История физики

Для теории света решающими были открытия интерференции, диффракции и поляризации. Первые наблюдения сделаны Франческо Гримальди (1618-1663), который в появившейся посмертно работе 1665 г. подробно описывает диффракцию на стержне и решетке. Но эти наблюдения, повторенные Ньютоном, остались без влияния на дальнейшее развитие. То же относится к открытию Робертом Бойлем (1627-1691) цветных колец в тонких слоях (1663) - колец, которые носят имя Ньютона, так как он первый исследовал зависимость цвета колец от толщины слоя. Ньютон высказался за корпускулярную теорию истечения света, правда, с некоторой сдержанностью, так как он явно придавал больше значения результатам своих опытов, чем их объяснению. В предисловии к своей «Оптике» он так же отклоняет гипотезы, как в заключении к «Принципам». Но за эту теорию крепко ухватились его эпигоны, и она продержалась до XIX столетия. Например, Жан Батист Био (1774-1862) не сразу присоединился к волновой теории, хотя он ближайшим образом соприкасался с ее развитием. Робко уже Гримальди, а более определенно Роберт Гук (1635-1703) занимались волновой теорией. Однако датировать ее надо лишь со времени появления «Трактата о свете», представленного Христианом Гюйгенсом (1629-1695) в Парижскую Академию в 1678 г. и опубликованного в 1690 г. Из представления о движении продольных волн он вывел посредством построения огибающих прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления. Последний закон он установил не только для изотропных тел, но также для исландского шпата, двойное преломление которого он объяснил из образования двух волн, причем одна из них шарообразна, как в изотропных телах, а другая представляет собой эллипсоид вращения. О спектральном разложении света работа умалчивает. В противоположность механике, в теории света в XVIII столетии был некоторый застой. «Героическая» эпоха волновой теории началась в 1800 г. и продолжалась до 1835 г. Развитие ее наблюдалось преимущественно в Англии и Франции. В 1801 г. выступил Томас Юнг (1773-1829) со своей идеей интерференции и объяснил на ее основе, как известно, ньютоновские кольца. Отсюда он первый получил приблизительные численные значения длин волн света. Он также показал различие между когерентными лучами, возникающими из одного источника света, и некогерентными лучами. Он применил эту идею к объяснению диффракции, которую рассматривал как интерференцию между светом, проходящим непосредственно через диффракционную щель, и краевыми волнами; к этому мы еще возвратимся. В 1809 г. Этьен Луи Малюс (1775-1812) открыл поляризацию, которую сам исследователь считал опровержением волновой теории. Действительно, она несовместима с продольными волнами, о которых говорится в трактате Гюйгенса. В дополнение к этому в 1811 г. Доминик Франсуа Араго (1786-1853) описал явления цветов, наблюдаемые в кристаллах в поляризованном свете. В 1817 г. Юнг высказался в пользу поперечности волн света, несмотря на то, что подобное представление противоречило обычным воззрениям. В 1815 г. начал свою (увы, столь короткую!) научную деятельность гениальный Огюстен Жан Френель (1788-1827). Благодаря ему физика получила, кроме многих новых наблюдений над интерференцией и диффракцией, также теорию диффракции в форме построения зон (1818). Эта теория связывала принцип огибающих Гюйгенса с идеей интерференции. Френель и Араго (1819) показали, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируют, и окончательно укрепили положение теории поперечных колебаний. Кристаллооптика Френеля, объясняющая опыты Араго, сохранила свое значение до наших дней. И наконец в этот же период времени, в 1821-1822 гг., Фрауигофер произвел опыты по диффракции, отличающиеся от опытов Френеля, теоретически более простые, чем опыты Френеля. В 1835 г. их в некотором смысле завершил Шверд своим резюмирующим сочинением «Явления диффракции, аналитически развитые из основных законов волновой теории».

Идея интерференции, согласно которой налагающиеся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно усиливаются, а могут также ослабляться до полного уничтожения, принадлежит с тех пор к числу ценнейших вкладов в физику. Когда встречается неизвестный вид излучения, всегда стараются получить интерференцию; если это удается, то тем самым доказывается его волновой характер.

Итак, было установлено, что свет является поперечным волновым движением. С течением времени по мере совершенствования экспериментального искусства все увеличивалось количество интерференционных аппаратов и опытов и все повышалась точность измерения. Македонио Меллони (1797-1854) в 1834 г. показал, что инфракрасное излучение в опытах с отражением, преломлением и поглощением ведет себя так же, как свет. Карл Герман Кноблаух (1820-1895) с помощью опытов по интерференции, диффракции и поляризации показал в 1846 г., что оно отличается от света только большей длиной волны. Генрих Мюллер (1809-1875) применил в 1856 г. новое искусство фотографирования к коротковолновому ультрафиолетовому излучению.

Знание спектра значительно расширилось в ноябре 1895 г. благодаря выдающемуся открытию Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Непосредственно вслед за этим открытием в 1896 г. Эмиль Вихерт (1861-1928) и Габриэль Стоке (1819-1903) заключили из способа возникновения рентгеновских лучей, что они являются световым излучением с очень короткой волной. Этот вывод полностью подтвердили в опытах по поляризации Ч. Г. Баркла и в опытах по интерференции в атомных пространственных решетках кристаллов В. Фридрих и П. Книппинг (1883-1935). Длина волны рентгеновских лучей колеблется между 10^-7 и 10^-9см. В 1949 г. Дж. Дюмонд с помощью тех же методов расширил оптику до гамма-лучей, имеющих длину волны еще более короткую, чем рентгеновские лучи.

Сделала успехи и теория. Прежде всего получила поразительное подтверждение идея Юнга о краевых волнах при диффракции, когда в 1883 г. Георг Ги (1854-1926) и в 1885 г. Вильгельм Вин (1864-1928) увидели их непосредственно при диффракции света под большим углом; до тех пор они наблюдались только вблизи границы тени. Созданная Френелем гениальная теория зон была в 1883 г. обобщена в математической волновой теории Г. Р. Кирхгофа, а в 1917 г. его дело продолжил А. Рубинович, который математически доказал, например, тождество взглядов Юнга и Френеля на явления диффракции. Но во всех этих исследованиях вынуждены были пользоваться приближенными способами. Лишь А. Зоммерфельд в 1894 г., математически строго исследовав диффракцию на прямолинейном крае, доказал правомерность этих приближений.

Колебания света рассматривались сначала (как могло быть иначе?) как упругие волны, подобные поперечным колебаниям в твердых телах. Среду, которая должна была переносить их через пустое пространство, называли эфиром. Со времени получения Е. Торричелли и О. Герике (гл. 2) безвоздушного пространства стали думать, что свет, в отличие от звука, не нуждается в материи для своего распространения. Правда, было трудно объяснить, почему в эфире имеют место поперечные, а не продольные волны. В жидкостях и газах возможны только продольные, но не поперечные колебания. Никакая теория упругости не может объяснить появление поперечных волн в подобных средах. Проблема отражения и преломления также не находила полного математического решения. Но вот в 1865 г. Дж. К. Максвелл (1831-1879) вывел из своей теории электричества и магнетизма (гл. 5) математическое заключение о возможности электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света, и тотчас же занялся светом как примером таких волн. Электромагнитная теория света удовлетворяла опыту лучше, чем упругая, поскольку она допускает только поперечные волны и сводит трудности, связанные с представлением о механических свойствах эфира, к более общей проблеме механического объяснения электродинамики вообще. Она привела к простому, у многих тел эмпирически наблюдающемуся отношению между показателем преломления и диэлектрической постоянной. Кроме того, она содержит в себе, как показал в 1875 г. Гендрик Антон Лорентц (1853-1928), полную теорию для предложенных уже Френелем формул интенсивности при отражении и преломлении; последние только экспериментально подтверждались, но не могли быть объяснены теорией упругости. Несмотря на ее преимущества, этой теории пришлось сражаться за свое признание три десятилетия - так велика была сила старых теорий, опирающихся на общее механистическое мировоззрение. После того как в 1888 г. Генрих Герц (1857-1894) обнаружил электромагнитные волны и показал, что они имеют все свойства света: преломление, отражение, интерференцию, диффракцию, поляризацию и ту же скорость распространения, что и у света, - новая теория одержала победу. Старый спор о том, происходят ли световые колебания в плоскости поляризации, как полагал Френель, или они, согласно Францу Нейману (1798-1895), перпендикулярны к ней, был решен теорией отражения Лорентца, а также опытом Отто Генриха Винера (1862-1927) со стоячими световыми волнами, показавшим, что колебания электрического поля совершаются перпендикулярно к плоскости поляризации, а колебания магнитного поля - в самой этой плоскости. Это вполне естественное соединение до этого совершенно независимых теорий света и электродинамики является, может быть, крупнейшим из тех событий, на которые указывалось во введении, как на доказательство истинности физического знания.