Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете

С ОДЕРЖАНИЕ: 1. Античные вз гляды на природу свет ______________________________________________________ 3 2. Взгляд на с вет в период раннего средневековья ______________________________________________________ 4 3. Опыты по из мерению скорости света ______________________________________________________ 5 4. Открытия Нь ютона о природе цветов ______________________________________________________ 5 5. Работы Гюйг енса. Волновая теория света _____________________________________________________ 10 6. Развитие вз глядов на волновую теорию света. Работы Френеля _____________________________________________________ 11 7. Электромаг нитная теория света. Работы Фарадея и Максвелла _____________________________________________________ 15 8. Давление св ета _____________________________________________________ 17 9. Поляризаци я _____________________________________________________ 18 10. Квантовая т еория света _____________________________________________________ 20 11. Фотоны _____________________________________________________ 23 12. Заключение _____________________________________________________ 24 13. Список испо льзованной литературы _____________________________________________________ 26 1. АНТИЧНЫЕ В ЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА. Оптикой увлекались еще философы классического периода, которые больше интересовались физиологическими, а не физическими проблемами. Они зада вались вопросами: каким образом мы видим, каково соотношение между ощуще нием и видимым предметом? Дискуссия была, по-видимому, долгая и страстная, но дошедшие до нас документы весьма немногочисленны и толкования их сом нительны. Здесь будут упомянуты теории, развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе позднейшей истории. По-видимому, именно пифагорейцы впервы е выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощ упывает» как бы щупальцами предметы, давая их ощущение. Атомисты же были сторонниками испускания предметами «призраков» или «образов», которые , попадая в глаза приносят душе ощущение формы и цвета теория эта связыва ется с именем Платона. Согласно Платону, от предметов исходит специальны й флюид, который встречается с «мягким светом дня», «ровно и сильно» бьющ им из наших глаз. Если оба флюида подобны друг другу, то, встречаясь, они «к репко связываются» и глаз получает ощущение видимого. Если же «свет очей » встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает глазам никаких ощущ ений. Наиболее ранним из известных нам документов, касающихся работ, является трактат по оптике Евклида, великого геометра, расцвет творчества которо го относится к 300 г. до н.э. Трактат состоит из двух частей – «Оптики» и «Кат оптрики». Как следует из первого положения, или постулата: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Евклид следует теории зрения Платона. От второго постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения»: «Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина кот орого находится в глазу, а основанием служит граница предмета». На этих и других десяти постулатах (по д ругим свидетельствам – двенадцати) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В «Оптике» он исследует геометрические проблемы, с вязанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образова ние тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, к ажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» расс мотрены явления, связанные с отражением от плоских и сферических зеркал . Из постулатов «Катоптрики» замечателен второй постулат: «Все, что видно, видно по прямой». Это основной принцип физиологической оптики. Однако непонятно, как его м ожно было согласовать с третьим постулатом, дающим точный закон отражен ия света, известный грекам еще с древнейших времен. Если световой луч – э то то же самое, что «свет очей», то как он может не отклоняться на зеркале в соответствии со вторым постулатом и менять свое направление в соответс твии с третьим? В истории физики противоречия часты, и ученые преодолева ли их почти всегда так же, как и Евклид, т.е. обходили молчанием. 2. ВЗГЛЯД НА С ВЕТ В ПЕРИОД РАННЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ. Наиболее ярким в арабской физике был, несомненно, период Ибн Аль-Хатайна, известного на Западе под именем Альхазена. Умер Альхазен в Каире в 1039 г. По всеобщему мнению, это был наиболее крупный физик средневековья. Кроме т ого, он был астрономом, математиком и комментатором Аристотеля и Галена. В своем первом фундаментальном постулате он утверждает: «Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза». Этот постулат он подкрепляет наблюдением, что глаза испытывают боль при падении на них солнечного света, прямого или отраженного от зеркала, при водя также другие примеры ослепления. Под естественным светом Альхазен понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами – свет отраженный от цветных предметов. Затем с помощью ряда хорошо поставленных опытов физико-физиологическо го характера он показывает несостоятельность представления о свете, ис ходящем из глаз и ощупывающем тела. В главе IV своего труда он описывает анатомическое строение гла за, заимствовав его у Галена, и далее заявляет: «Зрительный образ получается с помощью лучей, испускаемых видимыми тел ами и попадающих в глаз». Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, об обращен ных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а от предмета к гл азу. Но не это является главным открытием Альхазена. У Евклида, как и у все х греческих физиков, зрение рассматривалось как глобальное явление; счи талось, что ощущение воспринимает разом, в едином процессе образ всего н аблюдаемого тела, потому ли, что внешняя «оболочка» тела, отделившись, пр оникает в зрачок, или же потому, что «свет очей» ощупывает его одновремен но со всех сторон. Альхазен же с гениальной интуицией разложил этот глоб альный процесс на бесконечное множество элементарных процессов: он пол агал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая в оспринимающая точка глаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных нап равлений наблюдения предмета, нужно предположить, что из каждой точки пр едмета выходит бесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке пред мета может соответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен пр еодолел эту трудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз дейст венным является лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, кото рые он считал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хруста лика, который по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которы е, исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят через геометрич еский центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливает точное соответ ствие между точками восприятия на внешней поверхности хрусталика и при ходит к выводу: «Зрительный образ получается с помощью пирамиды, вершина которой наход ится в глазу, а основание – на видимом теле». Насколько это положение отличается от евклидова! Это тот же классически й закон перспективы, но физика явления здесь изменена. Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, оно представляет собой громад ный шаг вперед. 3. ОПЫТЫ ПО ИЗ МЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА. Одн им из первых пытался измерить скорость света Галилей - он предлагает экс перимент для решения спора о том, конечна или бесконечна скорость света. Два экспериментатора, вооруженные фонарями, становятся на некотором ра сстоянии друг от друга и, согласно предварительной договоренности, перв ый открывает свой фонарь, как только заметит свет открытого фонаря второ го. Тогда сигнал первого экспериментатора вернется к нему через удвоенн ое время распространения света от одного наблюдателя ко второму. Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скорости света. Но за Галилеем остается заслуга первой постановки этой проблемы в экспери ментальном плане и проектирования эксперимента столь гениального, что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорос ти света в земных условиях. Действительно, в принципе опыт Физо отличает ся от опыта Галилея лишь тем, что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедший световой сигнал. 4. ОТКРЫТИЯ Н ЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ. Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работы Ньютон а. В 1669 г. в Кембридже Ньютон начал читать оптику. К этому периоду относятся его «Лекции по оптике», опубликованные посмертно в 1729 г. Научный мир узнал открытии Ньютона о природе цветов из доклада, опубликованного в 1672 г. и вы звавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним по следовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма р аздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Нью тон заперся в своей лаборатории, чтобы там, в тишине завершить свою фунда ментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под назв анием «Оптика» в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом рань ше умер Гук.) В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой ра боты была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества д ля прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чт обы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу. Еще пр и жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третье в 1721 г. «Оптика состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, прелом ление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснен ию радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению. Во второ й книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содер жит краткое экспериментальное исследование дифракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера». Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез: «Мое намерение в этой книге, - предупреждает автор, - не объяснять свойства гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет и речи о том, чтоб ы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этого, поражает пе рвое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно ко рпускулярном характере теории. Первое определение гласит: «Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последователь ном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по р азличным линиям». А что означает утверждение: «Луч света – это его мельчайшая часть»? Из эт ого утверждения ясно, что для Ньютона луч света – это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится в пояснении к этом у определению, «наименьший свет или часть света … которая может быть ост авлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или сове ршает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытыва ет остальной свет». Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим эксперимента торам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всяки е теории, но одновременно основывает истолкование своих экспериментал ьных результатов на новой теоретической концепции светового луча – ко нцепции корпускулярной, или если пользоваться современным термином, кв антовой. Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание времене м и по существу осталась основой современной физической оптики. Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на грома дный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях пр еломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, нач иная с Сенеки. Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этот опыт позво лил Ньютону прийти к фундаментальному выводу: «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости». И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оно высказывалос ь еще в 1648 г. Марко Марчи (1595-1667), зато весь комплекс последующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, был весьма новым, так что не мог пройти незамеченным. Проделав небольшое круглое отверстие в ставне окн а темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отве рстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял «спектр» на про тивоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. В пер вой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяет ся опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и приве ли его к установлению взаимно однозначного соответствия между степень ю преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломлен ия Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух за данных сред при любых углах падения, но меняются только цвета. В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы, направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, и направляет свет, проход ящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не раз лагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектро скопии, привела Ньютона к понятию однородного света: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях». Тем самым с предельной очевидностью было экспериментально подтвержден о предвидение Декарта о природе цветов: тела на которые падает свет, не пр оизводят цветов, и лучи не сами по себе; лучам свойственна определенная с пособность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета. Следуя многов ековой традиции Ньютон насчитывает семь цветов (красный, оранжевый, желт ый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), не считая белого и черного. После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов в равной серии изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали кла ссическими и приводятся в учебниках физики. Сюда относится, например, оп ыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он ка жется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон н е дал более точного объяснения, или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы. Все эти свойства открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать но вое, более полное объяснение радуги истолковать цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света. В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей, описы вается теория основополагающих опытов, проведенных с исключительным и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой истинный ше девр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследов ание цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то же время как Гук иссле довал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредств енно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютон ом классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, дво яковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как д о него Бойль, а после него, все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отра жение света, т.е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пя тно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное после довательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец ра дужной окраски. Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но и монохроматичес ком. Качественно явление носило такой же характер, но в то время как в бело м свете видны были лишь восемь или девять колец, в монохроматическом све те было видно их несколько десятков. Это явление представлялось значите льно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматрива ть через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из б есконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно дру г друга. Многочисленные опыты с этим явлением и точные измерения позволили Ньют ону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по на стоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально к вадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кол ьца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца – втр ое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемос ти света, т.е. радиусы колец одного и того же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах слоев, кратных некоторому наименьшему з начению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же поряд ка; кольца сближаются, если пространство между обеими линзами заполняет ся водой. Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не мо г не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии н екоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому Ньютон б ыл вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности. С это й целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма «по ристой», т.е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое прост ранство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных возд ухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упру гим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптически е явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражени е? «Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую повер хность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, котор ое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располаг ает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую пр еломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкому отражению». Определив «приступы» отражения или преломления как периодическое возв ращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды пр иступов как промежутки времени между двумя последовательными приступа ми, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляет ся: «Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого прел омления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие прис тупы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время сво его пути». Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи ему с сам ого момента его излучения или же они являются приобретенным свойством, т .е. приобретаются в момент прохождения света через тела? Ньютон считает с войства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, ч то более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительнос ть своей позиции, но настаивал на том, что не выдвигает никаких гипотез и ч то приступы – это просто констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет, правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианс кого типа, могут представить себе, что, так же как камни падая в воду, вызыв ают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускул ы, ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания, распростра няющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их; эти волны, де йствуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого отра жения. Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать: «Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или ино й причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во мно гих чередованиях». Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов являет ся весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой меха ники, может быть лучше понятно и точнее оценено. 5. РАБОТЫ ГЮЙ ГЕНСА. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику» оказали боль шое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится под воздейст вием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснен ия этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механиз ма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопро са о цветах в своем трактате. Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании соч инений, состоит из шести глав. В первой рассматривается прямолинейное ра спространение света, во второй отражение, в третьей – преломление, в чет вертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз. Работа начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона. Ес ли свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямол инейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пе ресекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, не возмущали друг друга п утем взаимных соударений? Но достаточно вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т.е. от тел, находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, т.е. разъединят ь их части, «что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной философии»; что зрительное ощущение возникает при возбужд ении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или н есколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распр остранение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит Гюйген с, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу: «Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то веществ а». Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установив параллель м ежду звуком и светом, Гюйгенс замечает, что этой средой не может служить в оздух, поскольку опыты с пневматической машиной показали, что свет в отл ичие от звука распространяется и в пустоте, и постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет всю Вселенную, проникает в о все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет никаких свойс тв тяжести, но очень жесткая и упругая. Как видно, Декарт нашел достойного последователя! Приняв существование такого вещества, Гюйгенс рассматривает механизм распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка пл амени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою со бственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, станови тся в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом, это движе ние распространяется от частицы к частице через посредство вторичных с ферических волн, подобно тому, как распространяется пожар. Может показат ься странным и почти невероятным, что волнообразное движение, вызываемо е столь малыми движениями и частицами, способно распространяться на так ие огромные расстояния, как отделяющие нас от звезд. На это Гюйгенс отвеч ает: «Но это число перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих правда, из различных точек святящегос я тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения то лько в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой». Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавшей бессмертным им я Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, какой можно увидеть чуть ли не в кажд ом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании исчезает с ветовой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона. Лейбниц сразу п онял значение концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1964 года: «Безусловно, господин Гук никогда бы не пришел к объяснению законов прел омления с помощью построенной им картины волновых движений. Вся суть в т ом, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как излучающую и с кладываете основную волну со всеми вспомогательными волнами» К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света. Гюйгенс выдвигае т объяснение, утверждая, что за препятствием распространяющиеся там эле ментарные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными, и дела ет вывод: «В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии». Однако это утверждение остается голословным, так что его можно с равным правом принять или отвергнуть. Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения све та Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения – я влений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, н агромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем пре имуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравы м смыслом требовала меньшей скорости в боле плотной среде. 6. РАЗВИТИЕ В ЗГЛЯДОВ НА ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА . Р АБОТЫ ФРЕНЕЛЯ. Мол одой дорожный инженер Огюстен Френель (1788-1827), присоединившийся волонтером к роялистским войскам, которые должны были преградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба, в период Ста дней был уволен со с лужбы и вынужден был удалиться в Матье, близ Каэне, посвятил себя исследо ванию дифракции, имея в своем распоряжении лишь случайное и примитивное экспериментальное оборудование. Два мемуара, представленных им 15 октябр я 1815 г. Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френе ль был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятн ых условиях. Френель начал исследовать тени, отбрасываемые небольшими препятствиям и на пути лучей, и обнаружил образование полос не только снаружи, но и внут ри тени, что до него уже наблюдал Гримальди и о чем умолчал Ньютон. Исследо вание тени, образуемой тонкой проволокой, привело Френеля к вторичному о ткрытию принципа интерференции. Его поразило, что, если край экрана был р асположен вдоль одной стороны проволоки, внутренние полосы исчезали. Ит ак, подумал он сразу, раз прерывание света от одного из краев проволоки пр иводит к исчезновению внутренних полос, значит для их образования необх одимо совместное действие лучей, приходящих с обеих сторон проволоки. «Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этих л учей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляет тень только на непрерывный поток света; следовательно, каемки образуются в ре зультате перекрещивания этих лучей. Этот вывод, который представляет со бой, так сказать, перевод явления на понятный язык, полностью противореч ит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию колебаний. Легко можно догада ться, что колебания двух лучей, которые скрещиваются под очень малым угл ом, могут действовать в противоположные стороны в тех случаях, когда узл ы одних волн соответствуют пучностям других». В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверстиями, которые по его мнению, были вполне подходящими для иллюстрации волновой природы света . Тем не менее, для исключения всякой возможности истолкования этого явл ения как действия краев отверстий Френель придумал известный «опыт с дв умя зеркалами», о котором он сообщает в 1816г., а затем в 1819 г. «опыт с бипризмой» , ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа интерфер енции. Взяв на вооружение принцип интерференции, волновая теория располагала теперь тремя принципами: принципом элементарных волн, принципом огибаю щей и принципом интерференции. Это были три отдельных принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом, для Френеля огибаю щая волн не просто геометрическое понятие, как для Гюйгенса. В произволь ной точке волны полный эффект представляет собой алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной; полная сумма всех эт их импульсов, складывающихся согласно принципу интерференции, может бы ть, в частности равна нулю. Френель произвел такой расчет, хотя и не вполне строгим способом, и пришел к выводу, что влияние сферической волны во вне шней точке сводится к влиянию небольшого сегмента волны, центр которой н аходится на линии, соединяющей источник света с освещенной точкой; остал ьная часть волны дает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке. Тем самым было определено препятствие, стоявшее в течение веков на пути утверждения волновой теории – согласование прямолинейного распростр анения света с его волновым механизмом. Каждая точка вне волны получает свет лишь от очень небольшой ее области, прилегающей к точке, ближайшей к рассматриваемой; все происходит так, как если бы свет распространялся по прямой линии от источника к освещенной точке. Действительно, волны долж ны огибать препятствия, но это утверждение не следует понимать грубо кач ественно, поскольку отклонение волны за препятствием зависит от длины в олны. Зная длину волны, можно рассчитать, как и насколько отклонится свет за препятствием. Рассматривая явление дифракции, Френель произвел тако й расчет, и его результаты прекрасно совпали с экспериментальными данны ми. После нескольких лет перерыва в исследованиях Френель вновь излагает с вою теорию в обширном мемуаре о дифракции, представленном в 1818 г. на конкур с Парижской Академии наук. Этот мемуар рассматривался комиссией, состоя вшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей-Люссака. Трое первых были убежд енные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей-Люссак, по су ществу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но был известен св оей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести сле дствия, находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смыслом, п оскольку из расчета следует, что в центре геометрической тени непрозрач ного диска надлежащих размеров должно наблюдаться светлое пятно, а в цен тре конической проекции небольшого круглого отверстия на определенном расстоянии легко вычисляемом расстоянии должно наблюдаться темное пя тно. Комиссия предложила Френелю доказать экспериментально выводы из е го теории, и Френель блестяще это выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После этого по единодушному предложению комисси и Академия наук присудила ему премию, а в 1823 г. он был избран ее членом. После установления теории дифракции Френель перешел к исследованию яв ления поляризации. Корпускулярная теория вынужденная для интерпретаци и многочисленных явлений, открытых в первое пятнадцатилетие XIX века, вводить одну за другой различны е гипотезы, совершенно необоснованные и порой противоречивые, к этому вр емени невообразимо усложнилась. В своем опыте с двумя зеркалами, располо женными под углом, Френель получил с помощью одного источника света два мнимых источника, всегда строго когерентных. Он попытался также видоизм енить этот прибор, используя два луча, получающихся при двойном лучепрел омлении одного луча, и компенсируя надлежащим образом разносить оптиче ских путей обоих лучей. Однако ему никак не удавалось добиться интерфере нции этих поляризованных лучей. Тот факт, что луч, поляризованный при отражении, обладает двумя плоскост ями симметрии, ортогональными друг другу и проходящими через луч, мог на толкнуть на мысль о том, что колебания эфира происходят в этих плоскостя х перпендикулярно направлению луча. Эта идея была высказана Френелю Амп ером еще в 1815 г., но Френель не воспользовался ею. Юнгу, едва лишь он узнал об опытах Френеля и Араго с поляризованным светом, тоже пришла мысль о попе речных колебаниях, однако то ли из-за неуверенности, то ли благоразумия о н говорил об этом как о «воображаемом поперечном движении», т.е. как о поня тии чисто фантастическом, - столь бессмысленными с механической точки зр ения представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира. После того как в течение многих лет Френель пользовался языком теории пр одольных колебаний, в 1821 году он, не найдя другого пути интерпретации поля ризованных явлений, решился принять теорию поперечности колебаний. В то м же году он пишет: «Лишь несколько месяцев тому назад, размышляя с большим вниманием по это му поводу, я признал весьма вероятным, что колебательные движения светов ых волн осуществляются только в плоскости волн, как для простого, так и дл я поляризованного света… Я постараюсь показать, что гипотеза, которую я представляю, не содержит ничего физически невозможного и что она уже не может служить для объяснения основных свойств поляризованного света». То, что эта гипотеза может объяснить основные свойства поляризованного света, было детально показано Френелем; что же касается того, что в этой ги потезе нет ничего физически невозможного, - это уже совсем другое дело. Из поперечности колебаний следовало, что эфир, будучи тончайшим и невесомы м флюидом, должен одновременно быть наитвердейшим телом, тверже стали, и бо только твердые передают поперечные колебания. Эта гипотеза представ лялась исключительно смелой, почти безумной. Араго, физик явно не склонн ый к предрассудкам, тот самый Араго, который был другом, защитником Френе ля во всех случаях, не нашел возможным разделить ответственность за эту странную гипотезу и отказался подписать представленную Френелем стать ю. Таким образом, с 1821 г. Френель продолжал свой путь в одиночку, и это был путь, полный побед. Гипотеза о поперечности колебаний позволила ему построит ь свою механическую модель света. Основой ее является эфир, заполняющий всю Вселенную и пронизывающий все тела, причем эти тела вызывают изменен ие механических характеристик эфира. Из-за этих изменений, когда упруга я волна переходит из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, на поверхности раздела часть волны поворачивает обратно, а часть проникае т в вещество. Тем самым было дано механическое объяснение явления частич ного отражения, остававшегося в течение нескольких веков тайной для физ иков. Выведенные Френелем формулы, носящие теперь его имя, сохранили сво й вид до наших дней. Скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны, а при заданной длине волны тем меньше, чем более преломляю щей является среда. Отсюда вытекают как следствие преломление света и ег о дисперсия. В изотропных средах волны имеют сферическую форму с центром в точечном источнике излучения; в анизотропных средах форма волны описы вается, вообще говоря, поверхностью четвертого порядка. В теории Френеля все сложнейшие явления поляризации интерпретируются в удивительном с огласии с экспериментальными данными и предстают как частные случаи об щего закона сложения и разложения скоростей. 7. ЭЛЕКТРОМАГ НИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА. Р АБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА. То, что все физические явления представляют собой лишь различные проявл ения одной и той же сущности, или идея «единства физических сил», было осн овной философской предпосылкой физики прошлого века. Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим в работах одного из самы х проницательных исследователей всех времен – Майкла Фарадея (1791-1867). Како ва связь между электричеством и магнетизмом? Можно ли превратить одно в другое? Другие физики тоже ставили перед собой эту проблему, которая соответств овала общей тенденции науки того времени, тяготевшей к унифицирующим те ориям. Еще в 1812 г. Доменико Морикили (1773-1836) и в 1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно счита ли, что им удалось добиться намагничивания под воздействием света. Но Фа радея убедили не опыты Морикини, который продемонстрировал их специаль но в 1814 г. в Риме, когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Б ольшое влияние на него оказали идеи Джона Гершеля, который в отклонении магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию, ан алогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его прохо ждении через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г. и повторе нные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действия электрического поля на све т не дали желаемого результата. Оставив эти попытки электрооптических и сследований, Фарадей в 1845 г. приступил к магнитооптическим опытам. После п ервых неудач, которые его, однако, не обескуражили, он обнаружил новое явл ение. Параллелепипед из тяжелого стекла (фингласа) был помещен между пол юсами электромагнита и через него пропускался поляризованный луч свет а параллельно силовым линиями поля. При возбуждении электромагнита пло скость поляризации света поворачивалась. Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой серии свои х «Экспериментальных исследований по электричеству», озаглавленной «Н амагничивание света и освещение магнитных силовых линий». Еще до появле ния в печати этой статьи ее заглавие было многими раскритиковано, особен но из-за выражения «освещение магнитных силовых линий». Поэтому уже в ко рректуре Фарадей добавил примечание, чтобы пояснить и оправдать это выр ажение: «Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испыта л на магнитное действие , то есть что магнитному действию подвергалось т о, что является магнитным в силах материи, а последнее в свою очередь возд ействовало на то, что является подлинно магнитным в силе света» Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некий магнетизм. Э ти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более непонятными, чем то выраж ение, которое они должны были пояснить, ибо по теории Френеля, которая тог да глубоко укоренилась, свет не имел ничего общего с магнетизмом. Максвелл придерживался взглядов Фарадея относительно природы света. «В различных местах этого трактата, - пишет Максвелл, приступая в ХХ главе четвертой части своего «трактата о электричестве и магнетизме» к излож ению электромагнитной теории света, - делалась попытка объяснения элект ромагнитных явлений при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство м ежду этими телами. Волновая теория света также допускает существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды… Мы можем получить численное значение некоторых свойств среды, таких, ка к скорость, с которой возмущение распространяется через нее, которая мож ет быть вычислена из электромагнитных опытов, а также наблюдена непосре дственно в случае света. Если бы было найдено, что скорость распростране ния электромагнитных возмущений такова же, как и скорость света, не толь ко в воздухе, но и в других прозрачных средах, мы получили бы серьезное осн ование для того, чтобы считать свет электромагнитным явлением, и тогда с очетание оптической и электромагнитной очевидности даст такое же дока зательство реальности среды, какое мы получаем в случае других форм мате рии на основании совокупности свидетельств наших органов чувств». Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований приход ит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещения распространяются с т ой же скоростью, что и свет, что и «представляет собой подтверждение элек тромагнитной теории света», - уверенно заявляет Максвелл. Затем Максвелл изучает более детально свойства электромагнитных возмущений и приход ит к выводам, сегодня уже хорошо известным: колеблющийся электрический з аряд создает переменное электрическое поле, неразрывно связанное с пер еменным магнитным полем. Уравнения Максвелла позволяют проследить изм енения поля во времени в любой точке пространства возникают электричес кие и магнитные колебания, т.е. интенсивность электрического и магнитног о полей периодически изменяется; эти поля неотделимы друг от друга и пол яризованы взаимно перпендикулярно. Эти колебания распространяются в п ространстве с определенной скоростью и образуют поперечную электромаг нитную волну: электрические и магнитные колебания в каждой точке происх одят перпендикулярно направлению распространения волны. 8. ДАВЛЕНИЕ С ВЕТА. В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент Гельмгольца, приступил к и зучению теории Максвелла. В 1887 г. он повторил опыты Гельмгольца с двумя инд укционными катушками. После нескольких попыток ему удалось поставить с вои классические опыты, хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герц экспериментально доказал (способом, который сегодн я описывают во всех учебниках), что колебательный разряд вызывает в прос транстве волны, состоящие из двух колебаний – электрического и магнитн ого, поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил также от ражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опыты по лностью объяснимы теорией Максвелла. По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, но им не удалось многого прибавить у уяснению сходства световых и электрически х волны, которую брал Герц (около 66 см.), они наталкивались на явления дифра кции, затемнявшие все другие эффекты. Чтобы избежать этого, нужны были ус тановки таких больших размеров, которые практически в те времена были не реализуемы. Большой шаг вперед сделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощь ю созданного им нового типа генератора удалось возбудить волны длиной н есколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Таким образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью пр испособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих о птических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное п реломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. и время от вр емени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся в научных ж урналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже ставшей классиче ской книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в 1897 г., одно лишь на звание которой выражает содержание целой эпохи в истории физики. В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал работать в Московском университет е в должности лаборанта. Но у Петра Николаевича был уже большой план науч ной работы. Основные физические идеи этого плана были напечатаны П.Н. Лебедевым в Мо скве, в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих те л». Начиналась она словами: «Максвелл показал, что световой или тепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него давление в направлени и падения…» Исследование светового давления стало делом всей, к сожален ию короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченная работа этого ве ликого экспериментатора тоже была посвящена давлению света. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотн ости энергии электромагнитного поля. (При полном отражении давление буд ет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этого положения предст авляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвыч айно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерен ии. И Лебедев создает свою знаменитую установку – систему легких и тонк их дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невидан ной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезной помехой был радиометричес кий эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температ ура теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторо ну, что и световое давление, но во много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности температур возникаю конвекционные потоки газа. Вс е это надо было устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством иск уснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые кры лышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому в ыравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наи высший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась устано вка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары выт есняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртут ные пары, как говорят, замораживались). Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давле ние света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в 1901 г. в немецком журнале « Анналы физики» была напечатана его работа «Опытное исследование свето вого давления». Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла. В. Томсо н, например, узнав о результатах опытов Лебедева, в беседе с К.А, Тимирязев ым сказал: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не пр изнавая светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться пере д его опытами». Ф. Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из в ажнейших достижений физики за последние годы». К впечатляющим словам этих физиков можно добавить еще то, что доказатель ство существования светового давления имело огромное философское и ми ровоззренческое значение. Ведь из факта существования давления электр омагнитных волн следовал очень важный вывод о том, что они обладают меха ническим импульсом, а значит, и массой. Итак, электромагнитное поле облад ает импульсом и массой, т.е. оно материально, значит, материя существует не только в форме вещества, но и в форме поля. 9. ПОЛЯРИЗАЦИ Я. В свободно распространяющихся электромагнитных волн ах происходят как электрические, так и магнитные колебания. Колебания вс егда направлены строго перпендикулярно лучу, указывающему направление распространения волны. В свою очередь векторы электрического и магнитн ого полей перпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные в олны являются волнами поперечными. Во всех случаях первоначальное напр авление колебаний сохраняется неизменным для всего цуга волн. Образно в ыражаясь, электрическая компонента волны как бы «прибита» к стенке, кото рая перемещается в пространстве параллельно самой себе со скоростью св ета. Ввиду наличия строго определенного и неизменного направления коле баний такие волны называют линейно поляризованными. Однако говорить о п оляризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн. Например, в воздуш ных звуковых волнах, где частицы движутся лишь вдоль направления распро странения, возможно лишь одно-единственное направление колебаний. Сегодня ясен механизм возникновения поперечных волн и связанное с ним я вление поляризации, но раньше все это представляло очень серьезную проб лему. Особенно долго ученые ломали голову над явлением поляризации свет а, и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснен ие. Причина заложена в природе любого реального источника света. Начиная с Солнца и заканчивая современными ртутными лампами высокого давления, все без исключения источники света содержат бесчисленное множество со вершенно беспорядочно колеблющихся друг относительно друга атомов. Со гласно изложенной выше теории, свет, излучаемый каждым отдельным атомом , строго поляризован. Однако в целом направления векторов поляризации св ета от всех атомов определяется чисто случайными причинами и потому не и меют выделенной ориентации в пространстве. В плоскости, перпендикулярн ой лучу, они образуют друг с другом всевозможные углы. Таким образом, луч м ожно уподобить нити , состоящей из множества свитых волнистых волокон. Если мы хотим поляризовать световой луч, мы должны внести порядок в этот хаос. Для нити с этой целью можно было бы использовать гребень; для доказа тельства наличия поляризации исследуемых им волн Генрих Герц использо вал решетку из параллельных проволочек. Если, как это теперь общепринято , под направлением поляризации понимать направление колебаний именно э лектрического вектора волны, то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку , если колебания происходят перпендикулярно проволочкам; в противном сл учае волна отразится. В настоящее время для исследования света применяется преимущественно поляризованные фильтры. По строению составляющих их молекул они принад лежат к группе так называемых веществ с двойным лучепреломлением (к их ч ислу относятся, например, естественные кристаллы исландского шпата, ква рца и др.). принцип действия этих фильтров основан на том, что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на д ве взаимно перпендикулярные компоненты. В двоякопреломляющем кристалл е каждая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показат ель преломления, а следовательно, и свою скорость распространения. В нек оторых веществах (в частности, в уже упоминавшихся фильтрах) одна из комп онент полностью поглощается и пропускается лишь вторая, которая оказыв ается таким образом поляризованной в строго определенном направлении. При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе, однако по мере продвижения по кристаллу они все более сдвигаются относительно друг друга. Выйдя с противоположной стороны кристалла, волны снова приоб ретают прежнюю дину, соответствующую воздуху, однако возникший сдвиг фа з сохраняется. Таким образом, совершенно незаметно для человеческого гл аза свет внутри кристалла существенно изменяется. В любой точке луча две взаимно перпендикулярные компоненты дают резуль тирующую. Несмотря на такое серьезное отличие от обычного света, циркулярно поляр изованный свет при прохождении через кристалл не обнаруживает никаких особенностей. Вектор электрической напряженности вращается с частотой света, то есть с такой скоростью, что заметить это вращение простым глазо м невозможно. 10. КВАНТОВАЯ ТЕО РИЯ СВЕТА. Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла- Герца, в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь иде т об излучении, испускаемом нагретым телом, - мы можем наблюдать его, напри мер находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не остана вливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов, рассмотрим тепловое излучение черного тела. Под этим термином понимают тело, полнос тью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Однако черно е тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и л юбое другое тело (и даже в большей степени), оно испускает в окружающее про странство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела. Абс олютно черное тело обладает также наибольшей по сравнению со всеми друг ими телами излучательной способностью. Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его темпе ратуры. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующий вопрос: к аким образом при данной температуре распределяется интенсивность излу чения черного тела между волнами различной длины? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагает излучение на отдель ные линии. Излучение в каждой узкой области спектра направляют на чувств ительный приемник и измеряют его интенсивность. Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определенной интенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особое распределение. Графиче ски оно выглядит как колоколообразная асимметричная кривая и напомина ет картину распределения молекул газа по скоростям. Сходство между крив ыми столь велико, что следует ожидать аналогии и в формулах, описывающих эти кривые. К этой мысли пришли два английских ученых – Джон В. Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джи нс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формы с «зеркальными» внутренни ми стенками, в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой длины волны. Внутри ящика это излучение начинает «метаться», отражаясь то от одной стенки; при этом возникают стоячие эле ктромагнитные волны. С помощью дополнительного «хитрого трюка» подобн ый мысленный эксперимент можно сделать очень интересным, если поместит ь в ящик Джинса небольшой кусочек угля, который практически является абс олютно черным телом и поэтому жадно поглощает падающее на него излучени е, а затем, нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из во лн различной длины; в конце концов устанавливается равновесие между вол нами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела, моделир уемого кусочком угля. Какие же длины волн могут «существовать» в ящике? Какую энергию они несу т? Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся на определенный и нтервал частот, они получили неожиданный результат: плотность энергии и злучения полости должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти полностью сосредоточиться в коротковолновой части спектра. Тогда люба я комнатная печь, которая с физической точки зрения достаточно точно мод елируется ящиком Джинса, была бы накопителем смертоносного коротковол нового излучения. Мимолетного взгляда в приоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишне любознательный отправился бы к праотцам: он по пал бы под действие опасных для жизини ультрафиолетовых, рентгеновских и г- лучей. Разумеется, подо бный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту. Он и по сей д ень носит название «ультрафиолетовой катастрофы» и служит напоминание м о фиаско, которое потерпела наука, признававшаяся всеми физиками того времени совершенно непоколебимой. Но вот положение изменилось: это произошло после того достопамятного дн я 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкого общества выдвинул совершенно новую идею. Он рассматривал внутренние стенки излу чающей полости как содержащие бесчисленное множество крошечных «осцил ляторов», которые действуют как источники излучения. Однако в отличие, н апример, от колеблющегося маятника, который может иметь любые возможные значения энергии, подобный элементарный осциллятор может обладать лиш ь энергией, строго равной целому числу квантов; если число квантов энерг ии равно нулю, осциллятор покоится. Каждый квант представляет собой, таким образом, как бы элементарный паке т, дающий строго определенный вклад в энергию. Энергия квантов излучения, введенных Планком, зависит только от одной ве личины – частоты осциллятора (точнее, частоты испускаемого им излучени я). Вычислить ее можно по простой формуле E=hf Где под h понимается введенная Планком пос тоянная (квант действия), равная h =6,626 х 10 ^ -34 Вт х с ^2 . Постоянная Планка относится к числу фундаментальных ф изических констант. На основе своей гипотезы Планку удалось вынести иск омую функцию распределения, столь долго «не дававшуюся в руки». Если, сог ласно закону Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростом частоты н еограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком по достижении ма ксимума, загибается вниз, принимая, таким образом, колоколообразную форм у, точно совпадающую с экспериментальной кривой. Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд л и стоило бы придавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложе нной только для объяснения одного явления. Но гипотеза квантов все же пр ивела к единственно правильному решению очень важной проблемы и сразу п опала в «горячую точку» дискуссий. Однако никто уже не удивился, когда на смену этой идеи пришла новая, более общая. Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямое д оказательство существования квантов и установить численное значение п остоянной Планка другими методами. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал свои три з наменитые работы; одна из них относилась к внешнему фотоэлектрическому эффекту (кратко – фотоэффект) – явлению, которое ему удалось убедитель но объяснить на основе гипотезы квантов. Работа, необходимая для удаления электрона из атома калия, без труда опр еделяется из экспериментов другого типа; она равна 2,24 эВ, или 3,6 х 10 ^ 19 Вт х с. однако на поперечное сечени е атома приходятся ежесекундно всего лишь две миллионных необходимой э нергии! Для того чтобы приобрести достаточную энергию, атом должен был б ы накапливать ее в течение полумиллиона секунд. Таким образом, должно ми новать шесть дней, прежде чем фотоэлемент «выдаст» первые электроны, и в есьма сомнительно, чтобы при таких условиях вообще удалось открыть фото эффект. Как же объяснить, что в действительности фотоэффект наблюдается спустя не более 10 ^ -7с после действия о блучения? Если человек зарабатывает 200 марок в месяц и в один прекрасный д ень выкладывает на прилавок 8000 марок на покупку автомашины, то здесь все б олее или менее ясно. Он мог копить эту сумму в течение долгих месяцев или о должить ее у щедрого дядюшки. Обе возможности не так просто вообразить с ебе, если речь идет об атомах. Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, что волновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменить кван товой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывным пото ком, а отдельными дискретными порциями. Подобно каплям града, бомбардиру ют они атом калия. Если такая частица попадает точно в атом и если она обла дает достаточной энергией, то из атома выбивается электрон. Энергию тако й частицы легко подсчитать с помощью соотношения E = hf . Для зеленого света с длиной волны 540 н м Е= 3,68 х 10 ^19 Вт х с, или 2 эВ. Остает ся даже небольшой избыток энергии, который эмиттированный электрон уно сит с собой в виде кинетической энергии. Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объяснения ха рактерного для абсолютного черного тела распределения излучения. Он бы л достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явлен ия. 11. ФОТОНЫ Именно Эйнштейн впервые высказал мысль о том, что световое излучение вс егда имеет квантовую структуру; он впервые применил термин фотоны. На съ езде физиков в 1909 г. Эйнштейн выразил существо своей теории в следующих сл овах: «И все же пока мне представляется естественным, что электромагнитн ые поля света так же возникают в отдельных точках пространства, как и эле ктростатические поля, согласно электронной теории. Не исключено, что в п одобной теории полная энергия электромагнитного поля может рассматрив аться как всецело локализованная в этих дискретных точках». Как показывает уравнение E=hf , существуют не фотоны вообще, а высоко- и низкоэнергетические фотоны – с оответственно частоте света. И только одно невозможно: существование по ловины (или какой-либо другой дробной части) фотона. Каждый фотон предста вляет собой единое и неделимое целое. Становится понятным еще одно явлен ие, необъяснимое на основе волновой теории. Если частота излучения меньш е определенного порогового значения, энергия фотона оказывается недос таточной для ионизации атома. Произойдет фотоэффект или нет, зависит лиш ь от частоты отельного фотона, но совершенно не зависит от числа световы х квантов. Кванты света относятся к бозонам (подчиняются статистике Бозе); отличите льной чертой этой группы частиц являются целочисленные значения их спи на, он равен ± 1 (h/2 р). Это свойство прив ело Ферми к мысли, что статистика Бозе не распространяется на электронны й газ. Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либо выделе нной ориентации спина (или поляризации) в естественном свете. Если в обычном свете все спины ориентированы хаотически, то в циркулярно поляризованном свете они имеют некоторое выделенное направление. Пуст ь такой циркулярно поляризованный свет падает на атом металла, тогда про исходит тот же самый фотоэлектрический эффект. Это означает, что спин кв анта никак не связан с его энергией. Что же происходит со спином, когда ква нт света исчезает? На этот вопрос нетрудно ответить: согласно закону сох ранения момента импульса, орбитальный момент импульса эмиттируемого э лектрона изменяется на h/2 р ( наприме р, электрон переходит из состояния 2s в состояние 2p. При этом, по-видимому, сп ин эмиттируемого электрона не изменяется. Однако необходимо учитывать, что орбитальный момент импульса и спин ато мных электронов связаны друг с другом. Взаимодействие со спином поляриз ованного кванта света приводит к важному результату: большая часть эмит тируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спина вправо или в лево в зависимости от длины волны света. Этот эффект был предсказан в 1969 г. итальянским физиком Фано, а годом позднее он получил экспериментальное подтверждение. Циркулярно поляризованный свет падает на пары атомов цезия, на которых п роисходит фотоэффект. Эмиттированные электроны выводятся в одну сторо ну и ускоряются напряжением в 120 кВ. затем они попадают на анализатор из то нкой золотой фольги, где пучок электронов расщепляется на два пучка, кот орые в зависимости от своей поляризации расходятся в разные стороны. В б лагоприятном случае поляризация может достигать 100 %; это означает, что та ким способом можно получить пучок электронов с одной ориентацией спина. 14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Ранее неизменн о считали, что как свет, так и весь остальной спектр излучения представля ют собой электромагнитные волны. Однако оказывается, что электромагнит ное излучение с равным успехом можно трактовать в терминах фотонов, то е сть дискретных неделимых частиц и в ряде случаев излучение выступает то лько в такой форме. На примере одного и того же луча света можно без труда последовательно продемонстрировать оба указанных проявления. Но тогда с необходимостью возникает довольно острый вопрос: не является ли одна из теорий – волновая или корпускулярная – ложной? Существует ли компро мисс между этими двумя теориями? Может быть, одна из них устарела, тогда ка к другая является более современной? Если принимать факты, как они есть, т о нам следует говорить о дуализме света. К сожалению, это общеупотребите льное выражение ничего не проясняет, и как тут не вспомнить саркастическ ое замечание Мефистофеля: «Словечко гром кое всегда из затрудненья нас выводит!» первопричина у казанной дилеммы уходит корнями далеко вглубь; она лежит не в самом физи ческом объекте, но в традиционном способе нашего мышления. В процессе жи зни у нас складывается прочная система представлений, например о свойст вах твердых тел и жидкостей, о характере волнового движения и т.п. Короче г оворя, все наше мышление, формируясь под влиянием внешней среды, постепе нно складывается в картину мира, называемую «классической». И человеку н елегко отойти от этой картины. Как говорил Песталоцци, наблюдение – это фундамент познания, и потому по сей день наглядность является одним из в едущих принципов педагогики и лучшим способом познания законов физики. Однако оказывается, что представления, развитые на основе чувственного восприятия мира, неприменимы в области микрофизики, ибо теперь предстои т иметь дело с объектами и процессами, которые принципиально невозможно ни увидеть, ни ощутить. Сведения о них мы получаем лишь косвенно, с помощью специальной аппаратуры. С некоторыми из наших приборов они взаимодейст вуют так, как будто они волны, с другими – подобно частицам. Это, однако, не означает, что указанные объекты являются волнами или частицами. Вообще о бъектам, не имеющим наглядных моделей, не следует приписывать каких-либо свойств на несоответствующем им языке наглядности, которая не принадле жит к числу необходимых характерных свойств объектов. Все эти мысли постоянно встречаются в работах ведущих физиков и философ ов. Их можно резюмировать примерно следующими словами: в настоящее время новые теории возникают уже не только на основе систематизации наглядны х наблюдений. Современные математические понятия, философские выводы, а налогии и т.п. могут давать начало плодотворным гипотезам. Теоретические выводы из этих гипотез допускают проверку экспериментом. Поскольку с помощью измерительного прибора человек воздействует на об ъект, взаимосвязь теории и объекта ее изучения описывается с помощью гип отез, моделей и аналогий. И здесь сразу обнаруживается, как сложны структ уры объектов и взаимоотношения между ними. Сколь привлекательной ни казалась бы нам привычная наглядность предме тов в окружающей нас природе, теперь нам придется отказаться от нее. Поня тия и представления, вынесенные нами из мира, воспринимаемого чувствами , оказываются недостаточными, и их можно употреблять лишь с соответствую щими оговорками. Это может разочаровать нас, так как именно свету мы во мн огом обязаны нашим физическим знанием. Но, положа руку на сердце, кому уда валось увидеть луч света со стороны? Речь идет не о пыльной комнате, в кото рой путь луча обозначен рассеянием света на бесчисленных крошечных пыл инках, а об абсолютном вакууме! Там мы не в состоянии увидеть ни малейшего следа света. Только тогда, когда луч падает на сетчатку глаза, мы восприни маем его действие. При этом происходит чисто квантомеханический процес с, а именно прямое взаимодействие обладающего энергией фотона со сложно й молекулой зрительного пигмента. Это процесс можно сравнить с процессо м, происходящим в фотоэлементе. Итак, в конечном итоге мы приходим к следующему: свет является реальным ф изическим объектом, который не сводится ни к волне, ни к частице в обычном смысле. Эти понятия дают лишь приближенный способ описания объектов с бо лее общими свойствами, которые для удобства называют квантами. Все физик и сходятся сейчас на том, что волны и частицы представляют собой лишь две формы, в которых проявляется одна и та же физическая сущность. 14. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Данин Д. Неизб ежность странного мира, М., изд-во «молодая гвардия», 1996 2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики в3 томах, М., изд-во «Наука», 1971 – 1975. 3. Орир Дж., Попул ярная физика, М., изд-во «Мир», 1969 4. Линдер Г., Карт ины современной физики, М, изд-во «Мир», 1977 5. Льоцци Марио., История физики, М., изд-во «Мир», 1970.