Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики

После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается  на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое, определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться “ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной”,– писал Ньютон.

Это открытие произвело большое  впечатление. В XVIII в. французский поэт Дювард писал: “Но что это? Тонкая сущность этих лучей не может изменяться по своей природе! Никакое искусство не в состоянии его разрушить, и красный или синий луч имеет свою окраску, побеждая все усилия”.

Таким образом, простые лучи являются неизменными. Они представляют, можно сказать, атомы света, подобно атомам вещества. Этот вывод казался в хорошем согласии с корпускулярной теорией света. Действительно, неизменные атомы света, простые лучи, являются потоком и однородных частиц, которые, попадая в наш глаз, вызывают ощущение определенного цвета. Смесь же разнородных световых частиц является белым светом. При прохождении через призму белый свет разлагается. Призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью.

Открытие дисперсии  было расценено Ньютоном и большинством его современников и последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света.

С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световой волны, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении и преломлении период остается неизменным.

Таким образом, с точки  зрения волновой теории понять открытие Ньютона в то время было почти  невозможно. И не случайно Гюйгенс  в своей работе, о которой мы говорили выше, совсем обошел вопрос о  дисперсии света, хотя в 1690 г., когда  была опубликована его книга, он уже знал о работах Ньютона по оптике.

Итак, Ньютон встал на точку зрения корпускулярной теории света, на основе которой было легко  понять открытое им явление дисперсии  света. Но ведь, спросите вы, к этому  времени были уже известны явления из области волновой оптики – интерференция и дифракция. 3анимаясь исследованиями по оптике, Ньютон не мог пройти мимо них и должен был столкнуться с задачей объяснения этих явлений на основе корпускулярной теории.

И действительно, Ньютон не забыл об этих явлениях и попытался дать им объяснение. Что касается явления дифракции, то он более или менее легко, как казалось, справился с указанной задачей. Когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит экран, и световыми лучами (атомами света) действуют силы притяжения. Вследствие этого лучи заходят в область геометрической тени.

Приведенное объяснение было, конечно, неверным. Но в то время, когда явление дифракции было еще недостаточно изучено, такое  объяснение казалось убедительным.

Труднее обстояло дело с  объяснением явления интерференции. Его уже начали изучать. И сам  Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

Ученый собрал специальную  установку для изучения этого  яв-ления. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластинку и наблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластинки монохроматическим светом. Это так называемые кольца Ньютона.

Как можно объяснить появление  этик колец с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра либо отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.

Но почему же на одних расстояниях  от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи (световые частицы) испытывают “приступы легкого отражения”, а в других – “приступы легкого преломления”. Но почему это происходит, ученый не мог сказать.

Объяснение кольцам Ньютона  было дано в начале XIX в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом мы скажем позеже. После Ньютона  корпускулярная теории света становится общепризнанной. В течение всего XVIII в. ее придерживались почти все физики.  

 

РАЗВИТИЕ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ СВЕТА  

 

Возрождение волновой теории света 

Как мы сказали выше, после работ  Ньютона среди ученых держалось  твердое убеждение в справедливости корпускулярной теории света. Однако все  же и в XVIII в. были ученые"которые возражали против этой теории. Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

Ломоносов считал, что свет – это  распространяющееся колебательное  движение частиц эфира, т. е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающей поры весомых тел.

Против корпускулярной теории света, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через  прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет  Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи пучков света будут пересекать друг друга и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь, световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу.

Из изложенного видно, что Ломоносов  уже подходил к пониманию явления  интерференции.

Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.

В конце XVIII в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг (1773 – 1829). Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень просто можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. 0н же впервые и ввел название “интерференция” (от латинских слов inter – взаимно и ferio – ударяю).

Весьма вероятно, что  интерференцию Юнг открыл, наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление, он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: “Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера . представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до зтого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов волн не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступают в капал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят зти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю законом интерференции света”.

Юнг, используя явление  интерференции, объяснил появление  колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух лучей света, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности , они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором – темное.

Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться  цветные кольца. По расположению колец  для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.

Юнг объяснил и другие случаи интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный опыт по интерференции света. Этот опыт, который, как мы говорили, проводил еще Гримальдй, известен под названием опыта Юнга.

В данном опыте наблюдается  не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества, а тактже опубликовал их в начале XIX в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать. Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и, кроме того, выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался.

На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась  статья, содержащая грубые нападки  на него. Корпускулярная теория света  по-прежнему казалась непоколебимой.  

  

  

 

Исследования  Френеля по интерференции и дифракции света

Французский инженер, ставший  впоследствии знаменитым физиком, Огюстен  Френепь (1788 – 1827) начал заниматься изучением явлений интерференции  и дифракции с 1814 г. Он не знал о  работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

В 1817 г. Академия наук Франции  объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил  участвовать в этом конкурсе. Он написал работу, в которой изложил  результаты своих исследований, и  направил ее в Академию наук в 1818 г. В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности, он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы, так называемая бипризма Френеля.

Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

Основное же внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называться принципом Гюйгенса – Френеля.

По Гюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени t можно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t0.

По Френелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства в момент времени t можно рассматривать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени t0 .

Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев.

Так, он рассмотрел прохождение  света через маленькое отверстие  и определил, какая картина должна быть видна на экране, поставленном за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояния отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

Френель описал и другие случаи дифракции света от различных  экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты Френеля  совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.

Работы, представленные на конкурс, рассматривала специальная  комиссия Академии наук. В ее составе  были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Все  они держались ньютоновских взглядов на природу света. Естественно, что они недоверчиво отнеслись к работе Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию.

При этом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссии Пуассон заметил, что они приводят к парадоксальному результату: согласно Френелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлое пятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглого экрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля, что произвело большое впечатление на членов комиссии.

Итак, комиссия Академии наук присудила премию Френел~о за его работу по оптике. Однако это вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия ученому была дана за метод расчета. Что же касалось самих представлений, на основе которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света, то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним.

Они рассуждали примерно так: физические основы теории могут  быть неверны, а результаты расчета  правильны. Такие случаи история  знала. Например, пользуясь теорией Птолемея о строении Вселенной, можно вести расчеты и получать правильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу она неверна.

Нужно сказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие  результагы, полученные Френелем, в его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кроме интерференции и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теория Френеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось, что она не в состоянии их объяснить.