Развитие взглядов на природу света

Первые представления о природе света, возникшие у древних греков и египтян, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов развивались и трансформировались.

В Средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. 3. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде sin а/sin р = const принадлежит Р. Декарту (1637). Он же попытался объяснить этот закон, исходя из корпускулярной теории. Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660) был завершен фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, X. Гюйгенса.

В конце XVII в. на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света - корпускулярная (Ньютон - Декарт) и волновая (Гук - Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет - корпускулы, испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света (рис. 1.1.14).

Рис. 1.1.14

Рис. 1.1.15

Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света

_ sin а и

в веществе больше скорости света в вакууме: -= — = п.

sin р с

Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 1.1.15), т. е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.

В то же время, в XVII в. (наряду с концепцией Декарта - Ньютона) развивалась противоположная, волновая, теория Гука - Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде, пронизывающей все тело, - в мировом эфире.

К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение вещей. И та, и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.

Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.

Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике:

  • • 1801 г. - Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объясняет цвета тонких пленок.
  • • 1818 г. - О. Френель объясняет явление дифракции.
  • • 1840 г. - О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.
  • • 1841 г. - О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.
  • • 1849 г. - А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды л = 1,33, что совпало с экспериментом.
  • • 1848 г. - М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).
  • • 1860 г. - Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.
  • • 1888 г. - Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света.
  • • 1899 г. - П.Н. Лебедев измерил давление света.

Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, т. к. в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет - частный случай электромагнитной волны с к = 400...760 нм. Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные, и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.

Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.

В 1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предположить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией Е0 = hv, где v - частота, h - постоянная Планка.

В 190$ г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах - квантах света, фотонах, масса которых

Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения, массу и энергию кванта, с волновыми - частотой и длиной волны.

Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики.

Итак, обе теории - и волновая, и квантовая - одновременно развивались, имея свои несомненные достоинства и недостатки, и как бы дополняли друг друга. Ученые уже начали приходить к мнению, что свет является одновременно и волнами, и корпускулами. И вот в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал, что рентгеновские электромагнитные волны - одновременно и корпускулы (фотоны, кванты), и волны.

Таким образом, длительный путь исследований привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.

Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80 % информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие как интерференция, дифракция, поляризация и др., в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и точности теоретических представлений.

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях.

Наиболее важное событие в современной оптике - экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул - создание оптического квантового генератора (лазера) (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс, 1954).

В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >