§ 2. КОРПУСКУЛЯРНАЯ И ВОЛНОВАЯ ТЕОРИИ

Ясно теперь для тебя, что с поверхности тел непрерывно

Тонкие ткани вещей и фигуры их тонкие льются... Значит, подобным путем непременно и призраки могут

Неизмеримую даль пробегать во мгновение ока... Призраки эти вещей, о каких говорю я, несутся Всюду, и мчатся они, разлетаясь по всем направленьям. Но оттого, что смотреть мы одними глазами способны, И происходит, что там лишь, куда обращаем мы взоры, Может по ним ударять и окраска и форма предметов.

— Вот что мы читаем в поэме Лукреция Кара «О природе вещей» (книга IV) - поэтическом назидании философам-эпикурейцам, написанном в I в. до н. э. Приведенные здесь строки содержат наметки корпускулярной теории света, порожденные мощным воображением поэта и в то же время изложенные в истинно научном духе. Но эти стихи можно назвать научным постулатом все-таки не в большей мере, чем другие древние предположения о природе света. Здесь нет и тени попытки определить явление количественно — главной черты объективного подхода. В самом деле, здесь чрезвычайно трудно отделить субъективное ощущение света от физического явления и усмотреть возможность измерения последнего.

Возникновение учения об оптике можно отнести к временам Декарта. Его книга «Диоптрики» (1638 г.) содержит фундаментальные законы распространения света, законы отражения и преломления. Первый из них был известен еще древним, а второй был установлен экспериментально Снеллом незадолго до появления книги Декарта (примерно в 1618 г.). Декарт выдвинул идею эфира как переносчика света; эта идея стала предшественницей волновой теории. Первые догадки о ней принадлежат Роберту Гуку (1667 г.), а первая отчетливая формулировка — Христиану Гюйгенсу (1678 г.). Их великий современник, Ньютон, который был несколько моложе их, считается автором противоположной доктрины — корпускулярной теории. Прежде чем описать борьбу между этими конкурирующими теориями, мы грубо очертим суть каждой из них.

Корпускулярная теория утверждает, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. Волновая теория, с другой стороны, устанавливает аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. Для этого в ней предполагается существование упругой среды, которая заполняет все прозрачные тела; эта среда и есть световой эфир. Отдельные частицы этого вещества просто колеблются относительно своего равновесного положения. То, что движется в виде световой волны,

Представляет собой состояние движения частиц, а не движение частиц самих по себе. На фиг. 47 изображен этот процесс для ряда точек, которые колеблются вверх — вниз относительно среднего положения. Каждая горизонтальная линия на этой диаграмме соответствует некоторому моменту времени, скажем, . Каждая отдельная точка колеблется в вертикальном направлении. Все вместе точки создают картину волны, которая перемещается вправо от одного момента времени к другому.

Фиг. 47. Волна, движущаяся вправо.

Против такой волновой теории существует одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. Легко видеть, как это происходит с волнами на поверхности воды или со звуковыми волнами, когда они «поворачивают за угол». Однако луч света распространяется по прямой. Если на пути света поместить непрозрачное тело с резкой гранью, то его тень будет иметь резкую границу.

Именно этот факт склонил Ньютона к отказу от волновой теории. Он не отдал предпочтения какой-нибудь определенной гипотезе, но лишь просто указал, что свет представляет собой нечто, что распространяется от светящегося тела «подобно излучаемым частицам». Однако его последователи истолковали это мнение так, как будто Ньютон отдал предпочтение корпускулярной теории, а авторитет его имени завоевал признание для этой теории на целое столетие. Однако в это время Гримальди уже открыл (его результат был опубликован посмертно в 1665 г.), что свет может также и «огибать углы». На границах резких теней можно видеть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов; это явление было названо дифракцией света. Именно это открытие сделало Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории. Первым и самым главным аргументом в пользу этой теории он считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде, тогда как между пучками излученных частиц с необходимостью возникали бы столкновения или по крайней мере какого-либо рода возмущения. На базе волновой теории Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.

Он опирался на принцип, носящий теперь его имя и состоящий в том, что каждую точку, достигаемую световой волной, следует рассматривать как источник новой сферической световой волны. Отсюда вытекает фундаментальное различие между корпускулярной и волновой теориями — различие, которое в дальнейшем привело к окончательному экспериментальному решению в пользу последней.

Известно, что распространяющийся в воздухе луч света, падая на граничную поверхность более плотного тела, например стекла или воды, искривляется или преломляется так, что его направление приобретает более крутой наклон к граничной поверхности (фиг. 48).

Фиг. 48. Изменение направления луча света при переходе из воздуха в стекло.

Фиг. 49. Преломление луча света при переходе из воздуха в стекло с точки зрения волновой теории.

Корпускулярная теория объясняет этот факт на основе предположения, что частицы света испытывают притяжение со стороны более плотной среды в тот момент, когда достигают ее границы. Таким путем они ускоряются, приобретая импульс в направлении, перпендикулярном к граничной поверхности, и, следовательно, оказываются отклоненными ближе к нормали. Отсюда вытекает, что в более плотной среде они должны двигаться быстрее, чем в менее плотной.

Рассуждения Гюйгенса на базе волновой теории строятся на совершенно противоположном предположении (фиг. 49). Когда световая волна падает на граничную поверхность, она возбуждает элементарные волны в каждой точке границы. Если в более плотной среде эти элементарные волны распространяются медленнее, то плоскость, касательная ко всем таким сферическим волнам и представляющая, согласно Гюйгенсу, преломленную волну, оказывается отклоненной в правильном направлении.

Гюйгенс также объяснил двойное преломление в исландском шпате, открытое Эразмом Бартолинусом в 1669 г. Он исходил

из волновой теории и предположения, что свет может распространяться в кристалле с двумя различными скоростями таким образом, что одна элементарная волна представляет собой сферу, а другая — эллипсоид вращения.

Фиг. 50. Цепочка материальных точек. В состоянии равновесия расстояние между точками равно

Фиг. 51. Продольное волнообразное движение цепочки, изображенной на фиг. 50. Каждая точка совершает периодическое движение вокруг своего положения равновесия с периодом Между колебаниями различных точек существует временной сдвиг. Состояние цепочки, например максимум (сплошная наклонная прямая) и минимум (пунктирная наклонная прямая) плотности, распространяется вправо со скоростью

Двойное преломление означает, что луч света, падающий, например, на пластинку прозрачного шпата, расщепляется на два луча. Гюйгенс обнаружил, что эти два луча отличаются друг от друга и от естественного света. Это можно продемонстрировать с помощью другой пластинки из шпата. Если один луч выходит из первой пластинки и падает на вторую перпендикулярно, то из второй выходят

два луча. Интенсивность этих последних меняется по мере того, как кристалл поворачивают вокруг оси, совпадающей с направлением падающего луча. В определенном положении интенсивность одного луча может стать даже нулевой (отсутствие двойного преломления). Итак, лучи, расщепленные при двойном преломлении, обнаруживают ориентационные свойства, не наблюдаемые у естественного света. Ньютон отмечал (1717 г.), что не все направления вокруг луча света эквивалентны. Он истолковывал это как аргумент против волновой теории, так как в его время были известны лишь волны сжатия и разрежения (подобные звуковым волнам), в которых частицы колеблются «продольно» - в направлении распространения волны (фиг. 50 и 51). В этом случае, очевидно, ни одна ориентация, перпендикулярная к направлению распространения, не может быть предпочтительной.