Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ:

«Борьба концепций в процессе становления

и развития науки о природе света»

Выполнила студентка

Руководитель:

Ацюковский Владимир Акимович

Москва 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

Античные взгляды на природу свет

______________________________________________________3

Взгляд на свет в период раннего средневековья

______________________________________________________4

Опыты по измерению скорости света

______________________________________________________5

Открытия Ньютона о природе цветов

______________________________________________________5

Работы Гюйгенса. Волновая теория света

_____________________________________________________10

Развитие взглядов на волновую теорию света. Работы Френеля

_____________________________________________________11

Электромагнитная теория света. Работы Фарадея и Максвелла

_____________________________________________________15

Давление света

_____________________________________________________17

Поляризация

_____________________________________________________18

Квантовая теория света

_____________________________________________________20

Фотоны

_____________________________________________________23

Заключение

_____________________________________________________24

Список использованной литературы

_____________________________________________________26

АНТИЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА.

Оптикой увлекались еще философы классического периода, которые больше интересовались физиологическими, а не физическими проблемами. Они задавались вопросами: каким образом мы видим, каково соотношение между ощущением и видимым предметом? Дискуссия была, по-видимому, долгая и страстная, но дошедшие до нас документы весьма немногочисленны и толкования их сомнительны. Здесь будут упомянуты теории, развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе позднейшей истории.

По-видимому, именно пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» 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 связывается с именем Платона. Согласно Платону, от предметов исходит 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 глаз получает ощущение видимого. Если же «свет очей» встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает глазам никаких ощущений.

Наиболее ранним из известных нам документов, касающихся работ, является трактат по оптике Евклида, великого геометра, расцвет творчества 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 второго постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения»:

«Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета».

На этих и других десяти постулатах (по другим свидетельствам – двенадцати) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В «Оптике» он исследует геометрические проблемы, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование 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, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены 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 можно было согласовать с третьим постулатом, дающим точный закон отражения света, известный грекам еще с древнейших времен. Если световой луч – это то же самое, что «свет очей», то как он может не отклоняться на зеркале в соответствии со вторым постулатом и менять свое направление в соответствии с третьим? В истории физики противоречия часты, и ученые преодолевали их почти всегда так же, как и Евклид, т.е. обходили молчанием.

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 мнению, это был наиболее крупный физик средневековья. Кроме того, 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, приводя 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-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 помощью лучей, испускаемых видимыми телами и попадающих в глаз».

Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, об обращенных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а от предмета к глазу. Но не это является главным открытием Альхазена. У Евклида, как и у всех греческих физиков, зрение рассматривалось как глобальное явление; считалось, что ощущение воспринимает разом, в едином процессе образ всего наблюдаемого тела, потому ли, что внешняя «оболочка» тела, отделившись, проникает в зрачок, или же потому, что «свет очей» ощупывает его одновременно со всех сторон. Альхазен же с гениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов: он полагал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений наблюдения предмета, нужно предположить, что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке предмета может соответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен преодолел эту трудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз действенным является лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, которые он считал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хрусталика, который по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которые, исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят через геометрический центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливает точное соответствие между точками восприятия на внешней поверхности хрусталика и приходит 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 классический закон перспективы, но физика явления здесь изменена. Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, оно представляет собой громадный шаг вперед.

ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА.

Одним из первых пытался измерить скорость света Галилей - он предлагает эксперимент для решения спора о том, конечна или бесконечна скорость света. Два экспериментатора, вооруженные фонарями, становятся на некотором расстоянии друг от друга и, согласно предварительной договоренности, первый открывает свой фонарь, как только заметит 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 света. Но за Галилеем остается заслуга первой постановки этой проблемы в экспериментальном плане и проектирования эксперимента столь гениального, что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорости света в земных условиях. Действительно, в принципе опыт Физо отличается от опыта Галилея лишь тем, что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедший световой сигнал.

ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ.

Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работы Ньютона. 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 вызвавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы там, в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием «Оптика» в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук.) В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества для прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу. Еще при жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третье в 1721 г.

«Оптика состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению. Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содержит 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, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этого, поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит:

«Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям».

А что означает утверждение: «Луч света – это его мельчайшая часть»? Из этого 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 … которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет».

Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, но одновременно основывает истолкование своих экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча – концепции корпускулярной, или если пользоваться современным термином, квантовой.

Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем 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 громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Сенеки.

Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этот опыт позволил 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 высказывалось 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 окна темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял «спектр» на противоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. В первой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его к установлению взаимно однозначного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух заданных 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, проходящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектроскопии, 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 подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не сами по себе; лучам свойственна 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 черного.

После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов в равной серии изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся в учебниках физики. Сюда относится, например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон не 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 новое, 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, описывается теория основополагающих опытов, проведенных с исключительным и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то же время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него, все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т.е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное последовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец радужной окраски.

Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но и монохроматическом. Качественно явление носило такой же характер, 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 представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматривать через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно друг друга.

Многочисленные опыты с этим явлением и точные измерения позволили Ньютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по настоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца – втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемости 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 значению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются, если пространство между обеими линзами заполняется водой.

Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма «пористой», т.е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?

«Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкому отражению».

Определив «приступы» отражения или преломления как периодическое возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляется:

«Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время своего пути».

Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи ему с самого момента его излучения или же они являются приобретенным свойством, т.е. приобретаются в момент прохождения света через тела? Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительность 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 типа, могут представить себе, что, так же как камни падая в воду, вызывают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускулы, ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания, распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их; эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого отражения.

Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать:

«Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях».

Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой механики, может быть лучше понятно и точнее оценено.

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, 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 объяснения этого разнообразия цветов с помощью 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 рассматривается прямолинейное распространение света, во второй отражение, в третьей – преломление, в четвертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз.

Работа начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона. Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, не возмущали друг друга путем 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. разъединять их части, «что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной философии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распространение 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, что этой средой не может служить воздух, поскольку опыты с пневматической машиной показали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, и постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет всю Вселенную, проникает 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, Гюйгенс рассматривает механизм распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка пламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом, это движение распространяется от частицы к частице через посредство вторичных сферических волн, подобно тому, как распространяется пожар. Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразное движение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способно распространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас от звезд. На это Гюйгенс отвечает:

«Но это число перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих правда, из различных точек святящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой».

Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавшей бессмертным имя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, какой можно увидеть чуть ли не в каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании исчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона. Лейбниц сразу понял значение концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1964 года:

«Безусловно, господин Гук никогда бы не пришел к объяснению законов преломления с помощью построенной им картины волновых движений. Вся суть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как излучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательными волнами»

К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света. Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствием распространяющиеся там элементарные 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 голословным, так что его можно с равным правом принять или отвергнуть.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения – явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, нагромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в боле плотной среде.

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 экспериментальное оборудование. Два мемуара, представленных им 15 октября 1815 г. Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френель был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятных условиях.

Френель начал исследовать тени, отбрасываемые 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, образуемой тонкой проволокой, привело Френеля к вторичному открытию принципа интерференции. Его поразило, что, если край экрана был расположен вдоль одной стороны проволоки, внутренние полосы исчезали. Итак, подумал он сразу, раз прерывание света от одного из краев проволоки приводит к исчезновению внутренних полос, значит для их образования необходимо совместное действие лучей, приходящих с обеих сторон проволоки.

«Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этих лучей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляет тень только на непрерывный поток света; следовательно, каемки образуются 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. Легко можно догадаться, что колебания двух лучей, которые скрещиваются под очень малым углом, могут действовать в противоположные стороны в тех случаях, когда узлы 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 явления как действия краев отверстий Френель придумал известный «опыт с двумя зеркалами», о котором он сообщает в 1816г., а затем в 1819 г. «опыт с бипризмой», ставший с тех пор классическим методом демонстрации принципа интерференции.

Взяв на вооружение принцип интерференции, волновая теория располагала теперь тремя принципами: принципом элементарных волн, принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельных принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом, для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие, как для Гюйгенса. В произвольной точке волны полный эффект представляет собой алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной; полная сумма всех этих импульсов, складывающихся согласно принципу интерференции, может быть, в частности равна нулю. Френель произвел такой расчет, хотя и не вполне строгим способом, и пришел к выводу, что влияние сферической волны во внешней точке сводится к влиянию небольшого сегмента волны, центр которой находится на линии, соединяющей источник света с освещенной точкой; остальная 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 распространения 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 должны огибать препятствия, но это утверждение не следует понимать грубо качественно, поскольку отклонение волны за препятствием зависит от длины волны. Зная длину волны, можно рассчитать, как и насколько отклонится свет за препятствием. Рассматривая явление дифракции, Френель произвел такой расчет, и его результаты прекрасно совпали с экспериментальными данными.

После нескольких лет перерыва в исследованиях Френель вновь излагает свою теорию в обширном мемуаре о дифракции, представленном в 1818 г. на конкурс Парижской Академии наук. Этот мемуар рассматривался комиссией, состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей-Люссака. Трое первых были убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей-Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но был известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии со здравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центре геометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно наблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого круглого отверстия на определенном расстоянии легко вычисляемом расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелю доказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще это выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После этого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила ему премию, а в 1823 г. он был избран ее членом.

После установления теории дифракции Френель перешел к исследованию явления поляризации. Корпускулярная теория вынужденная для интерпретации многочисленных явлений, открытых в первое пятнадцатилетие XIX века, вводить одну за другой различные гипотезы, совершенно необоснованные и порой противоречивые, к этому времени невообразимо усложнилась. В своем опыте с двумя зеркалами, расположенными под углом, Френель получил с помощью одного источника света два мнимых источника, всегда строго когерентных. Он попытался также видоизменить этот прибор, используя два луча, получающихся при двойном лучепреломлении одного луча, и компенсируя надлежащим образом разносить оптических путей обоих лучей. Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этих поляризованных лучей.

Тот факт, что луч, поляризованный при отражении, обладает двумя плоскостями симметрии, ортогональными друг другу и проходящими 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 узнал об опытах Френеля и Араго с поляризованным светом, тоже пришла мысль о поперечных колебаниях, однако то ли из-за неуверенности, то ли благоразумия он говорил об этом как о «воображаемом поперечном движении», т.е. как о понятии чисто фантастическом, - столь бессмысленными с механической точки зрения представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира.

После того как в течение многих лет Френель пользовался языком теории продольных колебаний, в 1821 году он, не найдя другого пути интерпретации поляризованных явлений, решился принять теорию поперечности колебаний. В том же году он пишет:

«Лишь несколько месяцев тому назад, размышляя с большим вниманием по этому поводу, я признал весьма вероятным, что колебательные движения световых волн осуществляются только в плоскости волн, как для простого, так и для 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 гипотезе нет ничего физически невозможного, - это уже совсем другое дело. Из поперечности колебаний следовало, что эфир, будучи тончайшим и невесомым флюидом, должен одновременно быть наитвердейшим телом, тверже стали, ибо только твердые передают поперечные колебания. Эта гипотеза представлялась исключительно смелой, почти безумной. Араго, физик явно не склонный к предрассудкам, тот самый Араго, который был другом, защитником Френеля во всех случаях, не нашел возможным разделить ответственность за эту странную гипотезу и отказался подписать представленную Френелем статью.

Таким образом, с 1821 г. Френель продолжал свой путь в одиночку, и это был путь, полный побед. Гипотеза о поперечности колебаний позволила ему построить свою механическую модель света. Основой ее является эфир, заполняющий всю Вселенную и пронизывающий все тела, причем эти тела вызывают изменение механических характеристик эфира. Из-за этих изменений, когда упругая волна переходит из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, на поверхности раздела 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. Выведенные 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 вытекают как следствие преломление света и его дисперсия. В изотропных средах волны имеют сферическую форму с центром в точечном источнике излучения; в анизотропных средах форма волны описывается, вообще говоря, поверхностью четвертого порядка. В теории Френеля все сложнейшие явления поляризации интерпретируются в удивительном согласии с экспериментальными данными и предстают как частные случаи общего закона сложения и разложения скоростей.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПРИРОДА СВЕТА.

РАБОТЫ ФАРАДЕЯ И МАКСВЕЛЛА.

То, что все физические явления представляют собой лишь различные проявления одной и той же сущности, или идея «единства физических сил», было основной философской предпосылкой физики прошлого века. Систематическое применение этого принципа мы постоянно находим в работах одного из самых проницательных исследователей всех времен – Майкла Фарадея (1791-1867). Какова связь между электричеством и магнетизмом? Можно ли превратить одно в другое?

Другие физики тоже ставили перед собой эту проблему, которая соответствовала общей тенденции науки того времени, тяготевшей к унифицирующим теориям. Еще в 1812 г. Доменико Морикили (1773-1836) и в 1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно считали, что им удалось добиться намагничивания под воздействием света. Но Фарадея убедили не опыты Морикини, который продемонстрировал их специально в 1814 г. в Риме, когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Большое влияние 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 через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г. и повторенные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действия электрического поля на свет не дали желаемого результата. Оставив эти попытки электрооптических исследований, Фарадей в 1845 г. приступил к магнитооптическим опытам. После первых неудач, которые его, однако, не обескуражили, он обнаружил новое явление. Параллелепипед из тяжелого стекла (фингласа) был помещен между полюсами электромагнита и через него пропускался поляризованный луч света параллельно силовым линиями поля. При возбуждении электромагнита плоскость поляризации света поворачивалась.

Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству», озаглавленной «Намагничивание света и освещение магнитных силовых линий». Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многими раскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовых линий». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобы пояснить и оправдать это выражение:

«Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет испытал на магнитное действие , то есть что магнитному действию подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее в свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в силе света»

Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некий магнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более непонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо по теории Френеля, которая тогда 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 изложению электромагнитной теории света, - делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между 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, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее, которая может быть вычислена из электромагнитных опытов, а также наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и скорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах, мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать свет электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и электромагнитной очевидности даст такое же доказательство реальности среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельств наших органов чувств».

Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований приходит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещения 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 электромагнитных возмущений и приходит к выводам, сегодня уже хорошо известным: колеблющийся электрический заряд создает переменное электрическое поле, неразрывно связанное с переменным магнитным полем. Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во времени в любой точке пространства возникают электрические и магнитные колебания, т.е. интенсивность электрического и магнитного полей периодически изменяется; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно перпендикулярно. Эти колебания распространяются в пространстве с определенной скоростью и образуют поперечную электромагнитную волну: электрические и магнитные колебания в каждой точке происходят перпендикулярно направлению распространения волны.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА.

В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент Гельмгольца, приступил к изучению теории Максвелла. В 1887 г. он повторил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками. После нескольких попыток ему удалось поставить свои классические опыты, хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герц экспериментально доказал (способом, который сегодня описывают во всех учебниках), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны, состоящие из двух колебаний – электрического и магнитного, поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил также отражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опыты полностью объяснимы теорией Максвелла.

По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, но им не удалось многого прибавить у уяснению сходства световых и электрических волны, которую брал Герц (около 66 см.), они наталкивались на явления дифракции, затемнявшие все другие эффекты. Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров, которые практически в те времена были нереализуемы. Большой шаг вперед сделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощью созданного им нового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Таким образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное преломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. и время от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся в научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в 1897 г., одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи в истории физики.

В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал 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 небольшой 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 направлении падения…» Исследование светового давления стало делом всей, к сожалению короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченная работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света.

Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. (При полном отражении давление будет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. 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 радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности температур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное 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 исследование светового давления». Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла. В. Томсон, например, узнав о результатах опытов Лебедева, в беседе с К.А, Тимирязевым сказал: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». Ф. Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы».

К впечатляющим словам этих физиков можно добавить еще то, что доказательство существования светового давления имело огромное философское и мировоззренческое значение. Ведь из факта существования давления электромагнитных волн следовал очень важный вывод о том, что они обладают механическим импульсом, а значит, и массой. Итак, электромагнитное поле обладает импульсом и массой, т.е. оно материально, значит, материя существует не только в форме вещества, но и в форме поля.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ.

В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят как электрические, так и магнитные колебания. Колебания всегда направлены строго перпендикулярно лучу, указывающему направление распространения волны. В свою очередь векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные волны являются волнами поперечными. Во всех случаях первоначальное направление колебаний сохраняется неизменным для всего цуга волн. Образно выражаясь, электрическая компонента волны как бы «прибита» к стенке, которая перемещается в пространстве параллельно самой себе со скоростью света. Ввиду наличия строго определенного и неизменного направления колебаний такие волны называют линейно поляризованными. Однако говорить о поляризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн. Например, в воздушных звуковых волнах, где частицы движутся лишь вдоль направления распространения, возможно лишь одно-единственное направление колебаний.

Сегодня ясен механизм возникновения поперечных волн и связанное с ним явление поляризации, но раньше все это представляло очень серьезную проблему. Особенно долго ученые ломали голову над явлением поляризации света, и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснение. 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 совершенно беспорядочно колеблющихся друг относительно друга атомов. Согласно изложенной 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 пространстве. В плоскости, перпендикулярной лучу, они образуют друг с другом всевозможные углы. Таким образом, луч можно 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 доказательства наличия поляризации исследуемых им волн Генрих Герц использовал решетку из параллельных проволочек. Если, как это теперь общепринято, под направлением поляризации понимать направление колебаний именно электрического вектора волны, то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку, если колебания происходят перпендикулярно проволочкам; в противном случае волна отразится.

В настоящее время для исследования света применяется преимущественно поляризованные фильтры. По строению составляющих их молекул они принадлежат к группе так называемых веществ с двойным лучепреломлением (к их числу относятся, например, естественные кристаллы исландского шпата, кварца и др.). принцип действия этих фильтров основан на том, что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты. В двоякопреломляющем кристалле каждая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показатель преломления, а следовательно, и свою скорость распространения. В некоторых веществах (в частности, в уже упоминавшихся фильтрах) одна из компонент полностью поглощается и пропускается лишь вторая, которая оказывается 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 приобретают прежнюю дину, соответствующую воздуху, однако возникший сдвиг фаз сохраняется. Таким образом, совершенно незаметно для человеческого глаза свет внутри кристалла существенно изменяется.

В любой точке луча две взаимно перпендикулярные компоненты дают результирующую.

Несмотря на такое серьезное отличие от обычного света, циркулярно поляризованный 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 глазом невозможно.

10. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА.

Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла- Герца, в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь идет об излучении, испускаемом нагретым телом, - мы можем наблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не останавливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов, рассмотрим тепловое излучение черного тела. Под этим термином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Однако черное тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и любое другое тело (и даже в большей степени), оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела. Абсолютно черное тело обладает также наибольшей по сравнению со всеми другими телами излучательной способностью.

Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его температуры. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующий вопрос: каким образом при данной температуре распределяется интенсивность излучения черного тела между волнами различной длины? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагает излучение на отдельные линии. Излучение в каждой узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и измеряют его интенсивность. Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определенной интенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особое распределение. Графически оно выглядит как колоколообразная асимметричная кривая и напоминает картину распределения молекул газа по скоростям. Сходство между кривыми 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 Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формы с «зеркальными» внутренними 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 электромагнитные волны. С помощью дополнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать очень интересным, если поместить в ящик Джинса небольшой кусочек угля, который практически является абсолютно черным телом и поэтому жадно поглощает падающее на него излучение, а затем, нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из волн различной длины; в конце концов устанавливается равновесие между волнами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела, моделируемого кусочком угля.

Какие же длины волн могут «существовать» в ящике? Какую энергию они несут?

Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся на определенный интервал частот, они получили неожиданный результат: плотность энергии излучения 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 любая комнатная печь, которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса, была бы накопителем смертоносного коротковолнового излучения. Мимолетного взгляда в приоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишне любознательный отправился бы к праотцам: он попал бы под действие опасных для жизини ультрафиолетовых, рентгеновских и γ- лучей. Разумеется, подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту. Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой катастрофы» и служит напоминанием о фиаско, которое потерпела наука, признававшаяся всеми физиками того времени совершенно непоколебимой.

Но вот положение изменилось: это произошло после того достопамятного дня 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк выступил на собрании Немецкого общества выдвинул совершенно новую идею. Он рассматривал внутренние стенки излучающей полости как содержащие бесчисленное множество крошечных «осцилляторов», которые действуют как источники излучения. Однако в отличие, например, от колеблющегося 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 представляет собой, таким образом, как бы элементарный пакет, дающий строго определенный вклад в энергию.

Энергия квантов излучения, введенных Планком, зависит только от одной величины – частоты осциллятора (точнее, частоты испускаемого им излучения). Вычислить ее можно по простой формуле E=hf

Где под h понимается введенная Планком постоянная (квант действия), равная h=6,626 х 10^-34 Вт х с^2.

Постоянная Планка относится к числу фундаментальных физических констант. На основе своей гипотезы Планку удалось вынести искомую функцию распределения, столь долго «не дававшуюся в руки». Если, согласно закону Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком по достижении максимума, загибается вниз, принимая, таким образом, колоколообразную форму, точно совпадающую с экспериментальной кривой.

Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд ли стоило бы придавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложенной только для объяснения одного явления. Но 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 пришла новая, более общая.

Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямое доказательство существования квантов и установить численное значение постоянной Планка другими методами. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал свои три знаменитые работы; одна из них относилась к внешнему фотоэлектрическому эффекту (кратко – фотоэффект) – явлению, которое ему удалось убедительно объяснить на основе гипотезы квантов.

Работа, необходимая для удаления электрона 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 ежесекундно всего лишь две миллионных необходимой энергии! Для того чтобы приобрести достаточную энергию, атом должен был бы накапливать ее в течение полумиллиона секунд. Таким образом, должно миновать шесть дней, прежде чем фотоэлемент «выдаст» первые электроны, и весьма сомнительно, чтобы при таких условиях вообще удалось открыть фотоэффект.

Как же объяснить, что в действительности фотоэффект наблюдается спустя не более 10^-7с после действия облучения? Если человек 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 месяцев или одолжить ее у щедрого дядюшки. Обе возможности не так просто вообразить себе, если речь идет об атомах. Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, что волновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменить квантовой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком, а отдельными 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 соотношения 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 эмиттированный электрон уносит с собой в виде кинетической энергии.

Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объяснения 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 квантовую структуру; он впервые применил термин фотоны. На съезде физиков в 1909 г. Эйнштейн выразил существо своей теории в следующих словах: «И все же пока мне представляется естественным, что электромагнитные поля света так же возникают в отдельных точках пространства, как и электростатические поля, согласно электронной теории. Не исключено, что в подобной теории полная энергия электромагнитного поля может рассматриваться как всецело локализованная в этих дискретных точках».

Как показывает уравнение E=hf, существуют не фотоны вообще, а высоко- и низкоэнергетические фотоны – соответственно частоте света. И только одно невозможно: существование половины (или какой-либо другой дробной части) фотона. Каждый фотон представляет собой единое и неделимое целое. Становится понятным еще одно явление, необъяснимое на основе волновой теории. Если частота излучения меньше определенного порогового значения, энергия фотона оказывается недостаточной для ионизации атома. Произойдет фотоэффект или нет, зависит лишь от частоты отельного фотона, но совершенно не зависит от числа световых квантов.

Кванты света относятся к бозонам (подчиняются статистике Бозе); отличительной чертой этой группы частиц являются целочисленные значения их спина, он равен ± 1 (h/2π). Это свойство привело Ферми к мысли, что статистика Бозе не распространяется на электронный газ.

Наш глаз не в состоянии заметить ни малейшего признака какой-либо выделенной 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. Пусть такой циркулярно поляризованный свет падает на атом металла, тогда происходит тот же самый фотоэлектрический эффект. Это означает, что спин кванта никак не связан с его энергией. Что же происходит со спином, когда квант света исчезает? На этот вопрос нетрудно ответить: согласно закону сохранения момента импульса, орбитальный момент импульса эмиттируемого электрона изменяется на h/2π (например, электрон переходит из состояния 2s в состояние 2p. При этом, по-видимому, спин эмиттируемого электрона не изменяется.

Однако необходимо учитывать, что орбитальный момент импульса и спин атомных электронов связаны друг с другом. Взаимодействие со спином поляризованного кванта света приводит к важному результату: большая часть эмиттируемых электронов имеет преобладающую ориентацию спина вправо или влево 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 происходит фотоэффект. Эмиттированные электроны выводятся в одну сторону и ускоряются напряжением в 120 кВ. затем они попадают на анализатор из тонкой золотой фольги, где пучок электронов расщепляется на два пучка, которые в зависимости от своей поляризации расходятся в разные стороны. В благоприятном случае поляризация может достигать 100 %; это означает, что таким способом можно получить пучок электронов с одной ориентацией спина.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Ранее неизменно считали, что как свет, так и весь остальной спектр излучения представляют собой электромагнитные волны. Однако оказывается, что электромагнитное излучение с равным успехом можно трактовать в терминах фотонов, то есть дискретных неделимых частиц и в ряде случаев излучение выступает только 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 компромисс между этими двумя теориями? Может быть, одна из них устарела, тогда как другая является более современной? Если принимать факты, как они есть, то нам следует говорить о дуализме света. К сожалению, это общеупотребительное выражение ничего не проясняет, и как тут не вспомнить саркастическое замечание Мефистофеля:

«Словечко громкое всегда

из затрудненья нас выводит!»

первопричина указанной дилеммы уходит корнями далеко вглубь; она лежит не в самом физическом объекте, но в традиционном способе нашего мышления. В процессе жизни у нас складывается прочная система представлений, например о свойствах твердых тел и жидкостей, о характере волнового движения и т.п. Короче говоря, все наше мышление, формируясь под влиянием внешней среды, постепенно складывается в картину мира, называемую «классической». И человеку нелегко отойти от этой картины. Как говорил Песталоцци, наблюдение – это фундамент познания, и потому по сей день наглядность является одним из ведущих принципов педагогики и лучшим способом познания законов физики.

Однако оказывается, что представления, развитые на основе чувственного восприятия мира, неприменимы в области микрофизики, ибо теперь предстоит 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 взаимодействуют так, как будто они волны, с другими – подобно частицам. Это, однако, не означает, что указанные объекты являются волнами или частицами. Вообще объектам, не имеющим наглядных моделей, не следует приписывать каких-либо свойств на несоответствующем им языке наглядности, которая не принадлежит к числу необходимых характерных свойств объектов.

Все эти мысли постоянно встречаются в работах ведущих физиков и философов. Их можно резюмировать примерно следующими словами: в настоящее время новые теории возникают уже не только на основе систематизации наглядных наблюдений. Современные математические понятия, философские выводы, аналогии и т.п. могут давать начало плодотворным гипотезам. Теоретические выводы из этих гипотез допускают проверку экспериментом.

Поскольку с помощью измерительного прибора человек воздействует на объект, взаимосвязь теории и объекта ее изучения описывается с помощью гипотез, моделей и аналогий. И здесь сразу обнаруживается, как сложны структуры объектов и взаимоотношения между ними.

Сколь привлекательной ни казалась бы нам привычная наглядность предметов в окружающей нас природе, теперь нам придется отказаться от нее. Понятия и представления, вынесенные нами из мира, воспринимаемого чувствами, оказываются недостаточными, и их можно употреблять лишь с соответствующими 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 обозначен рассеянием света на бесчисленных 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 происходит чисто квантомеханический процесс, а именно прямое взаимодействие обладающего энергией фотона со сложной молекулой зрительного пигмента. Это процесс можно сравнить с процессом, происходящим в фотоэлементе.

Итак, в конечном итоге мы приходим к следующему: свет является реальным физическим объектом, который не сводится ни к волне, ни к частице в обычном смысле. Эти понятия дают лишь приближенный способ описания объектов с более общими свойствами, которые для удобства называют квантами. Все физики 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

Данин Д. Неизбежность странного мира, М., изд-во «молодая гвардия», 1996

Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики в3 томах, М., изд-во «Наука», 1971 – 1975.

Орир Дж., Популярная физика, М., изд-во «Мир», 1969

Линдер Г., Картины современной физики, М, изд-во «Мир», 1977

Льоцци Марио., История физики, М., изд-во «Мир», 1970.