Акустика и оптика

После утверждения волновой теории света расширилось и углубилось изучение колебательных и волновых процессов в природе, выросшее в XX в. в специальное физическое направление - физику колебаний, охватывающую с весьма общих точек зрения разнообразные механические, акустические, оптические, электромагнитные, атомные и космические процессы. В XIX в. полем деятельности этого направления были акустика и оптика, в которых и сформировалось учение о колебаниях и волнах.

Мы уже упоминали о теореме Фурье (1822 г.), имеющей огромное значение для всей физики колебаний. Как показал в 1893 г. Г. С. Ом, человеческое ухо способно анализировать сложные тоны и является естественным гармоническим анализатором.

В 1842 г. Допплер (1803-1853) открывает зависимость тона от скорости движения источника звука (акустический эффект Допплера).

Общее экспериментальное учение о волнах на воде и в воздухе было дано братьями Э. и В. Веберами в 1822 г. Математическую теорию колебаний мембран (1850 г.) и стержней (1858 г.) разрабатывал Г. Кирхгоф. В 1855 г. Лиссажу дал оптический метод наблюдения результатов сложения акустических колебаний (фигуры Лиссажу). Новый метод измерения скорости звука (возбуждением стоячих волн и образованием пыльных фигур в трубах) дал Кундт в 1866 г. С 1856 г. начинаются классические исследования Гельмгольца по физической и физиологической акустике, обобщенные в его основном труде "Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа теории музыки", первое издание которого вышло в 1863 г. Гельмгольц дает объяснение комбинационных тонов, открытых еще в 1740 г. Зорге, и показывает, что, кроме разностных тонов, открытых Зорге, существуют и суммовые тоны. Им создана теория звучащих труб, раскрыто значение тембра, дана теория речевого и слухового аппарата человека. Он произвел знаменитые опыты по анализу и синтезу гласных с помощью сконструированных им "резонаторов Гельмгольца".

Джон Уильям Рэлей

Теоретическую акустику и вместе с тем теоретические основы физики колебаний разработал Рэлей (1842-1919), первое издание классического труда которого "Теория звука" вышло в 1877-1878 гг. Как справедливо указывается в предисловии редактора ко второму, советскому изданию этого труда, "основное и непреходящее значение этой книги состоит в том, что она является первым развернутым и систематическим изложением общего учения о колебаниях".

К концу XIX в. начинает создаваться и техническая акустика. Этому способствовало создание аппаратов для воспроизведения и передачи человеческой речи: телефон - Рейс (1861 г.), Белл и Грэй (1875 г.), микрофон - Юз (1878 г.), фонограф - Эдисон (1877 г.).

Густав Роберт Кирхгоф

В России проблемы акустики разрабатывал Н. А. Гезехус (1845-1918), изучавший зависимость силы звука от расстояния, скорость распространения звука, звукопроводность, преломление звука в различных средах. Глубокое изучение акустических проблем было начато П. Н. Лебедевым и его учениками. Альтберг в 1907 г. получил ультраакустические колебания с частотой 340 000 гц. Давление акустических волн изучали Лебедев, Альтберг и Зернов. Оригинальный метод определения скорости звука, аналогичный методу Физо в оптике, был разработан по идее Лебедева А. Б. Млодзеевским. Н. П. Кастерин (1898 г.) открыл дисперсию звука в неоднородной среде, подтвердив свои расчеты непосредственным экспериментом. Лаборатория Лебедева явилась пионером и в исследовании ультраакустических процессов, получивших важное значение в XX в. Переходя к оптике, мы должны отметить прежде всего открытие Кирхгофом связи между поглощательной и испускательной способностью вещества. За ним последовало открытие Кирхгофом и Бунзеном спектрального анализа (1859 г.), положившее начало широкому развитию спектроскопии. Разрабатывается методика спектроскопических измерений в видимой, ультрафиолетовой (Шуман) и инфракрасной (Ланглей, Рубенс) частях спектра. Решетки с высокой разрешающей способностью изготовил Роуланд (1882 г.). Высоким достижением оптической техники явились интерферометры (Жамен - 1857 г., Майкельсон - 1881 г., Фабри и Перо - 1898 г.) и интерференционные спектроскопы большой разрешающей силы (пластинка Люммера и Герке, эшелон Майкельсона). Стоячие световые волны были получены Винером в 1890 г. Майкельсон и Бенуа (1894 г.), а затем Фабри и Перо (1899 г.) провели сравнение метра с длиной световых волн. Из других достижений экспериментальной оптики отметим открытие и исследования аномальной дисперсии (Леру - 1862 г., Христиансен - 1870 г., Кундт - 1871 г.), открытие двойного лучепреломления под действием электрического поля (Керр - 1875 г.), открытие тем же Керром изменения поляризации при отражении от намагниченных поверхностей и более раннее открытие Фарадеем вращения плоскости поляризации в магнитном поле (1845 г.), исследованное Верде в 1863 г. Практическая оптика получила широкое развитие в трудах Э. Аббе, работавшего совместно с мастером К. Цейсом на заводе Цейса. Аббе и Гельмгольц установили границы разрешающей способности оптических приборов. Изобретением глазного зеркала (1851 г.) Гельмгольц начал исследования по физиологической оптике, обобщенные в труде "Руководство по физиологической оптике", первое издание которого выходило отдельными выпусками с 1856 по 1867 гг. Наконец, следует отметить развитие фотографии, открытой Ньепсом, Дагером и Тальботом между 1829-1839 гг., а также изучение люминесценции Стоксом (1852 г.) и фосфоресценции Э. Беккерелем (1859 г.). Из теоретических работ укажем на теорию аномальной дисперсии Зеллмейера (1871 г.) и Гельмгольца (1874 г.), работы Кирхгофа по принципу Гюйгенса (1882 г.), работы Рэлея по выяснению понятия групповой и волновой скорости, работы Гуи, Рэлея и Шустера по природе белого света. Но самым важным достижением теории света было создание электромагнитной теории света и последовавший затем синтез электродинамики и оптики. Об этом мы будем говорить'в следующем разделе.