изучая темные и светлые кольца, которые видны при освещении монохроматическим светом зазора между линзой и пластинкой. Это так называемые кольца Ньютона . Для их объяснения пришлось предположить, что в одних местах световые частицы испытывают “приступы легкого отражения”, а в других – “приступы легкого преломления”.

Исаак Ньютон  (1643 - 1727) - выдающийся английский ученый, заложивший основы современного естествознания, создатель классической физики, член Лондонского королев-ского общества (1672), его президент с 1703 года. Родился в Вулсторпе. Окончил Кембриджский университетт (1665). В 1669-1701 возглавлял в нем кафедру. С 1695 - смотритель, с 1699 - директор Монетного двора. Работы относятся к механике, оптике, астрономии, математике. Создал огромный труд “Математические начала натуральной философии”, изданный в 1687 году. Оптические исследования изложил в “Оптике ” (1704). В 1666г. при помощи трехгранной стеклянной призмы разложил солнечный свет на семь цветов (в спектр ), а затем соединил их снова, получив исходный белый свет.

Открыл хроматическую аберрацию и, пытаясь ее избежать сконструировал телескоп-рефлектор оригинальной системы. Исследовал интерференцию и дифракцию света, изучая цвета тонких пленок, открыл так называемые кольца Ньютона , установил закономерности в их размещении, высказал мысль о периодичности светового процесса. Пытался объяснить двулучепреломление и близко подошел к открытию явления поляризации . Свет считал потоком корпускул , однако на разных этапах рассматривал возможность существования и волновых свойств света, в частности, в 1675 предпринял попытку создать компромиссную корпускулярно-волновую теорию света.

ТЕОРИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ ТОМАСА ЮНГА (начало XIX века)

Начиная с XIX века взгляды ученых-оптиков постепенно склоняются в пользу волновой теории света. Уже известные кольца Ньютона, цвета тонких пленок и ряд эффектов, говорящих о неаддитивности освещенности от нескольких источников, весьма смутно объяснялись корпускулярной теорией. В первую очередь благодаря работам Томаса Юнга появляется теория интерференции как явления перераспределения световой энергии в пространстве. При соблюдении некоторых условий ( когерентность источников ) суммарная интенсивность в данной точке может оказаться вдвое больше суммы интенсивностей от двух одинаковых источников света, причем в соседней точке она может оказаться нулевой. Ставший классическим интерференционный опыт Юнга с двумя щелями позволил впервые оценить длину световой волны .

Томас Юнг (1773-1829) - английский ученый, один из создателей волновой оптики, член королевского научного общества (1794), в 1802-29 - секретарь. Родился в Милвертоне. Учился в Лондонском, Эдинбургском и Гёттингенском университетах, где сначала изучал медицину, но потом увлекся физикой, в частности, оптикой и акустикой. В последние годы жизни занимался составлением египетского словаря. Работы относятся к оптике, акустике, теплоте, механике, математике, астрономии, геофизике, филологии, зоологии. Однако в истории науки наиболее известен как физик. В теории упругости Юнгу принадлежат исследования деформации сдвига, в 1807 году ввел характеристику упругости - модуль растяжения ( модуль Юнга ). Наиболее существенны исследования Юнга по оптике. Он впервые объяснил (1793) явление аккомодации глаза изменением кривизны хрусталика. В трактате “Опыты и проблемы по звуку и свету” (1800) выступил в защиту волновой теории света и предложил принцип суперпозиции волн . В 1801году первым объяснил явление интерференции света, ввел термин “ интерференция ” (1803) и объяснил кольца Ньютона. Выполнил также первый демонстра-ционный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив два когерентных источника света (1802). Этот опыт Юнга стал классическим, как и известный опыт Френеля. В 1803 году предпринял попытку объяснить дифракцию света от тонкой нити, связывая ее с интерференцией, открыл интерференцию ультрафиолетовых лучей, показал, что при отражении луча света от более плотной среды происходит потеря полуволны . Разрабатывал теорию цветового зрения. В й803 году измерил длины волн разных цветов, получил для длины волны красного света значение 0,7 микро-метра, для фиолетового - 0,42 микрометра. Высказал (1807) мысль, что свет и лучистая теплота отличаются друг от друга только длиной волны, в 1817 году выдвинул идею поперечности световых волн .

ТЕОРИЯ ДИФРАКЦИИ ОГЮСТА ФРЕНЕЛЯ (начало XIX века)

Настоящий триумф волновой теории света наступил после серии блестящих работ Огюста Френеля , в которых дополненные интерференцией вторичных волн положения Гюйгенса ( принцип Гюйгенса-Френеля ) позволил развить первую феноменологическую теорию дифракции . Метод разбиения волнового фронта вторичных источников на полуволновые зоны ( зоны Френеля ) оказался весьма продуктивным при анализе картин дифракции от щели, круглого отверстия, резкого края и т.п. Френель предложил для изображения амплитуд вторичных волн пользоваться векторными диаграммами на комплексной плоскости. При обсуждении мемуара Френеля академик Пуассон указал, что по Френелю в центре геометрической тени непрозрач-ного диска должно наблюдаться светлое пятно ( пятно Пуассона ), что казалось абсурдным. Вскоре, однако, другой академик, Араго поставил соответствующий опыт, и теория дифракции полностью подтвердилось.

Поляризационные исследования Френеля доказали поперечность световых волн, формулами Френеля для отраженной и преломленной волн пользуются и сегодня, а изобретенная им плоская линза Френеля является обязательным элементом всех проекционных систем.

Огюстен Жан ФРЕНЕЛЬ (1788-1827) - французский физик, член Парижской академии наук (1823) и Лондонского королевского общества (1825). Родился в Брольи. Окончил Политехническую школу (1806) и Школу мостов и дорог (1809) в Париже. Работал инженером по ремонту и строительству дорог в различных департаментах Франции, с 1817 - в Политехнической школе. Работы посвящены физической оптике, наряду с Юнгом является создателем волновой оптики. Еще в 1811 году под влиянием Малюса стал самостоятельно изучать физику и вскоре начал экспериментальные исследования по оптике. Дополнил известный принцип Гюйгенса, введя (1816) представление о когерентности элементарных волн и их интерференции ( принцип Гюйгенса -Френеля ). Исходя из этого, разработал в 1818 году теорию дифракции света . Впервые рассмотрел дифракцию от резкого края и круглого отверстия. Выполнил опыты с бизеркалами (1816) и бипризмами (1819) по интерференции света, ставшие классическими. Исследовал интерференцию поляризованных лучей . Доказал в 1821 году поперечность световых волн (к идее поперечности пришел в 1819 независимо от Юнга ). Открыл в 1823 году эллиптическую и круговую поляризации света. На основе волновых представлений объяснил хроматическую поляризацию и вращение плоскости поляризации света, двулучепреломление . Установил (1823) законы отражения и преломления света на плоской неподвижной поверхности раздела двух сред ( формулы Френеля ). Изобрел ряд интерференционных приборов ( зеркала Френеля , бипризма Френеля, линза Френеля ). Исследовал проблему о влиянии движения Земли на оптические явления, положив начало оптике движущихся тел . Высказал мысль о частичном увлечении эфира и вывел коэффициент увлечения света движущимися телами. Однако эти его выводы получили свое объяснение лишь в теории относительности.