Глаз и по сей день — наиболее важный из наших органов чувств, а свет, с помощью которого мы можем различать предметы, играет такую значительную роль, что совершенно не удивительно стремление ученых на протяжении столетий понять, что же он собой представляет. Может быть, именно оптика была первой частью физики, в которой были проведены измерения. Известно, что Евклид в III веке до н. э. уже знал законы отражения света от плоской поверхности, а Птолемей во II веке исследовал преломление света.
Преломле́ние (рефра́кция) — изменение направления луча (волны), возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, или в одной среде, но с меняющимися свойствами, в которой скорость распространения волны неодинакова.
Однако настоящий прогресс в изучении оптики начался в XVII веке работой В.Снеллиуса (1591 - 1626) по выводу закона преломления (1621). Эта его работа не сохранилась. Р.Декарт (1596 - 1650) вновь сформулировал его в 1638 году, присвоив закону имя Снеллиуса.
n = sinα/sin β.
Но имеются сведения, что этот закон, по-видимому, еще раньше был открыт Арио (1560 - 1621). До сих пор при изучении этого явления используется термин "опыт Арио".
Едва рассеялся туман отсутствия закона, которому подчиняется эффект преломления света, как возник туман в другом мест е. Некоторые кристаллические вещества не удовлетворяли закону преломления, а расщепляли лучи света на два, производя два изображения вместо одного. Это явление, названное двойным лучепреломлением, было впервые замечено Бартолином в 1669 г. и иллюстрируется рис. 1.
Использованный Бартолином кристалл карбоната кальция, называемый исландским шпатом, до сих пор считается наилучшим для демонстрации этого явления.
Могло, конечно, быть так, что по тем или иным причинам у кристалла оказалось два показателя преломления света и что одна часть преломляется с одним показателем, а другая — с другим. Но измерения показали, что одно из преломлений вообще не подчиняется закону Снелла; при равном нулю угле падения угол преломления не равен нулю. Об этом изображении говорят, что оно образуется «необыкновенными» лучами; второе изображение образуется лучами, которые удовлетворяют закону Снелла и называются «обыкновенными».
Так что возникает очень любопытная проблема. Теперь приходится отказываться от уже принятой гипотезы о едином поведении света и не только вводить новый механизм преломления, но и давать какое-нибудь объяснение природе света, которое согласовывалось бы с наблюдаемыми явлениями. Вскоре был сделан первый шаг, а в 1690 г. Гюйгенс разработал уже полную теорию.
Нужно отдать дань Гюйгенсу особенно потому, что, будучи современником Ньютона, он не всегда находил должное признание. Нужно помнить, что физика переживала еще детский период; всего несколько десятилетий назад наука приступила к закладке своих основ. А это был такой ум, который смог проникнуть в самую глубину сложного явления и создать теорию, которая даже к настоящему времени изменилась не по существу, а только по характеру изложения.
Вторая проблема — почему одна часть света ведет себя иначе, чем другая, — оказалась значительно более твердым орешком. Она привела к знаменитому спору между Ньютоном и Гюйгенсом: первый утверждал, что свет состоит из корпускул, а второй — что он представляет собой волны. Теперь, конечно, легко говорить, что Ньютон ошибался (даже Ньютон не безупречен!), а Гюйгенс был прав. Проследим, насколько это возможно, за доводами, приводившимися ими в свою пользу. Ньютон отдавал предпочтение идее корпускулярности из-за прямолинейного распространения света: частицы движутся по прямой, если на них не действуют никакие силы. Итак, здесь все в порядке. А если бы свет представлял собой движение продольных волн, подобно звуку, то трудно было бы представить себе, каким образом различные его части вели бы себя по-разному. Действительно, позиция Гюйгенса была слабее всего как раз в том, что касалось двойного лучепреломления, поскольку он предполагал, что свет — это продольные волны. Казалось, что Гюйгенс уходит от этого вопроса и надеется, что другие оптические явления, которые будут объяснены позднее, будут свидетельствовать в пользу его волновой теории.
Зато Ньютон со своими частицами легко мог получить двойное лучепреломление различными способами. Частицы могли бы, например, быть анизотропными, подобно магнитам, и тогда кристалл мог бы сортировать их соответственно их ориентациям и дальше уже преломлять по-разному. Говоря словами самого Ньютона, «каждый луч света имеет, следовательно, две противоположные стороны, наделенные неким свойством, от которого зависит необыкновенное преломление, и две другие стороны, не обладающие этим свойством». По аналогии с магнитом можно сказать, что ньютоновские корпускулы были поляризованы; это представление сохранилось, хотя идеи Ньютона в течение долгого времени не были в ходу. Странно, но ни Ньютон, ни Гюйгенс не думали, что свет мог бы представлять собой поперечные колебания.
Однако существует еще более простое явление, которое гипотеза Ньютона не может объяснить, — одновременное отражение и преломление света поверхностью стекла. Ньютон выдвинул весьма туманную идею о легком отражении и легком преломлении: он предположил, что луч, состоящий из набора корпускул, может в определенное время быть в состоянии, когда он легко отражается, а затем — в состоянии, когда он легко преломляется, и т. д. С помощью явлений интерференции, которые мы позднее рассмотрим, Ньютон смог оценить расстояние между этими состояниями, которое оказалось равным 1/89 ООО дюйма для красного света. Это составляет 2,7 х 10 ~5 см — не так уж далеко от половины длины волны красного света, как мы теперь знаем.
Интерференция и двойное лучепреломление
Великие эксперименты в физике редко бывают «замкнутыми»; они приводят к новым идеям и новым опытам. Опыт Юнга (по интерференции луча света в при прохождении одновременно через две щели) в этом отношении вполне показателен. Он побудил Араго и Френеля провести опыты по интерференции поляризованного света, в которых было окончательно установлено, что свет представляет собой движение поперечных волн. Мысль об этом бродила в умах ряда физиков того времени, только не было экспериментального ее доказательства.
Араго и Френель поняли, что, если бы они смогли показать, что «противоположно» поляризованные пучки света не образуют интерференционных полос, они получили бы ответ на этот вопрос. Поэтому все, что им нужно было сделать, так это поляризовать два пучка, проходящие через две щели в устройстве Юнга, и наблюдать, будут ли образовываться интерференционные полосы. Это легко сказать, но не легко сделать. Араго и Френель отдавали себе полный отчет в важности излучения волн одним и тем же источником — в том, что мы теперь называем когерентностью, — и поставили под сомнение свои первые результаты, поскольку их метод поляризации мог привести к некогерентности.
В их работе, опубликованной в 1819 г., описаны во всех деталях все проведенные ими опыты, а также их сомнения относительно полученных результатов. Может быть, достойно сожаления, что сегодня такая работа не была бы принята к опубликованию: редактор вынужден был бы просить авторов укоротить статью, опустив в ней все, кроме заключительного этапа работы — только тех экспериментов, которые прямо доказывают их точку зрения. Конечно, при этом большая часть работы теряется. Тем не менее нам придется придерживаться того же принципа и в этой книге.
Решение проблемы двойного лучепреломления и "поперечности" волновых колебаний света
Араго и Френель для поляризации пучка применили пластину из вещества с двойным лучепреломлением и использовали обыкновенный и необыкновенный лучи вместо двух пучков света в опыте Юнга. Однако при этом у обоих лучей получаются оптические пути разной длины. Для уравнивания этих путей они поставили на пути одного из лучей стеклянную пластину известной толщины. Однако Араго и Френеля все же беспокоила «зависимость выводов от теоретических предпосылок», поэтому в конце концов они проделали следующий эксперимент.
Они поместили однородную пластину из обладающего двойным лучепреломлением селенита (разновидность гипса CaS0₄ - 2Н₂0) поверх двух щелей Юнга; таким образом, каждая щель должна была давать два расходящихся пучка лучей, один обыкновенный, другой необыкновенный. Тогда могли бы возникать три набора интерференционных полос — один от двух обыкновенных пучков, второй от двух необыкновенных пучков, третий от их смеси. Первые два набора должны были точно накладываться друг на друга и зависеть только от расстояния между щелями; третий набор должен был зависеть от толщины селенитовой пластины. В действительности никакого третьего набора полос, как и ожидалось, не было.
Но отрицательный результат все же был неубедителен. Тогда Араго и Френель разрезали селенитовую пластину на две части и поместили половинки над каждой щелью, повернув одну из них в собственной плоскости так, что она стала перпендикулярна к другой. Теперь они наблюдали только полосы, возникающие из-за перекрывания обыкновенного и необыкновенного пучков. Но поскольку между пучками имелась разность хода, они образовывали два набора полос, смещенных один относительно другого.
Араго и Френель должны были испытать наслаждение, выполнив эти опыты, которые, будучи простыми, требовали в то же время весьма тонких манипуляций. Они проверили, что получится, если повернуть одну селенитовую пластину на 45°, и увидели все наборы полос сразу. Они доказали, что пучки, поляризованные под прямыми углами, не интерферируют; отсюда можно было сделать только один логический вывод, что свет представляет собой поперечные колебания и что поляризация означает ограничение этих колебаний в какой-нибудь плоскости. Я уверен, что Ньютон был бы в высшей степени удовлетворен столь простым и очевидным объяснением по сравнению с его сложным представлением об анизотропных корпускулах.
Вывод: в кристаллах с двойным лучепреломлением коэффициент преломления разный для световых волн с различной ориентацией.
И другой вывод: свет представляет собой поперечные колебания волн света..
(Использован источник: Г.Липтон. Великие эксперименты в физике. М., Мир, 1972)
Мои странички на Дзен: ВАЛЕРИЙ ТИМИН.
Ссылка на мою статью Как написать формулы в статье на Дзен?
Если вам понравилась статья, то поставьте "лайк", комментируйте и подпишитесь на канал! Если не понравилась – комментируйте и подписывайтесь. Этим вы поможете каналу. И делитесь ссылками в ваших соцсетях!