Развитие представлений о природе света.

СЕМИНАР ПО ОПТИКЕ

 

Термин «оптика» происходит от греческого optos – видимый, зримый. Оптика – раздел физики, в котором изучаются природа света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.

 

Развитие представлений о природе света.

 

    В 1672 году Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой частицы света – корпускулы - истекают из светящихся тел и движутся с очень большой скоростью. В однородной среде их движение прямолинейно. Их отражение происходит по закону абсолютно упругого удара, так что угол отражения равен иглу падения. Ощущение белого света приписывалось совместному действию корпускул различного размера. Корпускулы красного света считались самыми крупными, поскольку они меньше отклонялись при преломлении луча в плотной прозрачной среде, например – в стеклянной призме. Самые мелкие – фиолетовые – отклонялись в призме наиболее сильно. При этом сам факт отклонения частиц при преломлении света объяснялся притяжением частиц к преломляющей среде, а оно для разных частиц различно.

Ньютон с большим вниманием отнесся к теории, высказанной в 1690 году голландцем Х. Гюйгенсом, согласно которой свет – это волновое движение в мировом эфире. Более того, Ньютон сам пытался поучаствовать в развитии волновой теории, но в конце концов разочаровался в ней. Решающие эксперименты в пользу волновой теории света в то время еще не состоялись.

В 1676 году Рёмер (Дания) сумел установить по данным астрономических измерений, что свет распространяется очень быстро, но не мгновенно; полученный им результат: с = 212 000 км/с.

Весь следующий, восемнадцатый век был веком безраздельного господства корпускулярной теории света. Но в 1799 году Т. Юнг (между прочим, врач по образованию) продемонстрировал ученому миру убедительные опыты по интерференции света: поразительные результаты, типа «свет+свет=темнота», которые можно объяснить, только признав наличие у света волновых свойств. С получением этих результатов, число сторонников волновой теории стало постепенно возрастать.

В 1818 году француз Френель подкрепил волновую теорию результатами, полученными в опытах по дифракции света. Так что к середине XIX века сторонников корпускулярной теории света практически не осталось.

Но и с волновой теорией не все было просто, как хотелось бы. Прежде всего, возник серьезный вопрос о мировом эфире - упругой среде, в которой распространяются световые волны. Концепция всепроникающей среды, в которой все сущее происходит, была предложена Декартом в XVII веке, но стала подробно изучаться в XIX веке в связи с развитием волновой теории: привычно полагали, что волна без упругой среды невозможна. Эта неуловимая для органов чувств и измерительных приборов среда получила название «эфир ».

По мере накопления знаний о свойствах света, уточнялись и свойства, которыми должен был обладать этот эфир, и они становились все более противоречивы. Например, чтобы волны распространялись с характерной для света скоростью, эфир должен быть чрезвычайно жестким. Но в то же время эфир не должен тормозить движение небесных тел, и ему приписали чрезвычайно разреженное состояние.

Когда выяснилось, что световые волны – это поперечные волны, а не продольные, как считалось сто лет до этого, сразу нашлось простое и убедительное объяснение для явления поляризации света, но начались дальнейшие усложнения модели эфира: стали предполагать, что он пластичен при медленных деформациях (при движении планет) и упруг при распространении световых волн.

Во второй половине XIX века Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Из этой теории следовало, что скорость его распространения, то есть скорость электромагнитных волн - порядка 300 000 км/с, то есть такая же, как скорость света (к тому времени ее научились измерять точнее, чем Рёмер). В связи с этим Максвелл высказал утверждение, что свет – это явление, связанное с действием электромагнитных волн.

В 1888 году немецкий физик Генрих Герц опубликовал результаты своих экспериментов. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, исследовал их отражение, преломление, интерференцию, дифракцию и поляризацию. В итоге, Герц доказал, что световые волны – это одна из разновидностей электромагнитных волн.

Что касается мирового эфира, то после создания теории относительности он оказался «не у дел». Эйнштейн предлагал сохранить этот термин как синоним понятия «физическое пространство», но большинство решило изъять его из обращения.

После кризиса классической физики начала ХХ века получили развитие принципиально новые концепции материи, пространства, времени. Один из результатов - становление и развитие квантовой механики.

    Одним из великих достижений физики ХХ века является признание двойственной корпускулярно-волновой природы света.

    Более того, принцип корпускулярно-волнового дуализма оказался всеобщим: он относится не только к электромагнитным излучениям, но и к частицам вещества. Электромагнитные волны на стадии излучения и при взаимодействии с веществом ведут себя как частицы (кванты). А потоки электронов демонстрируют свои волновые свойства, создавая изображение в электронном микроскопе (см. разделы 11.2 и 11.3).