4. История развития представлении о природе света

Размышлять о природе света начали еще в древние времена. Первые гипотезы были наивны и туманны. Так, Аристотелю приписывают утверждение, что свет есть нечто, исходящее из глаз. Лучи света как бы ощупывают предметы, доставляя наблюдателю информацию об их форме и качестве. Естественно, возникал вопрос, почему же в таком случае человек не видит в темноте.

В школе Пифагора утверждали, что лучи Солнца "проникают через густой и холодный эфир". Впервые появляется мысль о том что свет каким-то образом передается материальной средой - эфиром.

Независимо от гипотез о происхождении света развивалась геометрическая оптика.

До второй половины XVII в. оптика представляла, по существу, один из разделов геометрии. Световой луч - прямая линия и светящаяся точка - начало этой линии. Далее были установлены законы отражения и преломления света. Первый был известен еще в Древней Греции. Закон преломления света открыли независимо друг от друга голландский ученый Виллеброд Снеллиус (1591-1626) и французский ученый Рене Декарт (1596-1650).

В эпоху Возрождения оптика входит В практику, становится жизненно важной областью физики в связи с созданием подзорной трубы (1609) и микроскопа (1637).

Усовершенствованием оптических приборов занимаются естествоиспытатели разнообразных научных направлений. Создание рациональных конструкций оптических приборов требовало устранения сферических и хроматических аберраций. Исследование последних и явилось началом развития физической оптики.

Сравнение расчетов оптических приборов с опытом ясно показало недостаточность принципов геометрической оптики для правильного описания и объяснения распространения света.

Первой проблемой физической оптики была проблема цветности световых лучей. До XVII в. естествоиспытатели, следуя традиции Аристотеля, считали, что цвета являются результатом смешения света с темнотой в разных пропорциях. Были также известны призматические цвета. Появление их относили или за счет каких-то особенностей источника света, или за счет особых свойств тела, имеющего данный цвет.

Чешский естествоиспытатель Мариус Марии де Кронланд указал, что проблему можно решить, разгадав происхождение призматических цветов. Он впервые высказал правильную мысль, что "различные виды призматических цветов являются частями с различными преломлениями", однако дальше он не пошел.

Еще более трудная проблема физической оптики возникает во второй половине XVII в. В 1655 г. в Болонье был напечатан трактат иезуита Франческо Мария Гримальди, в котором было впервые описано явление диффракции света. В темную комнату сквозь узкое отверстие был пропущен солнечный свет. В световой конус Гримальди поместил палку и наблюдал характер тени на белом экране. Образовалась картина, которая свидетельствовала о том, что лучи света могут отклоняться от прямолинейного распространения. Варьируя условия опыта, Гримальди нашел, что это новое физическое явление, и назвал его диффракцией.

Проблема цвета, связанная с ней проблема совершенствования оптических инструментов, необходимость объяснения явления диффракции - все это настоятельно требовало создания действенной системы оптических представлений, определенных гипотез о природе света. Назрела необходимость построения физической основы оптики.

Волновая теория света. Наблюдение явлений диффракции навело на мысль о световых волнах. В 1665 г. Гримальди писал: "Подобно тому, как вокруг камня, брошенного в воду (как вокруг центра), образуются круговые возвышения воды, точно так же вокруг тени непрозрачного предмета возникают блестящие полосы, которые соответственно форме последнего либо распространяются в длину или же изгибаются дугообразно. Далее, подобно тому, как те круговые волны представляют простое скопление воды, вокруг которого с обеих сторон тянется углубление, так и блестящие полосы суть не что иное, как свет, распределенный, неравномерно вследствие сильного рассеяния и прорезанный теневыми промежутками". Здесь не сформулировано волновой гипотезы, сделан лишь робкий намек, проведена аналогия; но это было хорошим стимулирующим началом.

Дальше Гримальди идет Гук. На одном из заседаний Лондонского Королевского общества в 1675 г. он заявил: "Свет есть колебательное или дрожательное движение среды, происходящее вследствие подобного же движения светящегося тела, подобно звуку, который всегда объясняется дрожанием среды, проводящей его, получающимся от дрожательного движения звучащего тела. Как в звуке пропорциональные колебания производят различные гармонии, так же и в свете получаются различные странные и приятные цвета посредством смешения пропорциональных и гармоничных движений. Одни ощущаются ухом, другие глазом".

Мысль об аналогии световых и звуковых явлений мелькает у древних и в эпоху Возрождения. Гук, однако, обогащает аналогию света и звука намеком на связь цветов с колебательными ("пропорциональными и гармоничными") движениями, намеком на периодичность света. Мысль в высшей степени плодотворна, но Гук ее не развивает.

Дальнейшее развитие волновая гипотеза получила в "Трактате о свете" Христиана Гюйгенса (1629-1695). В этой небольшой книжке, вышедшей в 1690 г., содержится вошедшее в физику под названием принципа Гюйгенса предположение о механизме распространения света. Светящийся предмет, так же как и звучащее тело, приводит в движение окружающую среду, и это движение "распространяется так же, как и при звуке, сферическими поверхностями и волнами". Принцип формулировался так.

"Каждая частица вещества, в котором распространяется волна, сообщает свое движение не только ближайшей частице, лежащей на прямой, проведенной от светящейся точки, но и необходимо сообщает его также всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой она является".

Итак, свет, по Гюйгенсу, - это распространение импульсов, возбуждаемых светящимся телом в упругом эфире.

Гипотезы Ньютона и их развитие. Фундамент учения о свете заложил Исаак Ньютон. В 1672 г. Ньютон прислал секретарю Лондонского Королевского общества Ольденбургу письмо, в котором высказал намерение сделать сообщение на еженедельном заседании Общества "Об одном философском открытии". Письмо кончалось так. "По моему суждению, это страннейшее, если не самое значительное открытие, которое когда-либо делалось в отношении действий природы".

Серией в высшей степени убедительных экспериментов Ньютон устанавливает следующие фундаментальные факты оптики.

1. Причина цветов находится не в телах, а в свете; цвета являются прирожденными свойствами света.

2. Показатель преломления находится в строгой зависимости от цвета луча.

3. Принцип неизменности простого цвета.

"Вид окраски и степень преломляемости, свойственные какому-либо роду лучей, не могут быть изменены ни преломлением, ни отражением от тел, ни какой-либо иной причиной..." (принцип неизменности простого света).

Данная Ньютоном "анатомия света" сыграла огромную роль в дальнейшем развитии оптики. Она послужила базой для выяснения природы света.

У Ньютона мы впервые встречаем своеобразный синтез волновой и корпускулярной картины. В "Оптике" он дает следующую модель: эфир заполняет промежутки между "грубыми частицами" тела. Если на тело падает свет - поток световых корпускул, то в эфире возбуждаются волны, распространяющиеся со скоростью, несколько большей скорости корпускул. Обгоняя корпускулы, волны подводят- к "грубым частицам" то "фазу расширения", то "фазу сгущения", вызывая этим "приступы" поочередно следующих друг за другом прохождений и отражений.

Опираясь на своеобразную корпускулярно-волновую гипотезу, Ньютон объясняет механизм преломления и отражения света. Ньютон считал, что ни волновая, ни корпускулярная гипотезы не отражают всего богатства оптических явлений.

В своей книге "Оптика" Ньютон спрашивает: "Не производят ли лучи различных сортов колебания различной ширины, так что эти колебания, смотря по ширине, возбуждают ощущения различных цветов почти так же, как воздушные колебания вызывают ощущения различных звуков, смотря по их ширине". Эта аналогия дает представление о механизме распространения света в веществе с помощью волновой гипотезы.

Но далее в этой же книге развивается уже корпускулярная гипотеза. "Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами" - спрашивает Ньютон и объясняет с помощью корпускулярной гипотезы прямолинейность распространения света, двойное лучепреломление.

"Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое переходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, между же возвращениями - к легкому отражению".

Цвета тонких пластинок, ньютоновские кольца, дифракционные явления требовали признания волнового элемента в световых лучах. Одна корпускулярная гипотеза не давала возможности интерпретировать эти явления. В то же время и волновая гипотеза не справлялась с целым рядом фактов (прямолинейность распространения, поляризация), приходилось прибегать к корпускулярным представлениям.

Принимая ту и другую гипотезу, Ньютон одновременно подчеркивал недостаточность гипотез вообще, их подчиненное положение по отношению к опытным фактам.

Дальнейшее развитие волновой оптики. В области оптики после Ньютона не происходит больших событий вплоть до конца XVIII в. Исследователи заняты в основном освоением наследства, оставленного Ньютоном, и совершенствованием инструментальной оптики. Следует отметить лишь, что в середине века трудами П. Бугера и И. Г. Ламберта создается фотометрия.

В оптических воззрениях XVIII в. господствует корпускулярная гипотеза. Однако имеется и сильная оппозиция ньютоновским тенденциям. М. В. Ломоносов и Л. Эйлер подвергают резкой критике корпускулярную гипотезу.

Развивая воззрения Гюйгенса и Гука, Эйлер последовательно проводит аналогию между светом и звуком: звук распространяется в воздухе, свет - в эфире продольными волнами. Однако в отличие от Гюйгенса, Эйлер вводит в волновую оптику ее важнейший элемент - представление о периодичности света.

Цветность светового луча, по Эйлеру, определяется длиной его волны. Цвета тел являются результатом вибрации частиц тела под действием падающего света. Опираясь на эти представления, Эйлер развивает качественную теорию оптических явлений.

Наряду с теоретическими конструкциями к концу XVIII в. появляются экспериментальные факты, тесно связанные с решением вопроса о природе света. В 1791 г. аббат Прево устанавливает общность свойств тепловых и световых лучей, Вильям Гершель (1738-1822) в 1800 г. открывает инфракрасные лучи по их тепловым действиям, а Иоганн Риттер - ультрафиолетовые лучи по их химическим действиям. Далее выясняется, что невидимые излучения по своим свойствам тождественны свету.

Напомним, что к этому времени уже известны тепловые и световые действия электричества. Обнажаются, таким образом, поразительные связи явлений. Они заставляют естествоиспытателей размышлять об общности тепла, света и электричества.

В конце XVIII в. А. Лавуазье высказал гипотезу, что в "природе существует особое вещество, производящее то явление, которое мы называем светом", и приписал это вещество к числу химических элементов.

Однако корпускулярная гипотеза не давала пищи для таких размышлений. Представление о свете как о потоке корпускул изолировало световые явления от химических и электрических явлений. В то же время гипотеза эфира давала простор для теоретических построений, способных учесть связи между физическими явлениями. Не случайно физики снова обращаются к идее связи света и электричества.

В 1801 г. Томас Юнг (1773-1829) формулирует гипотезу о том, что светящееся тело возбуждает колебательные движения в эфире; ощущение цветов зависит от частоты колебаний, возбужденных светом на сетчатке.

Юнг вводит понятия частоты колебаний и длины волны, устанавливает соотношение между ними и скоростью распространения волны:

Он дает первые вычисления длин волн, определяя крайние границы видимого спектра.

Однако самым важным вкладом Юнга в оптику, обеспечившим победу волновых представлений, было открытие принципа интерференции. Изучая звуковые волны и волны на поверхности воды, Юнг убеждается в аналогии свойств этих волновых движений со свойствами света. К открытию явления интерференции приводит его наблюдение над водяными волнами (1801).

"Предположим,- пишет Юнг, - что некоторое число одинаковых волн' воды движется на поверхности стоячего озера с некоторой постоянной скоростью и входит в узкий туннель, идущий от озера; предположим затем другую подобную причину, возбуждающую другую серию одинаковых волн, которая достигает того же туннеля с той же скоростью, в то же время, что и первая. Или одна серия волн будет разрушать другую, или их действие будет комбинироваться; если они вступят в туннель таким способом, что пучность одной серии совпадает с пучностью другой, то они должны вместе произвести серии больших соединений пучностей; но если пучность одной серии окажется соответствующей впадине другой, они должны точно наполнять эти впадины, и поверхность воды должна оставаться гладкой". Это представление Юнг переносит на световые волны: "В настоящее время я думаю, - пишет он, - что подобные эффекты имеют место и в том случае, когда две порции света смешиваются подобным образом; и это я называю общим законом интерференции света".

Наиболее отчетливая формулировка принципа интерференции выглядит у Юнга следующим образом:

"Всякий раз, когда две порции одного и того же света достигнут глаза различными путями или точно, или приблизительно одинакового направления, свет становится более интенсивным, если разность путей есть кратное некоторой длины, и менее интенсивным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов",

Юнг ставит серию экспериментов для утверждения принципа интерференции. Трудно было изменить привычным корпускулярным представлениям. "Вот бесспорно самая странная из гипотез! - писал Араго. - Неожиданностью было видеть ночь среди ясного дня в точках, которых свободно достигали солнечные лучи, но кто бы мог подумать, что свет, слагаясь со светом, может вызвать мрак".

Юнг убедительно продемонстрировал эффективность принципа интерференции в объяснении оптических явлений.

Введение представления о поперечности световых волн. В 1818 г. французский физик Огюстен Френель (1788-1827) представил во Французскую академию "Мемуар о дифракции света", в котором высказал плодотворную идею соединить принцип интерференции Юнга с принципом Гюйгенса. Эта идея позволила построить первую количественную теорию диффракционных явлений. Однако начиная еще с 1808 г. развиваются события, которые заставляют усомниться в преимуществе волновой теории по сравнению с корпускулярной.

В конце 1808 г. Малюс открывает новый оптический факт - поляризацию света при отражении. Араго в 1811 г. устанавливает возможность вращения плоскости поляризации, а Био в 1813 г. описывает явление хроматической поляризации. Наконец, Френель в 1816 г. ставит ряд экспериментов, обнаруживающих, в частности, что интерференция поляризованных лучей происходит только при параллельном расположении плоскостей поляризации. Эти факты никак не укладывались в рамки волновой теории, в которой волны в эфире предполагались аналогичными звуковым, т. е. продольными. Особенно явно противоречил этому представлению последний факт, установленный Френелем. Действительно, для осуществления интерференции поляризованных лучей нужно, чтобы колебания эфира совершались в одном и том же направлении, но это противоречит самому существу интерференции.

Поляризационные явления вели к гипотезе о поперечности световых волн. К концу XIX в. кристаллизовалось представление о свете, как поперечных электромагнитных волнах. Следующий шаг к раскрытию природы света принадлежит квантовой теории (см. раздел 6. История изучения фотоэффекта, настоящего издания).