В 1669-1670 годах в истории физики случилось одно очень важное событие - была опубликована работа датского профессора геометрии и медицины Расмуса Бартолина (1625-1698): "Experimenta crystalli islandici disdiaclastici, quibus mira et insolita refractio detegitur ".
В этой работе, используя геометрию и латынь, он описал наблюдения своих 17-ти опытов необычного поведения лучей света на прозрачном "исландском кристалле". Были установлены некоторые физические и химические свойства кристалла, способность к электризации. Очень удивительными оказались оптические свойства - когда ромбовидный кристалл помещался на лист бумаги с черной точкой, то смотря на эту точку через прозрачный кристалл, возникало изображение не одной точки, а двух. Причем казалось, что одна из точек лежит выше другой. А дальше было еще интересней- когда Расмус Бартолин начинал вращать кристалл на плоскости этого листа бумаги, верхнее изображение точки оставалось неподвижным, а нижнее вращалось вместе с кристаллом.
Из опытов выяснилось, что возникающее раздвоение изображения точки связано с тем, что обычный луч света проходящий через этот кристалл расщепляется на два луча. Исследуя эти два луча света, Расмус Бартолин обнаружил, что поведение одного луча соответствовало геометрическому закону преломления(рефракции), а второго луча нет. Поэтому, Расмус Бартолин назвал один луч- "обыкновенный луч", а второй луч- "необыкновенный луч". Кроме всего, было найдено определенное положение кристалла, когда падающий на него луч света не раздваивался.
Наблюдаемое раздвоение луча света противоречило известному на тот момент закону преломления света (закон Снеллиуса). Сам закон преломления света был открыт в Европе нидерландским математиком, натурфилософом и астрономом Виллебрордом Снеллиусом(1580-1626) в 1621 году, но опубликован этот закон был впервые французским философом и математиком Рене Декартом(1596-1650) в его работе "Диоптрика" 1637 году. Константа n21 называется показатель преломления луча между двумя средами и этот показатель для каждого вещества индивидуальный. Например, для воды составляет около 1,33 и 1,5 для обычного стекла. Кроме того n также зависит от цвета света: для красного цвета в стекле n= 1.508, а для фиолетового в этом же стекле 1.525.
Закон преломления (середины XVII века) гласит:
Падающий и преломленный световой поток, а также нормаль, проведенная к поверхности, находятся в одной плоскости. Отношение синусов углов падения и преломления светового потока равно константе
Сразу скажу, что для закона преломления справедлив "принцип обратимости":
луч света, двигаясь в обратном направлении проходит тот же путь, как и в прямом.
Сам Расмус Бартолин не смог объяснить результаты своих опытов с "двойным лучом света", написав, что это требует дальнейших исследований. Вероятно, он хотел получить объяснения от других известных натурфилософов в области оптики. Во время своего пребывания в Лейдене Расмус Бартолин познакомился с голландским натурфилософом Христианом Гюйгенсом и отправил ему кристаллы исландского шпата. Находясь во Франции, в Париже, Христиан Гюйгенс провел в 1677 году свои уникальные исследования свойств кристаллов исландского шпата, ставшие основой его фундаментальной работы по оптике известной как "Трактат о свете" 1678 года. Эту работу Христиан Гюйгенс прочитал перед Французской Королевской академией наук в 1679 году. Несмотря на то, что работа не была широко принята в научном сообществе того времени, в отличие от "Оптики" Исаака Ньютона, "Трактат" Христина Гюйгенса стал новой теорией, которая дала начало новому пониманию свойств света- волновой теории света. Об этих событиях я напишу в следующих статьях.
А сейчас я хочу написать немного дополнительной интересной информации о самом "исландском шпате".
Исландский шпат - кристаллическая форма карбоната кальция. Карбонат кальция (кальцит) относится к классу биоминералов, т.е. его основной состав - это останки живших морских организмов мелового периода эпохи мезозойской эры: различных раковин и беспозвоночных организмов, известковых водорослей и костей рыб. Наверное большинство людей впервые столкнулось с карбонатом кальция, в виде прессованного белого порошка, когда брали в руки белый школьный мел. В силу различных примесей и пути образования этого минерала, его разновидности имеет широкую цветовую гамму.
Среди этого разнообразия природных кальцитов есть один уникальный вид кристаллического карбоната кальция- это исландский шпат.
Этот минерал практически не содержит примесей поэтому он полностью прозрачный как для видимого света, так и для ультрафиолета.
На протяжении многих веков единственный источник этого чистого кристаллического кальцита находился недалеко от фьорда "Рейдар-фьордур" на востоке Исландии, поэтому эта разновидность минерала получила название исландским шпат (шпат- означает кристалл с гладкой поверхностью). Исландцы называли его просто silfurberg, что означает «серебряная скала».
Есть еще одно название у исландского шпата- солнечный камень. На протяжении сотен лет, с 900 по 1200 годы н.э., викинги были главными мореплавателями в водах Северной Атлантики. Они много плавали на своих кораблях, уходя на сотни миль от берега. Было непонятно, как викинги находясь в северных водах Океана, без магнитных компасов, в условиях сильных туманов и короткого светового дня, могли точно находить нужный им морской путь. По одной из скандинавских легенд, ориентироваться на море в таких условиях они могли с помощью солнечных камней, которые вероятно были исландским шпатом.
Дело в том, что при расщеплении луча света на кристалле исландского шпата, выходящие два луча света будут разной яркости. Вращая по окружности кристалл, найдется такое его положение, когда яркость двух выходящих из него лучей станет одинаковой и неразличимой. Это положение кристалла и будет указывать на положение входящих лучей от солнца, даже, если будет сильный туман или Солнце зайдет за горизонт. Точность такого определения местоположения Солнца составляет один градус.
В основе этого явления, как и явление двойного преломления света лежит волновая теория света и поляризация света. Физика этих процессов будет подробно рассматриваться и объясняться в следующих статьях.
Спасибо за прочтение моей статьи. Свое мнение можно оставить в комментариях.
P.S. Уважаемый читатели, прошу обратить внимание - в своих статьях я описываю работы и мысли своих персонажей. У меня не учебник по физике. Мои персонажи - натурфилософы и физики разных эпох. Отдельно от исторических личностей я физику не рассматриваю, только в контексте. Информационный материал с которым я работаю - 90% англоязычный. Я перевожу сам, могут быть неточности перевода. Но, я стараюсь максимально передать суть и дух эпохи тех времен. Возможно, я допускаю ошибки в переводе и трактовке, но никто не совершенен даже я (шутка). Очень прошу, не проводить жесткие сравнения с современными представлениями физики.