В истории науки были случаи, когда экспериментальные данные были получены на много раньше, чем найдена закономерность между ними. Рассмотрим это на изучении преломления света на границе разных прозрачных для видимого спектра электромагнитного излучения (света).
Первые данные углов отклонения света в воде для целого ряда углов падения из воздуха были получены древнегреческий астроном, астролог, математик, механик, теоретик музыки и географ Клавдий Птолемей в 140 году нашей эры (Таблица взята из “Фейнмановских лекций по физике”)
Не зная закона, такую таблицу можно составить только на опытных данных. Это доказательство, что в поздней древней Греции уже был отход от аристотельского подхода к естественным наукам – наука должна быть только умозрительной, что отрицало влияния опыта, как доказательство верности теоретических знаний.
Так как данные, полученные Птолемеем, хорошо ложатся на параболу, то можно предположить, что между ними существует какая-то корреляция, то есть взаимосвязь.
Долгое время года никто не мог найти закона, который связывал бы эти два угла. И только 1621 году голландский математик Виллеброрд Снелл установил довольно простой закон, связывающий эти углы, который мы называем законом преломления.
Кстати, он выполняется не только для воздуха и воды, но и для всех других пар прозрачных сред, например, воздуха и стекла, и других пар.
Ниже приводится таблица углов преломления лучей света на границе воздух - вода , полученных при помощи закона Снелла.
Удивительно, что данные углов лучей света при прохождении границы воздух - вода, полученные с помощью закона Снелла, хорошо согласуется с данными Клавдия Птолемея.
В 1662 году Пьер Ферма предложил для геометрической оптики принцип наименьшего времени, согласно которому между двумя точками свет выбирает такой путь, для прохождения которого необходимо наименьшее время:
Математически можно доказать, что коэффициент преломления равен отношению скоростей в этих средах:
Это дало два принципиально важного факта:
- Необязательно составлять таблицы коэффициентов преломления для каждой пары прозрачных сред. Достаточно знать коэффициент преломления света двух соответствующих коэффициентов относительно вакуума, которые называются абсолютными коэффициентами преломления вещества. Ведь согласно специальной теории относительности скорость света в вакууме постоянна.
- Скорость света в различных прозрачных средах разная, что было опытно доказано только в двадцатом веке.
Стоит в заключении ответить, что второй факт имеет совсем другую природу и связан с воздействием света на вещество, что заслуживает отдельного поста…
