Судя по статистике канала «Физика-блюз» количество дочитываний статей по физике света к концу весны заметно уменьшилось. С большой долей вероятности и немалой долей сожаления, могу предположить только то, что большинство моих читателей просто устали от требующего определенных усилий восприятия публикуемых материалов. Тем не менее, предлагаю самым терпеливым из них, а также тем, кто чувствует себя в теме и пока еще не утратил интерес к корпускулярной оптике, продолжить свое участие в ее реабилитации в глазах современного физического сообщества.
Очередную статью начнем с постановки вопроса: «Что произойдет с потоком света, если на пути его распространения окажется непрозрачный предмет?». Разумеется, мы увидим, что свет частично отразится от поверхности этого предмета, еще какая-то часть фотонов будет им поглощена, но самое интересное – это то, как свет поведет себя, проходя вплотную с границами препятствия, то есть, буквально скользя по его поверхности, граням и ребрам.
В первой половине XVII века таким вопросом задался итальянский физик и математик, священник-иезуит Франческо Гримальди. Освещая различные предметы узким пучком света, он заметил, что реальная тень от используемого в эксперименте предмета была шире, чем должна была быть его геометрическая тень. Надо отдать должное редкой наблюдательности, хорошему зрению и решительности Гримальди, который, опередив Ньютона, и отбросив всякие сомнения, посчитал этот факт открытием нового типа отклонения света, заключающегося в огибании освещаемого препятствия лучами светового потока, похожего на обтекание камня водой ручья.
В своих трудах Ньютон вскользь упоминает об открытии Гримальди, признавая, впрочем, его бесспорный приоритет в этом вопросе: «… Когда же лучи [света] находятся в воздухе (как уже давно заметил Гримальди, пропуская через отверстие свет в темную комнату, что я и сам пробовал), то при проходе близ углов [краев] тел непрозрачных или прозрачных … они загибаются в сторону к телу, как бы будучи к нему притягиваемыми. При этом лучи, ближайшие к телу, загибаются больше, как бы более притягиваясь, что я сам тщательно наблюдал. Те же лучи, которые проходят в большем расстоянии, загибаются менее, и в еще большем расстоянии загибаются даже чуть-чуть в противоположную сторону, давая три цветных полосы». (Математические начала натуральной философии. Книга I. Отдел XIV. Поучение)
Гримальди назвал открытое им явление дифракцией - термином, сохранившимся в науке и по сей день. Сложно сказать, из каких соображений он выбрал именно это слово, латинский корень которого обозначает разлом или деление целого на части, с последующей группировкой этих частей по какому-либо признаку, например, по размеру (вспомним, например, слова «фрагмент» и «фракция»). На первый взгляд, совершенно непонятно, чему и зачем там разламываться или дробиться, да еще и распределяться по каким-то фракциям, если поток света подобен потоку жидкости.
Рассмотрим это оптическое явление, интересное уже само по себе, подробнее. И поступим так, не в последнюю очередь, потому, что очень многие твердо уверены в том, что именно дифракция света оставляет не у дел его корпускулярную теорию, отдавая пальму первенства волновой теории. Однако есть и те, кто никоим образом не разделяет подобной уверенности. Этой статьей попробуем внести свою лепту в их поддержку, присоединившись к малочисленной корпускулярной оппозиции, которая несмотря ни на что, продолжает противостоять подавляющему большинству членов физического сообщества, придерживающемуся волновых представлений о природе света.
Итак, в результате того, что свет огибает предмет, «стекая» непосредственно по его поверхности, и «заворачивает за угол», тень от этого предмета становится шире. Более того, на экране, расположенном за предметом, формируется весьма любопытное изображение, состоящее из регулярно чередующихся темных и светлых полос – так называемая интерференционная картина. Например, такая:
Сейчас считается общепризнанным, что термин «интерференция» перекочевал в оптику из специального раздела механики, в котором рассматриваются волновые явления, происходящие на поверхности жидкости. Он обозначает процесс наложения одной волны на другую при их встрече в одной и той же области пространства, благодаря чему, в зависимости от разности фаз сливающихся (складывающихся) волн, происходит либо увеличение амплитуды результирующей волны, либо ее уменьшение (вплоть до полного и обоюдного «гашения» встретившихся волн). Места таких «всплесков» и «гашений» периодически чередуются в пространстве. По всей видимости, именно последнее обстоятельство и повлияло на выбор явления интерференции механических волн в качестве подходящего объяснения того, почему при огибании светом какого-либо препятствия формируется картина подобная интерференционной. Достаточно только признать волновую природу света, и тогда можно будет предположить, что его волны накладываются одна на другую точно так же, как и механические волны. В итоге наблюдается то самое характерное для света чередование светлых и темных полос на экране, расположенном за освещаемым предметом.
Такое объяснение дифракции в начале XIX века предложил французский физик Огюстен–Жан Френель, опираясь на сформулированный ранее голландцем Христианом Гюйгенсом принцип построения волновых фронтов. Считается, что тем самым Френель «похоронил» корпускулярную теорию света.
Впрочем, сказать, что аргументы Гюйгенса и Френеля, искренне убежденных в том, что свет - это волна, были очень убедительными, никак нельзя. Хорошо, пусть они все-таки были неправы, но что же, в таком случае, можно противопоставить волновым представлениям о природе света знаменитых ученых и их многочисленных сторонников и последователей? В поисках ответа на этот вопрос существенную помощь, как всегда, оказывает обращение к Ньютону - «тайному» стороннику корпускулярных представлений о свете. Следует отметить, что Ньютон повторил некоторые из экспериментов Гримальди, о чем свидетельствует первая часть третьей книги его трактата «Оптика». Однако, как по подходу, так и по интерпретации эти опыты далеко не столь подробны и педантичны, как эксперименты английского гения с призмами, линзами и другими оптическими устройствами, описанные в его первых двух книгах. И, более того, эксперименты по дифракции специально подобраны Ньютоном с целью представления этого явления как результата воздействия вещества на световые корпускулы. По его мнению, частицы света, проходя близ краев тел, испытывают притяжение и отталкивание («приступы легкого прохождения» и «приступы легкого отражения»), и потому образуемые ими лучи света изгибаются.
Ньютон и сам признавал недостаточность предпринятых им усилий: «Производя предыдущие наблюдения, я намеревался повторить большинство из них с большей тщательностью и точностью и сделать некоторые новые наблюдения для определения способа, каковым лучи света изгибаются при их прохождении около тел, создавая цветные каемки с темными линиями между ними. Но я был тогда прерван и не могу теперь думать о том, чтобы приняться за дальнейшее рассмотрение этих предметов. Ввиду того что я не завершил этой части моего плана, я закончу предложением только нескольких вопросов для дальнейшего исследования, которое произведут другие».
Предлагаю читателям попробовать разобраться со всем этим - рискнуть представить себя на месте этих самых «других». Первым делом отметим, что выше упомянутых вопросов оказалось не так уж и мало (31 вопрос), и затронули они не только оптику. Среди тех из них, что касаются оптики и представляют для нас особый интерес, есть несколько принципиально и концептуально важных высказываний Ньютона, в том числе и тех, которые затрагивают непосредственно дифракцию света. На это указывают подробные примечания к трактату Ньютона, его переводчика С. И. Вавилова: «[Примечание] 142.
(К стр.257). Вопросы 1 – 4-й – набросок теории дифракции».
Первый из вопросов Ньютона гласит: «Не действуют ли тела на свет на расстоянии и не изгибают ли этим действием его лучей; и не будет ли caeteris paribus [при прочих равных условиях] это действие сильнее всего на наименьшем расстоянии?». То есть, утвердительный ответ на этот вопрос приводит, в частности, к несколько неожиданному выводу о том, что в формировании отраженного светового потока принимают участие не только ударяющиеся о поверхность раздела фотоны с положительной на тот момент массой (пунктирная линия на рисунке). Тогда же, какая-то часть фотонов с отрицательной массой (сплошная линия), оказавшихся достаточно близко к поверхности для того чтобы оттолкнуться от нее, избежав при этом непосредственного контакта с препятствием и последующего «преломления», тоже вносит свой вклад в формирование отраженных лучей света.
Если этот рисунок повернуть на 90° и зеркально отразить, то в качестве поверхности раздела теперь будет выступать край (AB) некоторого препятствия на пути светового потока, распространяющегося снизу-вверх параллельно этому краю.
Пусть фотоны, образующие обтекающий препятствие луч, имея в начальный момент времени (в точке C) отрицательную массу, отталкиваются от препятствия. Затем через промежуток времени равный половине периода изменения их массы световые корпускулы оказываются в точке E, пройдя без взаимодействия точку D, поскольку в ней масса фотонов принимает нулевое значение. В этот момент времени (в точке E) их масса принимает теперь уже положительное значение, благодаря чему фотоны испытывают здесь притяжение к препятствию. И в итоге огибают его, формируя одну из светлых полос в области геометрической тени освещенного препятствия (из соображений наглядности, на рисунке отклонение частиц от направления их прямолинейного перемещения сильно преувеличено).
Изображенная на рисунке траектория фотонов, образующих наблюдаемый луч света напоминает фигуру «змейка» на автодроме, используемую в ходе обучения вождению. Ньютону же изогнутый таким образом луч света напомнил движение угря в воде, о чем, с некоторой долей удивления и чувством удовлетворения читаем в его третьем вопросе, всегда до этого вызывавшем легкое недоумение: «Не изгибаются ли лучи света, проходя около краев тел, несколько раз вперед и назад, совершая движения, подобные движениям угря?». Теперь все становится на свои места: оказывается, лучи, и в самом деле, изгибаются, да еще как красиво!
Очевидно, что величина отклонения луча света или образующих его фотонов от первоначального направления распространения зависит от разных факторов, но основными среди них являются следующие два параметра:
1) расстояние между поверхностью препятствия и «скользящим» по ней фотоном (на расстояниях, превышающих десятые доли микрона взаимодействие уже практически отсутствует);
2) фаза изменения массы фотона на входе в область его взаимодействия с препятствием и, следовательно, на выходе из нее.
Например, на Рис. 1 в момент входа (точка A) частица света имеет положительную массу, и потому притягивается к краю освещаемого препятствия (AB), отклоняясь влево на определенный, хотя и чрезвычайно малый угол α. Точки выхода (B) она, отклонившись на уже доступный измерению суммарный угол, достигает, обладая отрицательной массой. И поэтому наблюдаемый фотон отклоняется здесь вправо, попадая в точку D регистрирующего экрана (NK). В случае отсутствия препятствия этот фотон был бы зафиксирован в точке C. Таким образом, точка D оказывается освещенной сильнее, чем точка C.
Смещение препятствия параллельно лучу света назад на расстояние равное четверти длины волны де Бройля наблюдаемого фотона (пунктирная синусоида на рисунках 1 и 2; о волне де Бройля см. статью «Волна-призрак») приводит к иному отклонению луча. Оно оказывается таким, что соответствующий фотон регистрируется в точке D, находящейся уже в области геометрической тени от препятствия, внося свой вклад в ее дифракционное расширение и в формирование изображения, подобного волновой интерференционной картине.
Рискну предположить, что после приведенного здесь экспресс-анализа цитируемых выше вопросов Ньютона, любой непредвзятый читатель согласится с тем, что корпускулярная теория света убедительно демонстрирует свою самостоятельность и состоятельность в интерпретации явления дифракции. И делает она это без привлечения к моделированию указанного явления представлений о механических волнах на поверхности какой-либо жидкой среды, становящихся таким образом излишними. Одним словом, да простит меня великий и «ужасный» Френель, а вместе с ним и Гюйгенс, но объяснить явление дифракции можно гораздо проще, чем это делает волновая теория света.
Корпускулярная концепция света сводит происходящее в ходе дифракции образование чередующихся полос разной степени освещенности к элементарному перераспределению количества фотонов в соответствующих местах регистрирующего экрана. Так что формирование столь специфичной картины обязано своим происхождением вовсе не наложению каких-то иллюзорных волн, распространяющихся в несуществующей среде, а отклонению реальных частиц света на разные углы в результате их взаимодействия с тем или иным препятствием, перекрывающем световой поток. Подробнее об этом я расскажу в следующей статье, в которую вошло все то, что не влезло в эту и без того слишком объемную публикацию (анимированную аннотацию из двух частей к опубликованной статье можно посмотреть, перейдя по ссылке1 и ссылке2).