Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света

СОДЕРЖАНИЕ : 1. Античные взгля ды на природу свет ______________________________________________________ 3 2. Взгляд на свет в период раннего средневековья ______________________________________________________ 4 3. Опыты по измерению скорости света ______________________________________________________ 5 4. Открытия Ньютона о природе цветов ______________________________________________________ 5 5. Работы Гюйгенса . Волновая теория света _____________________________________________________ 10 6. Раз витие взглядов на волновую теорию све та . Работы Френеля _____________________________________________________ 11 7. Электрома гнитная теория света . Работы Фарадея и Мак свелла _____________________________________________________ 15 8. Давление света _______ ______________________________________________ 17 9. Поляризац ия _____________________________________________________ 18 10. Квантовая теория света _____________________________________________________ 20 11. Фотоны _______________________________________ ______________ 23 12. Заключе ние _____________________________________________________ 24 13. Список использованной литературы _____________________________________________________ 26 1. АН ТИЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА. Оптикой увлекались ещ е философы к лассического периода , которые больше интересовали сь физиологическими , а не физическими проблем ами . Они задавались вопросами : каким образом мы видим , каково соотношение между ощущение м и видимым предметом ? Дискуссия была , по-в идимому , долгая и с трастная , но д ошедшие до нас документы весьма немногочислен ны и толкования их сомнительны . Здесь буду т упомянуты теории , развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе поз днейшей истории. По-видимому , име нно пифагорейцы впервые выдвинули гипоте з у об особом флюиде , который испускается гл азами и «ощупывает» как бы щупальцами пре дметы , давая их ощущение . Атомисты же были сторонниками испускания предметами «призраков» или «образов» , которые , попадая в глаза приносят душе ощущение формы и цвета т еор и я эта связывается с именем Платона . Согласно Платону , от предметов исхо дит специальный флюид , который встречается с «мягким светом дня» , «ровно и сильно» бьющим из наших глаз . Если оба флюида подобны друг другу , то , встречаясь , они « крепко связываются» и г лаз получает ощущение видимого . Если же «свет очей» встречается с несхожим флюидом , он гаснет и не дает глазам никаких ощущений. Наиболее ранним из известных нам доку ментов , касающихся работ , является трактат по оптике Евклида , великого геометра , расцвет т ворчества которого относится к 300 г . до н.э . Трактат состоит из двух частей – «Оптики» и «Катоптрики». Как следует из первого положения , или постулата : «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Евклид следует теории зрения Платона . От в торого постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения» : «Фигура , образуемая лучами зрения , предста вляет собой конус , вершина которого находится в глазу , а основанием служит граница предмета». На этих и других десяти постулатах (по другим с видетельствам – двенадцати ) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики . В «Оптике» он исследует геометрические проблемы , связан ные с постулатом о прямолинейном распростране нии света : образование тени , изображения , получ ающиеся с помощью малых о т верстий , кажущиеся размеры предметов и их расстоя ние от глаза . В «Катоптрике» рассмотрены я вления , связанные с постулатом о прямолинейно м распространении света : образование тени , изо бражения , получающиеся с помощью малых отверс тий , кажущиеся размеры предм е тов и их расстояние от глаза . В «Катоптрике» рассмотрены явления , связанные с отражением от плоских и сферических зеркал . Из пос тулатов «Катоптрики» замечателен второй постулат : «Все , что ви дно , видно по прямой». Это основной принцип физиологической опти ки . Однако непонятно , как его можно б ыло согласовать с третьим постулатом , дающим точный закон отражения света , известный г рекам еще с древнейших времен . Если светов ой луч – это то же самое , что «св ет очей» , то как он может не отклонять ся на зеркале в соот в етствии со вторым постулатом и менять свое направ ление в соответствии с третьим ? В истории физики противоречия часты , и ученые преод олевали их почти всегда так же , как и Евклид , т.е . обходили молчанием. 2. ВЗГЛЯД НА СВЕТ 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 мн ению , это был наиболее крупный физик сред невековья . Кроме того , он был астрономом , м атемат и ком и комментатором Аристотеля и Галена. В своем первом фундаментальном постулате он утверждает : «Естественный свет и цветовые лучи во здействуют на глаза». Этот постулат он подкрепляет наблюдением , что глаза испытывают боль при падении на них солнечного св ета , прямого ил и отраженного от зеркала , приводя также др угие примеры ослепления . Под естественным све том Альхазен понимает белый солнечный свет , а под цветовыми лучами – свет отражен ный от цветных предметов. Затем с помощью ряда хорошо поставлен ных опытов физико-физиологического характера он показывает несостоятельность представления о свете , исходящем из глаз и ощупывающем тела . В главе IV своего труда он описывает анатомическое строение глаза , заимствовав его у Галена , и далее заявляет : «Зрительный образ получается с помо щью лучей , испускаемых видимыми телами и п опадающих в глаз». Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида , а , так сказать , об обра щенных световых лучах , которые идут не от глаза к предмету , а от предмета к глазу . Но не это является гла вным открытием Альхазена . У Евклида , как и у всех греческих физиков , зрение рассматривало сь как глобальное явление ; считалось , что ощущение воспринимает разом , в едином процесс е образ всего наблюдаемого тела , потому ли , что внешняя «оболочка» тела , отдели в шись , проникает в зрачок , или же по тому , что «свет очей» ощупывает его одновр еменно со всех сторон . Альхазен же с г ениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов : он полагал , что каждой точке наблюдае м ого предмета соответствует н екоторая воспринимающая точка глаза . Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений н аблюдения предмета , нужно предположить , что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей . Но как же тогда одной точке предмет а может соответствовать лишь одна воспринимающая точка ? Альхазен пр еодолел эту трудность , приняв что из всех лучей , проникающих в глаз действенным явл яется лишь луч , перпендикулярный всем глазным оболочкам , которые он считал концентрическим и . Поэтому на п е реднюю поверхность хрусталика , который по Альхазену , и есть орган чувства , действуют те лучи , которые , исходя из любой точки наблюдаемого предм ета , проходят через геометрический центр глаз а . Таким образом , Альхазен устанавливает точно е соответствие между точками восприят ия на внешней поверхности хрусталика и пр иходит к выводу : «Зрительный образ получается с помощью пирамиды , вершина которой находится в глазу , а основание – на видимом теле». Насколько это положение отличается от евклидова ! Это тот же класси ческий закон перспективы , но физика явления здесь изменена . Поэтому , несмотря на серьезные нед остатки этого положения , оно представляет соб ой громадный шаг вперед. 3. ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА. Одним из первых пытался измерить скор ость света Гал илей - он предлагает экс перимент для решения спора о том , конечна или бесконечна скорость света . Два экспер иментатора , вооруженные фонарями , становятся на некотором расстоянии друг от друга и , с огласно предварительной договоренности , первый от крывает свой фонарь , как только за метит свет открытого фонаря второго . Тогда сигнал первого экспериментатора вернется к нему через удвоенное время распространения света от одного наблюдателя ко второму. Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скорости све та . Но за Галилеем остается заслуга первой постан овки этой проблемы в экспериментальном плане и проектирования эксперимента столь гениальн ого , что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорости света в земных условиях . Действ и тельно , в принципе опыт Физо отличаетс я от опыта Галилея лишь тем , что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом , тотчас отражающим пришедший световой сигнал. 4. ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ. Дальнейшим развитием взглядов на природу света явл яются работы Ньютона . В 1669 г . в Кембридже Ньютон начал читать оптик у . 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 з вавшего критические замечания ряда ученых , и в частности Гу ка . За ним последовала долгая полемика , си льно огорчившая Ньютона , человека весьма разд ражительного и чувствительного к критике . Дел о кончилось тем , что Ньютон заперся в своей лаборатории , чтобы т а м , в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике , которую опубликовал в Лондоне в 1704 г . под названием «Оптика» в момент , представлявшийся ему благоприятным (годом рань ше умер Гук .) В предисловии Ньютон говорит , что значительная часть этой раб о ты была написана в 1675 г . и направлен а секретарю Королевского общества для прочтен ия на заседании . Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление , чтобы сделать теорию более полной . Еще позже он добавил трет ью книгу . Еще при жизни Ньютона вышли второе изда н ие «Оптики» в 1717 г . и третье в 1721 г. «Оптика состоит из трех книг . В пе рвой рассматриваются отражение , преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов ) с приложением к объяснению радуги и с отступлением , посвященным телескопам и отражению . Во вто рой книге рассматриваются цвет а тонких пленок . Наконец , третья книга сод ержит краткое экспериментальное исследование диф ракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера». Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и об ещанием описывать явления , не выдвигая гипотез : «Мое намерение в этой книге , - предупре ждает автор , - не объяснять свойства гипотезами , но изложить и доказать их рассуждениями и опытами . Для этого я предпосылаю сл едующие определения и аксиомы» , - но нет и речи о том , чтобы Ньютон придержива лся этой программы . Сразу же после этого , поражает первое определение , которое либо ничего не означает , либо говорит о явно корпускулярном характере теории . Первое опре деление гласит : «Под лучами света я разумею его м ельч айшие части , как в их последовател ьном чередовании вдоль тех же линий , так и одновременно существующие по различным линиям». А что означает утверждение : «Луч света – это его мельчайшая часть» ? Из этог о утверждения ясно , что для Ньютона луч света – это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров , а , как говорится в пояснении к этому определению , «наименьший свет или часть света … к оторая может быть оставлена одна , без оста льного света , или же распространяется одна , или совершает или испытывает о д на что-либо такое , чего не совершает и не испытывает остальной свет». Иными словами , Ньютон был жертвой иллю зии , присущей многим экспериментаторам : заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории , но одновременно ос новывает истолко вание своих экспериментальны х результатов на новой теоретической концепци и светового луча – концепции корпускулярной , или если пользоваться современным термином , квантовой. Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по сущест в у осталась основой современной физическо й оптики . Было бы излишне подчеркивать ген иальность постановки проблемы , искусность ее решения , точность измерений . Достаточно лишь о братить внимание на громадный скачок , произош едший под влиянием работ Ньютона в ис с ледованиях преломления в призме , которыми занимались до него очень многие физики , начиная с Сенеки. Первая группа опытов , весьма простых , состояла в наблюдении через призму двухцветно й бумаги (красной и синей ), освещенной солн цем . Этот опыт позволил Ньютон у прийти к фундаментальному выводу : «Лучи , отличающиеся по цвету , отличаются и по степени преломляемости». И если само это утверждение и не вполне ново , поскольку оно высказывалось еще в 1648 г . Марко Марчи (1595-1667), зато весь ко мплекс последующих экспе риментов , дающих ему окончательное подтверждение , был весьма н овым , так что не мог пройти незамеченным . Проделав небольшое круглое отверстие в с тавне окна темной комнаты , Ньютон заставил пучок лучей , проходящих через это отверстие , падать на призму с боль ш ой дисперсией и направлял «спектр» на противо положную стену , находившуюся на расстоянии в несколько метров . В первой серии опытов , проведенных с помощью такого приспособления , выделяется опыт с двумя скрещенными приз мами . Эти опыты убедили Ньютона в том , ч то цвета присутствуют в солнечно м свете , а призма лишь разделяет их , и привели его к установлению взаимно одноз начного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта : показатели пр еломления дейс т вительно постоянны для двух заданных сред при любых углах п адения , но меняются только цвета. В другой серии опытов Ньютон разлагае т свет с помощью призмы , направляет спектр на экран , в котором проделана узкая щ ель , и направляет свет , проходящий через э ту щ ель , на вторую призму , которая отклоняет его , но уже не разлагает . Эта группа опытов , имеющая фундаментальное значение для спектроскопии , привела Ньютона к поня тию однородного света : «Всякий однородный свет имеет собственную окраску , отвечающую степени его преломл яемости , и такая окраска не может изменять ся при отражениях и преломлениях». Тем самым с предельной очевидностью б ыло экспериментально подтверждено предвидение Де карта о природе цветов : тела на которые падает свет , не производят цветов , и луч и не с ами по себе ; лучам свойствен на определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета . Следуя многовековой традиции Ньютон насчитывает семь цветов (красный , оранжевый , желтый , зеленый , голубой , синий , фиолетовый ), не считая белого и черно г о. После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов в равной сери и изумительных , к синтезу цветов . Некоторые из этих опытов стали классическими и п риводятся в учебниках физики . Сюда относится , например , опыт с гребенкой , которая быстр о переме щается перед спектром , так что он кажется белым благодаря явлению стойк ости изображения , которому Ньютон не дал б олее точного объяснения , или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы. Все эти свойства открытые Ньютоном св ойства света по зволили ему дать новое , более полное объяснение радуги истолковать цвета тел как результат избирательного п оглощения падающего на них света. В первой части второй книги «Оптики» , состоящей из четырех частей , описывается теория основополагающих опытов , пров еденных с исключительным и ставших классическими . Э та часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства . Здесь Н ьютон возобновляет исследование цветов тонких слоев , начатое еще Гуком , но в то же время как Гук исследовал слои пос т оянной толщины , которую безуспешно пытался непосредственно измерить , Ньютон воспол ьзовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся то лщиной . Применявшееся Ньютоном классическое устро йство общеизвестно : плосковыпуклая линза с очень малой кривизной , опирающаяся с воей плоской стороной на другую линзу , дво яковыпуклую . При падении на поверхность линзы белого света Ньютон , как до него Бойл ь , а после него , все студенты , обучающиеся физике , наблюдая отражение света , т.е . гляд я с то й же стороны , откуда п адает свет , видел темное пятно , соответствующе е точке соприкосновения двух линз , окруженное последовательностью чередующихся светлых и т емных концентрических колец радужной окраски. Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете , но и монохроматическ ом . Качественно явление носило такой же ха рактер , но в то время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец , в монохроматическом свете было видно их несколько десятков . Это явление предст авлялось значительно более эффектн ы м , если кольца , полученные в белом свете , рассматривать через призму : в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цв ета , смещенных относительно друг друга. Многочисленные опыты с этим явлением и точные измер ения позволили Ньютону открыть различные закономерности , оставшиеся спра ведливыми и по настоящее время : радиусы ко лец (светлых и темных ) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номе ра , так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиу с а первого кольца , а радиус девятого кольца – втрое боль ше ; кольца расположены тем ближе , чем боль ше степень преломляемости света , т.е . радиусы колец одного и того же порядкового ном ера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому ; т е мные кольца образуются всегда при тол щинах слоев , кратных некоторому наименьшему з начению , зависящему от цвета ; толщина , соответс твующая красным кольцам , составляет 14/9 толщины , соответствующей фиолетовым кольцам того же по рядка ; кольца сближаются , если п ростр анство между обеими линзами заполняется водо й. Весь этот комплекс количественных экспери ментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии некоторой периодичност и , характерной для каждого цвета . Поэто му Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности . С этой целью он прежде всего замечает , что материю следует считать весьма «порист ой» , т.е . состоящей из отдельных крупинок , п огруженных в пустое пространство , подобно том у как т у ман состоит из капеле к воды , окруженных воздухом . Отсюда следует , что отражение света не может быть обус ловлено упругим ударом частиц света о вещ ество , и , согласно Ньютону , многие оптические явления подтверждают эту точку зрения . Как же тогда объяснить от р ажение ? «Каждый луч света при своем прохожден ии через любую преломляющую поверхность приоб ретает некоторое преходящее строение или сос тояние , которое при продвижении луча возвраща ется через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легко му прохождению через ближайшую преломляющую п оверхность , а между возвращениями – к лег кому отражению». Определив «приступы» отражения или прелом ления как периодическое возвращение предрасполож ения луча к отражению или преломлению , а периоды приступов как п ромежутки вре мени между двумя последовательными приступами , Ньютон следующим образом отвечает на вопро с , почему свет , попадающий на границу разд ела двух сред , частично отражается , а част ично преломляется : «Свет находится в состоянии приступов легкого отраж ения и легкого преломлени я и до падения на прозрачные тела . И , вероятно , он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела , сохр аняя их во время своего пути». Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету , присущи ему с самого мо мента его излучения или же они являются приобретенным свойством , т.е . п риобретаются в момент прохождения света через тела ? Ньютон считает свойства света то внутренними , то приобретенными , в зависимости от того , что более удобно . Ньютон чувств овал противор е чивость и затруднительн ость своей позиции , но настаивал на том , что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это просто констатация факта , какова бы ни была их природа . Тут же он добавляет , правда , что те , кто любит строить гипотезы картезианского ти п а , могут представить себе , что , так же как камни падая в воду , вызывают в ней определенное колебательное движение , так и световые корпускулы , ударяясь об отража ющие поверхности , возбуждают колебания , распростра няющиеся быстрее самих частиц света и пот ому о бгоняющие их ; эти волны , дей ствуя на корпускулы определяют и обусловливаю т приступы легкого отражения. Верна или ошибочна эта гипотеза , Ньюто н не хочет разбирать : «Я довольствуюсь простым открытием , что лучи света благодаря той или иной прич ине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях». Несмотря на противоречия , неясности и поправки , теория приступов является весьма гл убоким представлением , которое теперь , в свете волновой механики , может быть лучше понят но и точнее оцене но. 5. РАБОТЫ ГЮЙГЕНСА . ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Фундаментальные работы Ньютона , вошедшие потом в «Оптику» оказали большое влияние на современников . Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ . Действительно , бу дучи приверженцем теории цвето в Гука , он после работ Ньютона , восхищаясь их эксп ериментальной стороной , но не разделяя его теоретической интерпретации , пришел к выводу , что «явление окрашивания остается еще весь ма таинственным из-за трудности объяснения эт ого разнообразия цветов с пом о щью какого-либо физического механизма». Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате. Эта небольшая работа , занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений , состоит из шести глав . В первой рас сматривается прямолинейное распространение с вета , во второй отражение , в третьей – преломление , в четвертой – атмосферная реф ракция , в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз. Работа начинается с критики предшествующи х теорий Декарта и Ньют она . Если с вет состоит из корпускул , то как же он может распространяться прямолинейно в телах , не испытывая отклонения ? И как это мо жет быть , чтобы два пересекающихся пучка л учей , т.е . два потока частиц , не возмущали друг друга путем взаимных соударений ? Н о 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 . разъединять их част и , «что служит убедительным признаком движени й , по к р айней мере для истинно й философии» ; что зрительное ощущение возника ет при возбуждении окончания зрительного нерв а ; что , как и в случае соударений , два или несколько движений могут накладываться , не возмущая друг друга ; что распростране ние звука происходит путем движения . Достаточно , говорит Гюйгенс , учесть все эти факты , чтобы прийти к безусловному выводу : «Нельзя сомневаться в том , что свет состоит в движении какого-то вещества». Но в какой же среде распространяется свет ? Еще раз установив параллель между звуком и светом , Гюйгенс замечает , ч то этой средой не может служить воздух , поскольку опыты с пневматической машиной п оказали , что свет в отличие от звука р аспространяется и в пустоте , и постулирует существование некоторой эфирной материи , котора я заполн я ет всю Вселенную , проника ет во все тела , чрезвычайно разрежена , так что она не проявляет никаких свойств тяжести , но очень жесткая и упругая . Как видно , Декарт нашел достойного последователя ! Приняв существование такого вещества , Гюй генс рассматривает меха низм распространения движения . Он начинает с примера пламени . Каждая точка пламени сообщает движение ч астицам окружающего эфира , т.е . создает свою собственную волну , а каждая частица эфира , которой достигла волна , становится в свою очередь центром другой, меньшей в олны . Таким образом , это движение распространя ется от частицы к частице через посредств о вторичных сферических волн , подобно тому , как распространяется пожар . Может показаться странным и почти невероятным , что волнообра зное движение , вызываемое с т оль ма лыми движениями и частицами , способно распрос траняться на такие огромные расстояния , как отделяющие нас от звезд . На это Гюйгенс отвечает : «Но это число перестает быть удивител ьным , если принять во внимание , что бескон ечное число волн , исходящих прав да , из различных точек святящегося тела , на боль шом расстоянии от него соединяются для на шего ощущения только в одну волну , которая , следовательно , и должна обладать достаточной силой , чтобы быть воспринятой». Это и есть принцип построения огибающ ей волны, сделавшей бессмертным имя Гюйг енса . Он поясняет его рисунком , какой можн о увидеть чуть ли не в каждом совреме нном учебнике физики . Ясно , что при таком понимании исчезает световой луч древних греков , исчезает и луч света Ньютона . Лейб ниц сразу понял значе н ие концепци и и писал Гюйгенсу 22 июня 1964 года : «Безусловно , господин Гук никогда бы н е пришел к объяснению законов преломления с помощью построенной им картины волновых движений . Вся суть в том , каким образо м вы рассматриваете каждую точку луча как излуч ающую и складываете основную во лну со всеми вспомогательными волнами» К сожалению , при новом подходе исчезае т и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света . Гюйгенс выдвигает объяснение , утверждая , что за п репятствием р аспространяющиеся там элементар ные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными , и делает вывод : «В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии». Однако это утверждение остается голословн ым , так что его можно с равным правом принять ил и отвергнуть. Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестя щим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения , преломления и полного внутреннего отражения – явлений , интерпретация которых вынуди ла Ньютона осложнять с вою теорию , нагромождая одну теорию на дру гую . По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках . Нова я теория обладала также тем преимуществом , что для объяснения преломления она в с оответствии со здравым смы с лом тр ебовала меньшей скорости в боле плотной с реде. 6. РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА . РАБОТЫ ФРЕНЕЛЯ. Молодой 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 службы и вынужден был удалиться в Матье , близ Каэне , посвятил себя исследованию дифракции , имея в своем распоряжении лишь случайное и примитивное экс периментальное оборудование . Два мемуара , представленных им 15 октября 1815 г . Парижской Ак адемии наук , были первым результатом этих трудов . Френель был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благопри ятных условиях. Френель начал исследовать тени , отбрасыв аемые небольшими препятствиями на пути лучей , и обнаружил образование полос не только снаружи , но и внутри тени , что до него уже наблюдал Гримальди и о чем умолчал Ньютон . Исследование тени , образуе мой тонкой проволокой , привело Френеля к в торичному откры т ию принципа интерфере нции . Его поразило , что , если край экрана был расположен вдоль одной стороны проволо ки , внутренние полосы исчезали . Итак , подумал он сразу , раз прерывание света от одног о из краев проволоки приводит к исчезнове нию внутренних полос , зн а чит для их образования необходимо совместное действи е лучей , приходящих с обеих сторон проволо ки. «Внутренние каемки не могут образовыватьс я от простого смешения этих лучей , потому что каждая сторона проволоки в отдельнос ти направляет тень только на непрер ыв ный поток света ; следовательно , каемки образую тся в результате перекрещивания этих лучей . Этот вывод , который представляет собой , так сказать , перевод явления на понятный язык , полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию колебаний . Лег к о можно догадаться , что колебания двух луч ей , которые скрещиваются под очень малым у глом , могут действовать в противоположные сто роны в тех случаях , когда узлы одних в олн соответствуют пучностям других». В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверс тиями , которые по его мнению , были вполне подходящими для иллюстрации волновой природы света . Тем не менее , для исключения всякой возможности истолкования этого явления как действия кр аев отверстий Френель придумал известный «опы т с двумя зеркалами» , о к о торо м он сообщает в 1816г ., а затем в 1819 г . «опыт с бипризмой» , ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа и нтерференции. Взяв на вооружение принцип интерференции , волновая теория располагала теперь тремя принципами : принципом элементар ных волн , принципом огибающей и принципом интерференции . Это были три отдельных принципа , которые Френель гениально решил слить воедино . Та ким образом , для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие , как для Гю йгенса . В произвольной точке вол н ы полный эффект представляет собой алгебраичес кую сумму импульсов , создаваемых каждой элеме нтарной волной ; полная сумма всех этих имп ульсов , складывающихся согласно принципу интерфер енции , может быть , в частности равна нулю . Френель произвел такой расчет, хо тя и не вполне строгим способом , и при шел к выводу , что влияние сферической волн ы во внешней точке сводится к влиянию небольшого сегмента волны , центр которой на ходится на линии , соединяющей источник света с освещенной точкой ; остальная часть волн ы дает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке. Тем самым было определено препятствие , стоявшее в течение веков на пути утвер ждения волновой теории – согласование прямол инейного распространения света с его волновым механизмом . Каждая точка вне волны получа ет свет лишь от очень небольшой е е области , прилегающей к точке , ближайшей к рассматриваемой ; все происходит так , как если бы свет распространялся по прямой ли нии от источника к освещенной точке . Дейст вительно , волны должны огибать препятствия , но это утв е рждение не следует п онимать грубо качественно , поскольку отклонение волны за препятствием зависит от длины волны . Зная длину волны , можно рассчитать , как и насколько отклонится свет за препят ствием . Рассматривая явление дифракции , Френель произвел такой р а счет , и его результаты прекрасно совпали с экспериментальн ыми данными. После нескольких лет перерыва в иссле дованиях Френель вновь излагает свою теорию в обширном мемуаре о дифракции , представл енном в 1818 г . на конкурс Парижской Академии наук . Этот мемуар рассматривался комисс ией , состоявшей из Лапласа , Био , Пуассона , А раго и Гей-Люссака . Трое первых были убежд енные ньютонианцы , Араго был настроен в по льзу Френеля , а Гей-Люссак , по существу , не был компетентен в рассматриваемом вопросе , но был известен св о ей честност ью . Пуассон заметил , что из теории Френеля можно вывести следствия , находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смы слом , поскольку из расчета следует , что в центре геометрической тени непрозрачного дис ка надлежащих размеров должно наб л юдаться светлое пятно , а в центре конической проекции небольшого круглого отверсти я на определенном расстоянии легко вычисляемо м расстоянии должно наблюдаться темное пятно . Комиссия предложила Френелю доказать экспер иментально выводы из его теории , и Френ е ль блестяще это выполнил , доказав , что «здравый смысл» в этом случае ош ибается . После этого по единодушному предложе нию комиссии Академия наук присудила ему премию , а в 1823 г . он был избран ее чл еном. После установления теории дифракции Френе ль перешел к исследованию явления поляр изации . Корпускулярная теория вынужденная для интерпретации многочисленных явлений , открытых в первое пятнадцатилетие XIX века , вводить одну за другой различные гипотезы , совершенно необ основанные и порой противоречивые , к этому в ремени невообразимо усложнилась . В сво ем опыте с двумя зеркалами , расположенными под углом , Френель получил с помощью од ного источника света два мнимых источника , всегда строго когерентных . Он попытался так же видоизменить этот прибор , используя два луча , п олучающихся при двойном лу чепреломлении одного луча , и компенсируя надл ежащим образом разносить оптических путей обо их лучей . Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этих поляризованных луч ей. Тот факт , что луч , поляризованный при отражении , о бладает двумя плоскостями симметрии , ортогональными друг другу и прох одящими через луч , мог натолкнуть на мысль о том , что колебания эфира происходят в этих плоскостях перпендикулярно направлению луча . Эта идея была высказана Френелю Ампером еще в 1815 г., но Френель не воспользовался ею . Юнгу , едва лишь он уз нал об опытах Френеля и Араго с поляр изованным светом , тоже пришла мысль о попе речных колебаниях , однако то ли из-за неув еренности , то ли благоразумия он говорил о б этом как о «воображаемом поперечном движении» , т.е . как о понятии чисто фантастическом , - столь бессмысленными с механичес кой точки зрения представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира. После того как в течение многих л ет Френель пользовался языком теории продольн ых колебаний , в 1821 году он , не найдя другого пути интерпретации поляризованных явле ний , решился принять теорию поперечности коле баний . В том же году он пишет : «Лишь несколько месяцев тому назад , ра змышляя с большим вниманием по этому пово ду , я признал весьма вероят ным , что колебательные движения световых волн осуществл яются только в плоскости волн , как для простого , так и для поляризованного света… Я постараюсь показать , что гипотеза , кото рую я представляю , не содержит ничего физи чески невозможного и что она уже не может служить для объяснения осно вных свойств поляризованного света». То , что эта гипотеза может объяснить основные свойства поляризованного света , был о детально показано Френелем ; что же касае тся того , что в этой гипотезе нет ниче го физически невозможног о , - это уже со всем другое дело . Из поперечности колебаний следовало , что эфир , будучи тончайшим и невесомым флюидом , должен одновременно быть н аитвердейшим телом , тверже стали , ибо только твердые передают поперечные колебания . Эта гипотеза представлялась исключительно сме лой , почти безумной . Араго , физик явно не склонный к предрассудкам , тот самый Араго , который был другом , защитником Френеля во всех случаях , не нашел возможным разделит ь ответственность за эту странную гипотезу и отказался подписать предс т авленн ую Френелем статью. Таким образом , с 1821 г . Френель продолжал свой путь в одиночку , и это был п уть , полный побед . Гипотеза о поперечности колебаний позволила ему построить свою механ ическую модель света . Основой ее является эфир , заполняющий всю Все ленную и прон изывающий все тела , причем эти тела вызыва ют изменение механических характеристик эфира . Из-за этих изменений , когда упругая волна переходит из свободного эфира в эфир , с одержащийся в веществе , на поверхности раздел а часть волны поворачивает обратно , а часть проникает в вещество . Тем самым было дано механическое объяснение явления частичного отражения , остававшегося в течение нескольких веков тайной для физиков . Выв еденные Френелем формулы , носящие теперь его имя , сохранили свой вид до наших дней . Скорость распространения колебаний в среде зависит от длины волны , а при заданной длине волны тем меньше , чем более преломляющей является среда . Отсюда выт екают как следствие преломление света и е го дисперсия . В изотропных средах волны им еют сферич е скую форму с центром в точечном источнике излучения ; в анизотроп ных средах форма волны описывается , вообще говоря , поверхностью четвертого порядка . В т еории Френеля все сложнейшие явления поляриза ции интерпретируются в удивительном согласии с эксперимента л ьными данными и пр едстают как частные случаи общего закона сложения и разложения скоростей. 7. ЭЛЕКТРОМА ГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА. РАБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА. То , что все физические явления предста вляют собой лишь различные проявления одной и той же сущност и , или идея « единства физических сил» , было основной филос офской предпосылкой физики прошлого века . Сис тематическое применение этого принципа мы пос тоянно находим в работах одного из самых проницательных исследователей всех времен – Майкла Фарадея (1791-1 8 67). Какова связь между электричеством и магнетизмом ? Можно ли превратить одно в другое ? Другие физики тоже ставили перед собо й эту проблему , которая соответствовала общей тенденции науки того времени , тяготевшей к унифицирующим теориям . Еще в 1812 г . Дом енико Морикили (1773-1836) и в 1826 г . Гюнтер К ристи ошибочно считали , что им удалось доб иться намагничивания под воздействием света . Но Фарадея убедили не опыты Морикини , кото рый продемонстрировал их специально в 1814 г . в Риме , когда Фарадей , сопровожда я Дэви , путешествовал по Италии . Большое влиян ие на него оказали идеи Джона Гершеля , который в отклонении магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию , аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его прохождении чере з некоторые тела . Однако проведенные Фарадеем в 1834 г . и повторенные в 1838 г . опыты с целью обнаружения действия электри ческого поля на свет не дали желаемого результата . Оставив эти попытки электрооптическ их исследований , Фарадей в 1845 г . приступил к м а гнитооптическим опытам . После п ервых неудач , которые его , однако , не обеск уражили , он обнаружил новое явление . Параллеле пипед из тяжелого стекла (фингласа ) был по мещен между полюсами электромагнита и через него пропускался поляризованный луч света паралле л ьно силовым линиями поля . При возбуждении электромагнита плоскость поляр изации света поворачивалась. Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г . в девятнадцатой серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству» , озаглавленной «Намагничива ние света и освещение магнитных силовых линий» . Еще до появления в печати этой статьи ее загл авие было многими раскритиковано , особенно из- за выражения «освещение магнитных силовых лин ий» . Поэтому уже в корректуре Фарадей доба вил примечание , чтобы пояснит ь и оправдать это выражение : «Я полагаю , что в опытах , описываемых мною в настоящей статье , свет испытал на магнитное действие , то есть что магн итному действию подвергалось то , что является магнитным в силах материи , а последнее в свою очередь воздействова ло на т о , что является подлинно магнитным в силе света» Иначе говоря , Фарадей считал , что в свете присутствует некий магнетизм . Эти сло ва тогда , в 1845 г ., казались физикам еще б олее непонятными , чем то выражение , которое они должны были пояснить , ибо по т еории Френеля , которая тогда глубоко у коренилась , свет не имел ничего общего с магнетизмом. Максвелл придерживался взглядов Фарадея о тносительно природы света. «В различных местах этого трактата , - п ишет Максвелл , приступая в ХХ главе четвер той части свое го «трактата о электрич естве и магнетизме» к изложению электромагнит ной теории света , - делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механиче ского действия , передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды , занимающе й простра н ство между этими телами . Волновая теория света также допускает су ществование какой-то среды . Мы должны теперь показать , что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды… Мы можем получить численное значение некоторых свойств с реды , таких , как ск орость , с которой возмущение распространяется через нее , которая может быть вычислена и з электромагнитных опытов , а также наблюдена непосредственно в случае света . Если бы было найдено , что скорость распространения электромагнитных возм у щений такова же , как и скорость света , не только в воздухе , но и в других прозрачных ср едах , мы получили бы серьезное основание д ля того , чтобы считать свет электромагнитным явлением , и тогда сочетание оптической и электромагнитной очевидности даст такое ж е доказательство реальности среды , какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельс тв наших органов чувств». Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований приходит к выв оду , что в пустоте поперечные токи с мещения распространяются с той же скоростью , что и свет , что и «представляет собой подтверждение электромагнитной теории света» , - уверенно заявляет Максвелл . Затем Максвелл изучает более детально свойства электромагнитн ых возмущений и приходит к вывод а м , сегодня уже хорошо известным : колеб лющийся электрический заряд создает переменное электрическое поле , неразрывно связанное с переменным магнитным полем . Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во вре мени в любой точке пространства возни к ают электрические и магнитные колебания , т.е . интенсивность электрического и магнитног о полей периодически изменяется ; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно перпендикулярно . Эти колебания распростра няются в пространстве с определенной с коростью и образуют поперечную электромаг нитную волну : электрические и магнитные колеб ания в каждой точке происходят перпендикулярн о направлению распространения волны. 8. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. В 1884 г . Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент Ге льмгольца , приступил к изучению теории Максвелла . В 1887 г . он повт орил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками . После нескольких попыток ему у далось поставить свои классические опыты , хор ошо известные сейчас . С помощью «генератора» и «резонатор а » Герц эксперимента льно доказал (способом , который сегодня описыв ают во всех учебниках ), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны , состоящ ие из двух колебаний – электрического и магнитного , поляризованных перпендикулярно друг другу . Герц уст а новил также о тражение преломление и интерференцию этих вол н , показав , что все опыты полностью объясн имы теорией Максвелла. По пути , открытому Герцем , устремились многие экспериментаторы , но им не удалось многого прибавить у уяснению сходства светов ых и эле ктрических волны , которую брал Герц (около 66 см .), они наталкивались на явления дифракции , затемнявшие все другие э ффекты . Чтобы избежать этого , нужны были у становки таких больших размеров , которые прак тически в те времена были нереализуемы . Бо льшой шаг вперед сделал Аугусто Ри ги (1850-1920), которому с помощью созданного им но вого типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см .). Таким образом , Риги удалось воспроизвести все опт ически е явления с помощью приспособ лений , которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов . В частн ости , Риги первому удалось получить двойное преломление электромагнитных волн . Работы Риги начатые в 1893 г . и время от времени описывавши е ся им в заметках и статьях , публиковавшихся в научных журналах , были затем объединены и дополнены в те перь уже ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний» , вышедшей в 1897 г ., одно лишь название которой выражает содержани е целой эпохи в ис т ории физик и. В 1891 г . русский ученый П.Н . Лебедев н ачал работать в Московском университете в должности лаборанта . Но у Петра Николаевича был уже большой план научной работы. Основные физические идеи этого плана были напечатаны П.Н . Лебедевым в Москве , в н ебольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел» . 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 с тало делом всей , к сожалению корот кой , жизни П.Н . Лебедева : последняя незаконченна я работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света. Из теории Максвелла следовало , что све товое давление на тело равно плотности эн ергии электромагнитного поля . (При полном отражении давление будет в два раза бо льше .) Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность . Во-первых , дав ление очень мало и нужен чрезвычайно тонк ий эксперимент для его обнаружения , не гов оря уже о его изме р ении . И Лебедев создает свою знаменитую установку – систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе . Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью . Во-вторых , серьезной помехой был радиометрическ ий эффект : при падении света на тело ( тонкие диски в опытах Лебедева ), оно нагревается . Температура освещенной сторон ы будет больше , чем температура теневой . В озникает дополнительная отдача , направленная в ту же сторону , что и световое давление , но во много раз превосходящая его . Кр оме того , п ри наличии разности т емператур возникаю конвекционные потоки газа . Все это надо было устранить . П.Н . Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего э кспериментатора преодолевает эти трудности . Плати новые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0 ,01 мм , что приводило к быстром у выравниванию температуры обеих сторон . Вся установка была помещена в наивысший дост ижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт . ст .). П.Н . Лебедев сумел сделать это очень остроумно . В стеклянном баллоне , где находилась у становка , Лебедев помещ ал каплю ртути и слегка подогревал ее . Ртутные пары вытесняли воздух , откачиваемый насосом . А после этого температура в ба ллоне понижалась и давление оставшихся ртутны х паров резко уменьшалось (ртутные пары , к ак говорят , замораживал и сь ). Кропотливый труд увенчался успехом . Предв арительное сообщение о давление 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 исследо вание светового давления» . Работа получила вы сочайшую оценку ученых и стала новым , блес тящим экспериментальным подтверждением теории Ма ксвелла . В . Томсон , например , узнав о резуль татах опытов Лебедева , в беседе с К.А, Тимирязевым сказал : «Вы , может быт ь , знаете , что я всю жизнь воевал с Максвеллом , не признавая светового давления , и вот ваш Лебедев заставил меня сдатьс я перед его опытами» . Ф . Пашен писал Ле бедеву : «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений ф и зики за последние годы». К впечатляющим словам этих физиков мо жно добавить еще то , что доказательство су ществования светового давления имело огромное философское и мировоззренческое значение . Ведь из факта существования давления электромагни тных волн следо вал очень важный вывод о том , что они обладают механическим импульсом , а значит , и массой . Итак , электро магнитное поле обладает импульсом и массой , т.е . оно материально , значит , материя существ ует не только в форме вещества , но и в форме поля. 9. ПОЛЯРИЗ АЦИЯ. В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят как электри ческие , так и магнитные колебания . Колебания всегда направлены строго перпендикулярно лучу , указывающему направление распространения волны . В свою очередь векторы электричес ког о и магнитного полей перпендикулярны друг другу . Таким образом , электромагнитные волны являются волнами поперечными . Во всех случа ях первоначальное направление колебаний сохраняе тся неизменным для всего цуга волн . Образн о выражаясь , электрическая компо н ента волны как бы «прибита» к стенке , кото рая перемещается в пространстве параллельно с амой себе со скоростью света . Ввиду наличи я строго определенного и неизменного направле ния колебаний такие волны называют линейно поляризованными . Однако говорить о пол я ризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн . Например , в воздушных звуко вых волнах , где частицы движутся лишь вдол ь направления распространения , возможно лишь одно-единственное направление колебаний. Сегодня ясен механизм возникновения попер ечных вол н и связанное с ним явле ние поляризации , но раньше все это предста вляло очень серьезную проблему . Особенно долг о ученые ломали голову над явлением поляр изации света , и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснение . Причина заложена в природе любог о реального источника света . Начиная с Сол нца и заканчивая современными ртутными лампам и высокого давления , все без исключения ис точники света содержат бесчисленное множество совершенно беспорядочно колеблющихся друг отно сительно друга атом о в . Согласно из ложенной выше теории , свет , излучаемый каждым отдельным атомом , строго поляризован . Однако в целом направления векторов поляризации света от всех атомов определяется чисто случайными причинами и потому не имеют выделенной ориентации в простр а нстве . В плоскости , перпендикулярной лучу , они о бразуют друг с другом всевозможные углы . Т аким образом , луч можно уподобить нити , со стоящей из множества свитых волнистых волокон . Если мы хотим поляризовать световой л уч , мы должны внести порядок в этот ха о с . Для нити с этой целью можно было бы использовать гребень ; для доказател ьства наличия поляризации исследуемых им вол н Генрих Герц использовал решетку из пара ллельных проволочек . Если , как это теперь общепринято , под направлением поляризации понимат ь на п равление колебаний именно эл ектрического вектора волны , то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку , если колебания происходят перпендикулярно проволочкам ; в пр отивном случае волна отразится. В настоящее время для исследования св ета применяется преимуществе нно поляризованн ые фильтры . По строению составляющих их мо лекул они принадлежат к группе так называ емых веществ с двойным лучепреломлением (к их числу относятся , например , естественные к ристаллы исландского шпата , кварца и др .). п ринцип действия этих филь т ров осн ован на том , что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты . В двоякопреломляющем кристалле кажд ая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показатель прелом л ени я , а следовательно , и свою скорость распро странения . В некоторых веществах (в частности , в уже упоминавшихся фильтрах ) одна из компонент полностью поглощается и пропускается лишь вторая , которая оказывается таким об разом поляризованной в строго определ е нном направлении. При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе , однако по мере продвижения по кристаллу они все бол ее сдвигаются относительно друг друга . Выйдя с противоположной стороны кристалла , волны снова приобретают прежнюю дину , со ответ ствующую воздуху , однако возникший сдвиг фаз сохраняется . Таким образом , совершенно незаме тно для человеческого глаза свет внутри к ристалла существенно изменяется. В любой точке луча две взаимно пе рпендикулярные компоненты дают результирующую . Несмот ря на такое серьезное отлич ие от обычного света , циркулярно поляризованн ый свет при прохождении через кристалл не обнаруживает никаких особенностей . Вектор эл ектрической напряженности вращается с частотой света , то есть с такой скоростью , что заметить это вращение простым глазо м невозможно. 10. КВ АНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА. Несмотря на блестящие успехи электродинам ики Максвелла - Герца , в конце прошлого сто летия оставалась неразрешенной еще одна пробл ема . Речь идет об излучении , испускаемом н агретым телом , - мы можем наблюдать его , например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не останавливаясь на частностях , связанных со свойствами мате риалов , рассмотрим тепловое излучение черного тела . Под этим термином понимают тело , пол ностью поглощающе е все длины волн падающего на него излучения . Однако черное тело обладает также способностью к самос тоятельному излучению . Как и любое другое тело (и даже в большей степени ), оно ис пускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн , определяемый тем п ерату рой тела . Абсолютно черное тело обладает т акже наибольшей по сравнению со всеми дру гими телами излучательной способностью. Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его температуры . Однако , не останавливаясь на этом , мы по ставим сл едующий вопрос : каким образом при данной температуре распределяется интенсив ность излучения черного тела между волнами различной длины ? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора , который разлагае т излучение на отдельные линии . Излучение в кажд о й узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и из меряют его интенсивность . Оказывается , что каж дая область длин волн характеризуется определ енной интенсивностью , причем для каждой темпе ратуры наблюдается свое особое распределение . Графиче с ки оно выглядит как коло колообразная асимметричная кривая и напоминает картину распределения молекул газа по скор остям . Сходство между кривыми столь велико , что следует ожидать аналогии и в форму лах , описывающих эти кривые. К этой мысли пришли два английск их ученых – Джон В . Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубич еской формы с «зеркальными» внутренними стенк ами , в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой д лины волны . Внутри ящика это из л учение начинает «метаться» , отражаясь то от одной стенки ; при этом возникают с тоячие электромагнитные волны . С помощью допо лнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать очень интересным , если поместить в ящик Джинса небольшой ку с очек угля , который практически является абсолютно черным телом и поэтому жадно поглощает падающее на него излучен ие , а затем , нагреваясь , излучает сам . Излуч ение этого уголька состоит из волн различ ной длины ; в конце концов устанавливается равновесие межд у волнами , допустимыми в кубическом ящике , и излучением черного тела , моделируемого кусочком угля. Какие же длины волн могут «существова ть» в ящике ? Какую энергию они несут ? Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию , приходящуюся на определенный интервал час тот , они получили неожиданный резуль тат : плотность энергии излучения полости долж на возрастать пропорционально квадрату частоты . Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти по лностью сосредоточиться в коротковолновой части спе к тра . Тогда любая комнатная печь , которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса , была бы накопителем смертоносного коротковолно вого излучения . Мимолетного взгляда в приоткр ытую дверцу печи было бы достаточно , чтобы излишне л ю бознательный отправился бы к праотцам : он попал бы под дейс твие опасных для жизини ультрафиолетовых , рен тгеновских и г - лучей . Разумеется , подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту . Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой кат астрофы» и служит напоминанием о фиаско , которое потерпела наука , признававшаяся всеми физиками того вре мени совершенно непоколебимой. Но вот положение изменилось : это произ ошло после того достопамятного дня 14 декабря 1900 г ., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкого общества выдвинул совершенно новую идею . Он рассматривал внутренние ст енки излучающей полости как содержащие бесчис ленное множество крошечных «осцилляторов» , которы е действуют как источники излучения . Однако в отличие , например , от кол е блющ егося маятника , который может иметь любые возможные значения энергии , подобный элементарный осциллятор может обладать лишь энергией , строго равной целому числу квантов ; если число квантов энергии равно нулю , осциллятор покоится. Каждый квант представл яет собой , т аким образом , как бы элементарный пакет , д ающий строго определенный вклад в энергию. Энергия квантов излучения , введенных План ком , зависит только от одной величины – частоты осциллятора (точнее , частоты испускае мого им излучения ). Вычислить ее можно по простой формуле E=hf Где под h п онимается введенная Планком постоянная (квант действия ), равная h =6,626 х 10^-34 Вт х с ^2. Постоянная План ка относится к числу фундаментальных физическ их констант . На основе своей гипотезы План ку удалось вынести искомую функцию расп ределения , столь долго «не дававшуюся в ру ки» . Если , согласно закону Рэлея – Джинса , интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает , то кривая , полученная Планком по достижении максимума , загибается вниз , принимая , т а ким образом , колоколообразную форму , точно совпадающую с э кспериментальной кривой. Если бы усп ех новой идеи сводился только к этому , вряд ли стоило бы придавать ей особое значение . Она была бы гипотезой , предложе нной только для объяснения одного явления . Н о гипотеза квантов все же привела к единственно правильному решению очень важной проблемы и сразу попала в «горячую точку» дискуссий . Однако никто уже не удивился , когда на смену этой идеи приш ла новая , более общая. Для окончательного решения проблемы необ ходимо было получить прямое доказательств о существования квантов и установить численно е значение постоянной Планка другими методами . В 1905 г . Эйнштейн опубликовал свои три знаменитые работы ; одна из них относилась к внешнему фотоэлектрическому эффекту (к р атко – фотоэффект ) – явлению , которо е ему удалось убедительно объяснить на ос нове гипотезы квантов. Работа , необходимая для удаления электрон а из атома калия , без труда определяется из экспериментов другого типа ; она равна 2,24 эВ , или 3,6 х 10^19 Вт х с . однако на поперечное сечение атома приходятся ежесек ундно всего лишь две миллионных необходимой энергии ! Для того чтобы приобрести достат очную энергию , атом должен был бы накаплив ать ее в течение полумиллиона секунд . Таки м образом , должно миновать шесть д н ей , прежде чем фотоэлемент «выдаст» пе рвые электроны , и весьма сомнительно , чтобы при таких условиях вообще удалось открыть фотоэффект. Как же объяснить , что в действительнос ти фотоэффект наблюдается спустя не более 10^-7с после действия облучения ? Если че ловек зарабатывает 200 марок в месяц и в один прекрасный день выкладывает на прилавок 8000 марок на покупку автомашины , то здесь все более или менее ясно . Он мог копить эту сумму в течение долгих ме сяцев или одолжить ее у щедрого дядюшки . Обе возможности н е так просто вообразить себе , если речь идет об атом ах . Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том , что волновая теория в этом случа е «отказывает» . Ее следует заменить квантовой теорией . Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком , а отдельн ы ми дискретными порциями . Подобно каплям града , бомбардируют они атом калия . Если такая частица попадает точно в атом и если она обладает достаточной энергией , то из атома выбивается электрон . Энергию такой частицы легко подсчитать с помощью соотношени я E = hf . Для зеленого света с длиной волны 540 нм Е = 3,68 х 10^19 Вт х с , или 2 эВ . Остается даже небольшой избыток энергии , который эми ттированный электрон уносит с собой в вид е кинетической энергии. Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объ яснения характерного для абсолютного черного тела распределения излучения . Он был достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явления. 11. ФОТОНЫ Именно Эйнштейн впервые высказал мысль о том , что световое излучение всегда имеет кв антовую структуру ; он впервые применил термин фотоны . На съезде физиков в 1909 г . Эйнштейн выразил существо своей тео рии в следующих словах : «И все же пока мне представляется естественным , что электро магнитные поля света так же возникают в отдельных точка х пространства , как и электростатические поля , согласно электронной теории . Не исключено , что в подобной т еории полная энергия электромагнитного поля м ожет рассматриваться как всецело локализованная в этих дискретных точках». Как показывает уравнение E = hf , существуют не фотоны вообще , а высоко - и низкоэне ргетические фотоны – соответственно частоте света . И только одно невозможно : существование половины (или какой-либо другой дробной ч асти ) фотона . Каждый фотон представляет собой единое и неделимое целое . Ст а новится понятным еще одно явление , необъясним ое на основе волновой теории . Если частота излучения меньше определенного порогового зн ачения , энергия фотона оказывается недостаточной для ионизации атома . Произойдет фотоэффект или нет , зависит лишь от частот ы отельного фотона , но совершенно не зависит от числа световых квантов. Кванты света относятся к бозонам (подч иняются статистике Бозе ); отличительной чертой этой группы частиц являются целочисленные значения их спина , он равен ± 1 (h/2 р ). Это свойство приве ло Ферми к мысли , что статисти ка Бозе не распространяется на электронный газ. Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либо выделенной о риентации спина (или поляризации ) в естественн ом свете. Если в обычном свете все спины ор иентированы хаотически , то в циркулярно поляризованном свете они имеют некоторое выде ленное направление . Пусть такой циркулярно по ляризованный свет падает на атом металла , тогда происходит тот же самый фотоэлектрическ ий эффект . Это означает , что спин кванта никак не связан с его энергией . Что же происходит со спином , когда кв ант света исчезает ? На этот вопрос нетрудн о ответить : согласно закону сохранения момент а импульса , орбитальный момент импульса эмитт ируемого электрона изменяется на h/2 р ( например , электрон п ерех одит из состояния 2s в состояние 2p. П ри этом , по-видимому , спин эмиттируемого электр она не изменяется. Однако необходимо учитывать , что орбиталь ный момент импульса и спин атомных электр онов связаны друг с другом . Взаимодействие со спином поляризованного кванта света приводит к важному результату : большая част ь эмиттируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спина вправо или влево в за висимости от длины волны света . Этот эффек т был предсказан в 1969 г . итальянским физико м Фано , а годом позднее он п олучил экспериментальное подтверждение. Циркулярно поляризованный свет падает на пары атомов цезия , на которых происходит фотоэффект . Эмиттированные электроны выводятся в одну сторону и ускоряются напряжением в 120 кВ . затем они попадают на анализатор из т онкой золотой фольги , где пуч ок электронов расщепляется на два пучка , к оторые в зависимости от своей поляризации расходятся в разные стороны . В благоприятно м случае поляризация может достигать 100 %; это означает , что таким способом можно получить пучок э л ектронов с одной ори ентацией спина. 14. ЗАКЛЮЧЕНИ Е. Ранее неизменно считали , что как свет , так и весь остальной спектр излучения представляют собой электромагнитные волны . Однако оказыва ется , что электромагнитное излучение с равным успехом можно трактов ать в терминах фотонов , то есть дискретных неделимых час тиц и в ряде случаев излучение выступает только в такой форме . На примере одно го и того же луча света можно без труда последовательно продемонстрировать оба ука занных проявления . Но тогда с необходим о стью возникает довольно острый в опрос : не является ли одна из теорий – волновая или корпускулярная – ложной ? Существует ли компромисс между этими двумя теориями ? Может быть , одна из них устаре ла , тогда как другая является более соврем енной ? Если принимать факты , как он и есть , то нам следует говорить о дуал изме света . К сожалению , это общеупотребительн ое выражение ничего не проясняет , и как тут не вспомнить саркастическое замечание Мефистофеля : «Слове чко громкое всегда из затрудненья нас выводит !» первоп рич ина указанной дилеммы уходит корнями далеко вглубь ; она лежит не в самом физическом объекте , но в традиционном спосо бе нашего мышления . В процессе жизни у нас складывается прочная система представлений , например о свойствах твердых тел и ж идкостей , о хара к тере волнового дв ижения и т.п . Короче говоря , все наше м ышление , формируясь под влиянием внешней сред ы , постепенно складывается в картину мира , называемую «классической» . И человеку нелегко отойти от этой картины . Как говорил Пес талоцци , наблюдение – это ф ундамент познания , и потому по сей день нагляд ность является одним из ведущих принципов педагогики и лучшим способом познания зако нов физики. Однако оказывается , что представления , раз витые на основе чувственного восприятия мира , неприменимы в области микр офизики , и бо теперь предстоит иметь дело с объектам и и процессами , которые принципиально невозмо жно ни увидеть , ни ощутить . Сведения о них мы получаем лишь косвенно , с помощью специальной аппаратуры . С некоторыми из н аших приборов они взаимодействуют так, как будто они волны , с другими – подобно частицам . Это , однако , не означает , что указанные объекты являются волнами и ли частицами . Вообще объектам , не имеющим наглядных моделей , не следует приписывать как их-либо свойств на несоответствующем им языке нагл я дности , которая не принадлеж ит к числу необходимых характерных свойств объектов. Все эти мысли постоянно встречаются в работах ведущих физиков и философов . Их можно резюмировать примерно следующими слова ми : в настоящее время новые теории возника ют уже не т олько на основе систем атизации наглядных наблюдений . Современные матема тические понятия , философские выводы , аналогии и т.п . могут давать начало плодотворным гипотезам . Теоретические выводы из этих гипот ез допускают проверку экспериментом. Поскольку с помо щью измерительного прибора человек воздействует на объект , вза имосвязь теории и объекта ее изучения опи сывается с помощью гипотез , моделей и анал огий . И здесь сразу обнаруживается , как сл ожны структуры объектов и взаимоотношения меж ду ними. Сколь привлекат ельной ни казалась бы нам привычная наглядность предметов в окружающей нас природе , теперь нам придется отказаться от нее . Понятия и представлени я , 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 многом обязаны нашим физическим знанием . Но , положа руку на сердце , кому удавалось увидеть луч света со стороны ? Речь идет не о пыльной комнате , в которой путь луча об оз н ачен рассеянием света на бесчи сленных крошечных пылинках , а об абсолютном вакууме ! Там мы не в состоянии увидеть ни малейшего следа света . Только тогда , когда луч падает на сетчатку глаза , мы воспринимаем его действие . При этом проис ходит чисто квантомех а нический процес с , а именно прямое взаимодействие обладающего энергией фотона со сложной молекулой зри тельного пигмента . Это процесс можно сравнить с процессом , происходящим в фотоэлементе. Итак , в конечном итоге мы приходим к следующему : свет является реал ьным физическим объектом , который не сводится ни к волне , ни к частице в обычном с мысле . Эти понятия дают лишь приближенный способ описания объектов с более общими с войствами , которые для удобства называют кван тами . Все физики сходятся сейчас на том , что в олны и частицы представляют собой лишь две формы , в которых прояв ляется одна и та же физическая сущность. 14. СПИСОК ИСПОЛЬ ЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Данин Д . Неизбежность странного мира , М ., изд-во «мо лодая гвардия» , 1996 2. Ландсберг Г.С . Элементарны й учебник физики в 3 т омах , М ., изд-во «Наука» , 1971 – 1975. 3. Орир Дж ., Популярная физика , М ., изд-во «Мир» , 1969 4. Линдер Г ., Картины современной физики , М , изд-во «Ми р» , 1977 5. Льоцци Марио ., История физики , М ., изд-во «Мир» , 1970.