§ 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ И ПОПЕРЕЧНОСТЬ СВЕТОВЫХ ВОЛН

Хотя явление интерференции едва ли допускает какую-нибудь иную интерпретацию, кроме как на базе волновой теории, всеобщее признание этой теории встретилось с двумя трудностями, которые, как мы видели, Ньютон считал решающими аргументами против нее: во-первых, прямолинейное распространение света в общем случае и, во-вторых, природу явления поляризации. Первая трудность была преодолена в рамках самой волновой теории, когда она достигла достаточного уровня развития: было установлено; что волны «огибают углы», но лишь в областях порядка длины волны. Поскольку последние в случае света чрезвычайно малы, то невооруженному глазу представляется, что тени имеют резкие границы, а лучи ограничены прямыми линиями. Лишь очень точные наблюдения позволяют заметить интерференционные полосы дифрагирующего света, параллельные границам тени.

Честь создания теории дифракции принадлежит Френелю, позднее — Кирхгофу (1882 г.), а в дальнейшем — Зоммерфельду (1895 г.). Они математически проанализировали эти тонкие явления и определили пределы, в которых применимо понятие луча света.

Вторая трудность связана с явлениями, обусловленными поляризацией света. Выше, говоря о волнах, мы всегда имели в виду продольные волны, подобные известным звуковым волнам. Действительно, звуковая волна состоит из периодических уплотнений и разрежений, при которых отдельные частицы воздуха движутся взад-вперед в направлении распространения волны.

Поперечные волны, конечно, тоже были известны: примером могут служить волны на поверхности воды или колебания растянутой струны, в которых частицы колеблются под прямым углом к направлению распространения волны. Но в этих случаях мы имеем дело не с волнами внутри вещества, а либо с явлениями на поверхности (волны на воде), либо с движениями целых конфигураций (колебание струны). Ни наблюдения, ни теория распространения волн в упругих твердых телах еще не были тогда известны. Этим объясняется кажущийся нам странным факт, что признание оптических волн как поперечных колебаний потребовало столь долгого времени. В самом деле примечательно, что толчком к развитию механики твердых упругих тел послужили опыты и концепции, связанные с динамикой невесомого и неосязаемого эфира.

Выше (стр. 91) мы объяснили, в чем состоит природа поляризации. Два луча, исходящие из двоякопреломляющего кристалла исландского шпата, ведут себя при прохождении через второй такой кристалл не как лучи обыкновенного света; именно, вместо пары одинаково интенсивных лучей они дают два луча неравной интенсивности, один из которых при определенных условиях может даже полностью исчезать.

В обычном, «естественном» свете различные направления в плоскости волны, т. е. в плоскости, перпендикулярной направлению луча, равноправны, или эквивалентны (фиг. 62). В луче же поляризованного света, например в одном из лучей, получающихся при двойном преломлении в кристалле исландского шпата, это уже не так. Малюс обнаружил (1808 г.), что поляризация — это особенность, присущая не только лучам света, претерпевшего двойное преломление в кристалле; это свойство можно получить и при простом отражении. Он смотрел сквозь пластинку из кристалла исландского шпата на отражающееся в окне заходящее солнце. Поворачивая свой кристалл, он заметил, что интенсивность двух изображений солнца меняется. Этого не происходит, если смотреть сквозь такой кристалл непосредственно на солнце. Брюстер (1815 г.) показал, что свет, отраженный от стеклянной пластинки под определенным углом, отражается от второй такой пластинки в различной мере, если последнюю поворачивать вокруг падающего луча (фиг. 63). Плоскость, перпендикулярная поверхности зеркала, в которой лежат падающие и отраженные лучи, называется плоскостью падения.

Фиг. 62. В луче естественного света ни одно направление, перпендикулярное плоскости распространения, не предпочтительнее другого.

Говоря, что отраженный луч поляризован в плоскости падения, имеют в виду не более чем тот факт, что такой луч ведет себя различным образом по отношению ко второму зеркалу в зависимости от того, в каком положении относительно друг друга находятся первая плоскость падения и вторая. Такие свойства корпускулярная теория не может объяснить, так как частицы света, падающие на стеклянную пластинку, должны либо проникать в пластинку, либо отражаться.

Два луча, исходящие из кристалла исландского шпата, поляризованы в перпендикулярных друг другу направлениях. Если направить их под соответствующим углом на зеркало, то один из них не будет отражаться совсем, тогда как другой будет отражаться полностью.

Френель и Араго выполнили решающий эксперимент (1816 г.), сделав попытку получить интерференционную картину от двух таких лучей, поляризованных перпендикулярно друг другу. Их попытка оказалась безуспешной. Отсюда Френель и Юнг (1817 г.) сделали окончательный вывод, что световые колебания должны быть поперечными.

Фиг. 63. К опыту по поляризации. Если поворачивать первую или вторую пластинку вокруг падающего луча как оси, интенсивность отраженного луча меняется.

По сути дела это заключение сразу делает понятным необычное поведение поляризованного света. Колебания частиц эфира осуществляются не в направлении распространения волны, а в плоскости, перпендикулярной этому направлению, — в плоскости волны (фиг. 62). Но всякое движение точки в плоскости можно рассматривать как состоящее из двух движений в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Рассматривая кинематику точки (см. гл. II, § 3), мы видели, что ее движение определяется единственным образом заданием ее прямоугольных координат, изменяющихся в зависимости от времени. Далее очевидно, что двоякопреломляющий кристалл обладает способностью пропускать световые колебания с двумя различными скоростями в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Отсюда, согласно принципу Гюйгенса, вытекает, что когда такие колебания проникают в кристалл, они испытывают различные отклонения или преломляются различным образом, т. е. разделяются в пространстве. Каждый выходящий из кристалла луч состоит, таким образом, лишь из колебаний в определенной плоскости, проходящей через направление луча, причем плоскости,

соответствующие каждому из двух выходящих лучей, взаимно перпендикулярны (фиг. 64). Два таких колебания, очевидно, не могут воздействовать друг на друга — они не могут интерферировать. Теперь, если поляризованный луч вновь попадает во второй кристалл, он пропускается без ослабления только в том случае, когда направление его колебаний имеет правильную ориентацию относительно кристалла — такую, в которой это колебание может распространяться без помех.

Фиг. 64. Два луча, полученные в результате двойного преломления, поляризованы перпендикулярно друг другу.

Фиг. 65. Отражение луча, падающего на поверхность под углом Брюстера. При определенном угле падения а отраженный луч оказывается поляризованным. Он несет колебания, происходящие лишь в одном направлении.

Во всех других положениях луч расщепляется на два, и интенсивность двух результирующих лучей изменяется в зависимости от ориентации второго кристалла.

Аналогичные условия имеют иместо и при отражении. Если отражение происходит под соответствующим углом, то из двух колебаний, одно из которых параллельно, а другое перпендикулярно к плоскости падения, отраженным оказывается лишь одно; другое проникает в зеркало, поглощаясь в случае металлического зеркала или проходя насквозь в случае стеклянной пластинки (фиг. 65). Какое из двух колебаний — перпендикулярное

или параллельное плоскости падения — оказывается отраженным, конечно, невозможно установить. (На фиг. 65 предполагается, что осуществляется второй вариант.) Однако этот вопрос об ориентации колебаний относительно плоскости падения или о направлении поляризации, как мы сейчас увидим, дал начало ряду глубоких исследований, теорий и дискуссий.