ИСТОРИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Физические принципы, лежащие в основе оптических явлений, обсуждению которых посвящена настоящая книга, были в основном сформулированы до 1900 г.

В начале XX века оптика, как и вся остальная физика, подверглась глубокому революционному переосмысливанию, вызванному открытием кванта энергии. Однако это открытие, коренным образом изменившее наши представления о природе света, не сделало старые теории ненужными, но позволило выявить их ограниченность и установить пределы их применимости. Поэтому обобщение старых принципов и методов и их использование в различных конкретных случаях продолжались и продолжаются столь же интенсивно и в настоящее время.

При попытке систематического изложения знаний, приобретенных в течение нескольких столетий в такой обширной области, как оптика, невозможно придерживаться истории, изобиловавшей ошибочными идеями и отступлениями. Поэтому в этой вводной главе мы считаем целесообразным отметить основные этапы в эволюции представлений о природе света.

Философы древности, размышлявшие о природе света, знали о зажигательных стеклах, о прямолинейном распространении света, о преломлении и отражении. Первые систематические описания оптических явлений, описания, о которых мы имеем некоторое представление, принадлежат греческим философам и математикам (Емпедоклу (490-430 гг. до н. э.), Евклиду (300 г. до н. э.)).

Из основателей новой философии следует отметить Рене Декарта (1596- 1650 гг.), который сформулировал взгляды на природу света на основе метафизических представлений [8]. Декарт считал, что свет — это сжатие, распространяющееся в идеально упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство, а различие цветов он объяснял вращательными движениями частиц этой среды с различными скоростями. Однако только после того, как Галилео Галилей (1564-1642 гг.), развивая механику, продемонстрировал мощь своего экспериментального метода, оптика получила прочную основу. Закон отражения был известен еще грекам; закон же преломления света был экспериментально установлен в 1621 г. Веллебродом Снеллиусом (1591-1626 гг.). В 1657 г. Пьер Ферма (1601 - 1665 гг.) выдвинул свой знаменитый «принцип наименьшего времени» в следующей форме: «Природа всегда следует наикратчайшему пути». В соответствии с этим принципом свет распространяется по пути, требующему наименьшего времени; отсюда, а также

из предположения о различиях в «сопротивлениях» разных сред вытекает закон преломления света. Принцип Ферма имеет огромное философское значение и в свое время породил множество споров, так как его истолкование не свободно от телеологических положений, чуждых естественным наукам. Впервые явление интерференции, а именно возникновение разноцветной окраски тонких пленок (в настоящее время такая картина называется «кольцами Ньютона»), было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627- 1691 гг.) [10] и Робертом Гуком (1635-1703 гг.) 1111. Гук установил также наличие света в области геометрической тени, т. е. «дифракцию» свега, однако это явление было замечено ранее Франциском Мария Гримальдп (1518-1663 гг.) [121. Гук был первым исследователем, который считал, что свет «состоит» из быстрых колебаний, распространяющихся мгновенно или с очень большой скоростью на любые расстояния, и что каждое колебание в однородной среде порождает сферу, радиус которой постоянно растет со временем. С помощью таких представлений Гук пытался объяснить явление преломления и дать интерпретацию цвета. Однако природа цвета была выяснена лишь в 1666 г., когда Исаак Ньютон (1642-1727 гг.) обнаружил [131, что белый цвет с помощью призмы можно разложить на отдельные цветовые компоненты и что для каждого чистого цвета характерна своя степень преломления. Трудности, возникавшие в волновой теории при попытках объяснить прямолинейное распространение света и явление поляризации (открытое Гюйгенсом [14)), казались Ньютону настолько серьезными, что побудили его развить корпускулярную теорию (или теорию истечения), согласно которой свет распространяется от излучающего тела в виде мельчайших частиц.

Ко времени опубликования теории цвета Ньютона еще не бычо известно, распространяется ли свет мгновенно или нег. Конечность скорости света быта обнаружена в 1675 г. Олафом Ремероч (1644-1710 гг.) при наблюдениях за затмениями спутников Юпитера [151.

Волновая теория света, среди первых последователей которой, как мы видели, находился Гук, была существенно улучшена и расширена Христианом Гюйгенсом (1629-16Э5 гг.) [14]. Он выдвинул нринцип, названный позднее его именем, согласно которому каждую точку «эфира», до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать как центр нового возмущения, распространяющегося в виде сферической волны; эти вторичные волны комбинируются таким образом, что их огибающая определяет волновой фронг в любой последующий момент времени. С помощью этого принципа Гюйгенсу удалось вывести законы преломления и отражения света. Он также объяснил двойное лучепреломление в исландском шпате (открытое в 1669 г. Эразмом Вартолинусом (1625-1698 гг.)), предположив, что при прохождении света через кристалл возникает, кроме первичной сферической, вторичная эллипсоидальная волна. В процессе своего исследования Гюйгенс обнаружил чрезвычайно важное явление, а именно явление поляризиции: он показал, что каждый из двух лучей, возникающих после прохождения свега через кристалл исландского шпата, можно погасить, пропуская его через второй такой же кристалл и вращая последний относительно направления луча. Однако объяснить поляризацию удалось только Ньютону; он предположил, что лучи имеют «стороны», и именно признание подобной «поцеречности» света казалось ему непреодолимым возражением против волновой теории, поскольку ученым в то время были известны только продольные волны (из изучения распространения звука).

Отрицание волновой теории таким авторитетом, как Ньютон, привело к полному ее забвению в течение почти столетия. Однако иногда появлялись

ее случайные защитники, например великий математик Леонард Эйлер (1707-1783 гг.) [16].

Только в начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, приведшие к полному признанию волновой теории. Первым шагом в этом направлении послужило объяснение интерференции, выдвинутое в 1801 г. Томасом Юнгом (1773-1829 гг.), а также цветов тонких пленок 117]. Однако, поскольку идеи Юнга были развиты в основном лишь качественно, они не получили общего признания.

Примерно в это же время Этьен Луи Малюс (1775-1812 гг.) (18] обнаружил поляризацию света при отражении. Вероягно, в один из вечеров 1808 г. он наблюдал через кристалл исландского шпата отражение Солнца в оконном стекле и обнаружил, что при вращении кристалла вокруг линии зрения относительные интенсивности двух изображений, возникающих благодаря двойному лучепреломлению, изменяются. Однако Малюс не пытался найти объяснение этого явления, считая, по-видимому, что существовавшие тогда теории не в состоянии дать его.

Тем временем в работах Пьера Симона де Лапласа (1749-1827 гг.) и Жана-Батиста Био (1774-1862 гг.) развивалась далее корпускулярная теория. Ее сторонники предложили считать объяснение явления дифракции достойным премии, учрежденной на 1818 г. Парижской Академией наук, надеясь, что исследования в этой области полностью подтвердят корпускулярную теорию. Однако их надежды не оправдались — несмотря на сильное сопротивление, премия была присуждена Августину Жаку Френелю (1788-1827 гг.), исследование которого [19] основывалось на волновой теории и явилось первым из серии работ, полностью развенчавших в течение нескольких лет корпускулярную теорию. Сущность его исследования состояла в синтезе идеи Гюйгенса о построении волнового фронта как огибающей сферических волн и принципа интерференции Юнга. Этого, как показал Френель, оказалось достаточно для объяснения не только «прямолинейности» распространения света, но и небольших отклонений от «прямолинейности», т. е. явления дифракции. Френель решил задачи о дифракции на крае, небольших отверстиях и экране; наиболее убедительным оказалось экспериментальное подтверждение Араго предсказания, выведенного Пуассоном из теории Френеля и состоявшего в том, что в центре тени от круглого диска должно находиться светлое пятно.

В том же году (1818 г.) Френель занялся весьма важной проблемой влияния движения Земли на распространение света, а именно попытался выяснить, существует ли какое-нибудь различие между светом от звезд и светом от земных источников. Доменик Франсуа Араго (1786-1853 гг.) экспериментально обнаружил, что (помимо аберрации) никакого различия нет. На основании этих наблюдений Френель создал теорию о частичном увлечении светового эфира движущимися телами, теорию, которая была подтверждена в 1851 г. прямыми измерениями Армандом Иполитом Луи Физо (1819-1896 гг.). Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и обнаружил (в 1816 г.), что лучи, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Этот факт нельзя было согласовать с общепринятым тогда предположением о продольности световых волн. Юнг, узнавший об этом открытии от Араго, нашел в 1817 г. разгадку возникшего противоречия, предположив, что световые колебания поперечны.

Френель, сразу же оценив всю важность такого предположения, попытался подтвердить его, исходя из более падежной динамической основы [20], и вывел из него много следствий. Так, поскольку в жидкости могут существовать

только продольные волны, эфир должен вести себя, как твердое тело; однако в то время теория упругих волн в твердых телах еще не была сформулирована. Вместо создания такой теории и вывода из нее следствий для оптики Френель «обернул» задачу и попытался выяснить свойства светоного эфира из наблюдений. Он начал с изучения необычных законов распространения света в кристаллах; выяснение этих законов и сведение их к нескольким простым предположениям о природе элементарных волн является одним из важнейших достижений естественной науки. В 1832 г. Вильям Гамильтон (1805-1865 гг.) 1211, сам внесший большой вклад в развитие оптики, обратил внимание на важное следствие, вытекающее из теории Френеля, а именно на возможность существования конической рефракции, которая была экспериментально обнаружена вскоре после этого Хамфри Ллойдом (1800-1881 гг.) [22].

Френель также первый сделал предположение (1821 г.), развитое позднее Коши, что для выяснения причины дисперсии необходимо учитывать молекулярную структуру вещества [23].

Динамические модели механизма колебаний эфира привели Френеля к законам (носящим теперь его имя), которые дают интенсивность и поляризацию световых лучей после преломления и отражения [24].

Работа Френеля столь надежно обосновала волновую теорию, что казалось совершенно излишним проведение контрольного эксперимента, впервые предложенного Араго, который был осуществлен в 1850 г. Фуко [25] и Физо и Бреже [26].

Корпускулярная теория объясняет преломление как притяжение световых частиц на границе двух сред оптически более плотной средой, откуда вытекает, что скорость света в более плотной среде больше; волновая же теория, согласно Гюйгенсу, дает меныпую скорость света в оптически более плотной среде. Непосредственное измерение скорости света в воздухе и воде полностью подтвердило вывод волновой теории.

В последующие десятилетия была развита теория упругого эфира. Первым шагом в этом направлении явилось создание теории упругости для твердых тел. Она была сформулирована Клодом Луи Мария Анри Навье (1785-1836 гг.) [27], предположившим, что вещество состоит из бесчисленного количества частиц (точечных масс, атомов), взаимодействующих друг с другом вдоль линий, соединяющих пары частиц. Августину Луи Коши (1789-1857 гг.) [28] принадлежит привычный теперь вывод уравнений упругости для сплошной среды. Из других ученых, принимавших участие в развитии теории оптики, следует упомянуть Симона Дени Пуассона (1781-1840 гг,) [29], Джорджа Грина (1793-1841 гг.) [30], Джеймса Маккалаха (1809-1847 гг.) [31] и Франца Неймана (1798-1895 гг.) [32]. В настоящее время нет смысла подробно обсуждать ни сами теории, ни те трудности, с которыми они сталкивались, поскольку все эти трудности вытекали из требования (от него уже давно отказались), чтобы оптические явления можно было описывать в рамках механики. Достаточно упомянуть следующее. Рассмотрим две соприкасающиеся упругие среды и предположим, что в первой среде в направлении границы раздела распространяется поперечная волна. Согласно законам механики эта волна расщепится во второй среде на две: продольную и поперечную. Однако из экспериментов Араго и Френеля следует, что продольной упругой волны не должно быть. Разрешить это противоречие невозможно, не нарушая законов механики, содержащихся в граничных условиях для напряжений и натяжений. Различные теории, предложенные упомянутыми выше авторами, отличались друг от друга предполагаемыми граничными условиями, которые всегда оказывались несовместимыми с законами механики.

Если считать эфир упругой твердой субстанцией, то как тогда ответить на следующий вопрос: каким образом движутся через такую среду планеты с огромными скоростями, не испытывая при этом никакого сопротивления? Джордж Габриэль Стокс (1819-1903 гг.) считал, что эту трудность можно обойти, если предположить, что скорости планет малы по сравнению со скоростями колебаний частиц эфира, образующих свет; например, известно, что такие твердые тела, как смола или сургуч, могут колебаться с большой частотой, но легко деформируются, если велик период колебания воздействующей силы. Подобные возражения кажутся нам теперь искусственными, поскольку мы не считаем необходимым, чтобы все явления природы можно было истолковать в рамках механических представлений.

Первый шаг на пути отхода от теории упругого эфира был сделан Маккалахом [33], постулировавшим существование среды со свойствами, которыми обычные тела не обладают. Последние накапливают энергию при деформации элементов объема, при вращении же накопления энергии не происходит. В эфире Маккалаха имеет место обратная ситуация. Законы распространений волн в такой среде весьма сходны с законами, вытекающими из уравнения Максвелла (для электромагнитных волн), которые являются основой современной оптики.

Несмотря на множество трудностей, теория упругого эфира доминировала в течение длительного времени, и многие выдающиеся физики XIX века внесли свой вклад в ее развитие. Кроме уже отмеченных ученых, необходимо упомянуть Вильяма Томсона (лорд Кельвин, 1824-1908 гг.) [34], Карла Неймана (1832-1925 гг.) [35], Джона Вильяма Стрэтта (лорд Рэлей, 1842-1919 гг.) [36] и Густава Кирхгофа (1824-1887 гг.) [37]. За это время были решены многие оптические проблемы, однако объяснение осиов оптики оставалось неудовлетворительным.

В это же время практически независимо от оптических работ проводились исследования по электричеству и магнетизму, увенчавшиеся открытиями Майкла Фарадея (1791-1867 гг.) [38]. Джеймсу Кларку Максвеллу (1831—1879 гг.) [39] удалось подытожить все имевшиеся знания в этой области, сформулировав систему уравнений; наиболее важным их следствием оказалась возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью, величину которой можно вычислить из результатов чисто электрических измерений. Когда Рудольф Кольрауш (1809-1858 гг.) и Вильгельм Вебер (1804—1891) [40] выполнили эти измерения, скорость электромагнитных волн совпала со скоростью света. Отсюда Максвелл заключил, что свет представляет собой электромагнитные волны; его заключение было экспериментельно подтверждено в 1888 г. Генрихом Герцем (1857—1894) [41]. Несмотря на это, электромагнитная теория Максвелла выдержала длительную борьбу, прежде чем получила всеобщее признание. По-видимому, одно из характерных свойств мышления человека состоит в том, что оно крайне неохотно отказывается от привычных представлений, особенно если приходится жертвовать ради этого конкретной картиной явления. В течение длительного времени сам Максвелл и его последователи пытались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только потом, когда идеи Максвелла стали более привычными, ученые постепенно оставили попытки «объяснения» его уравнений на основе механики; в настоящее время не возникает трудностей при представлении электромагнитного поля Максвелла в виде некой субстанции, не сводящейся ни к чему более простому.

Но даже электромагнитная теория света достигла со временем границ, за которыми она становится неприменимой. Она способна объяснить в общих чертах все явления, связанные с распространением света. Однако она не смогла описать процессы излучения и поглощения, которые определяются более тонкими особенностями взаимодействия вещества с оптическим полем.

Законы, управляющие этими процессами, являются предметом исследования современной оптики, даже более того, — современной физики. Их история начинается с открытия некоторых закономерностей в спектрах. Первым было открытие (в 1814-1817 гг.) темных линий в солнечном спектре Джозефом Фраунгофером (1787-1826 гг.) [42], названных его именем, и их интерпретация как линий поглощения, данная и 1861 г. на основе экспериментов Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811-1899 гг.) и Густавом Кирхгофом (1824-1887 гг.) [44]. Солнечный свет, обладающий непрерывным спектром, проходя через более холодные газы солнечной атмосферы, поглощается в атмосфере именно на тех длинах волн, которые излучают сами газы. Это открытие положило начало развитию спектрального анализа, в основе которого лежит утверждение, что все газообразные химические элементы обладают характерным линейчатым спектром. Изучение этих спектров было и остается главной задачей физических исследований; поскольку в таких экспериментах свет является предметом исследования и используются оптические методы, спектральный анализ рассматривается иногда как часть оптики. Однако вопрос об излучении и поглощении света атомами относится не к одной только оптике, так как в него входит и механика самого атома; спектральные закономерности раскрывают не столько природу света, сколько структуру излучающих частиц. Таким образом, спектроскопия из части оптики постепенно превратилась в самостоятельную дисциплину, дающую экспериментальное обоснование атомной и молекулярной физике. Эти вопросы, однако, выходят за рамки настоящей книги.

Что касается методов, то со временем стало ясно, что классическая механика не в состоянии дать правильное описание явлений, происходящих внутри атомов, и ее следует заменить квантовой теорией, история которой началась в 1900 г. с работы Макса Планка (1858-1947 гг.) [45]. Применив эту теорию к атому, Нильсу Бору (род. в 1885 г.) [46] удалось в 1913 г. объяснить простые закономерности в линейчатых спектрах газов. На основе этих первых работ и все возрастающего количества экспериментальных данных развилась современная квантовая механика (Гейзенберг, Борн, Иордан, де Бройль, Шредингер, Дирак) [47—52]. С ее помощью удалось существенно увеличить наши познания о структуре атомов и молекул.

Квантовая теория оказала сильное влияние на наши представления о природе света. Даже в своей первоначальной форме (в теории Планка) квантовая теория содержала предположение, полностью противоречащее классической физике, а именно предположение, что колебательная электрическая система передает свою энергию электромагнитному полю не непрерывно, а лишь конечными порциями, или «квантами» величины которых пропорциональны частоте света а — постоянная Планка. Можно утверждать, что наличие постоянной отличает современную физику от старой.

Прошло довольно много времени, прежде чем физики полностью осознали парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка Заслуга в этом принадлежит в основном Эйнштейну и Бору. В 1905 г. Эйнштейн (1879-1955 гг.) на основании теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света 153], предположив, что планковские кванты энергии существуют в виде реальных частиц света, названных им световыми квантами, или фотонами. Таким образом, ему удалось объяснить некоторые явления, открытые ранее в связи с превращением энергии света в энергию

частиц и необъяснимые с помощью волновой теории. Главными среди них являются так называемый фотоэлектрический эффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода не происходит передачи отдельной частице энергии, пропорциональной интенсивности света, как этого требует волновая теория, а свет скорее напоминает мелкий град. Энергия, сообщенная вторичным частицам, не зависит от интенсивности света, а определяется лишь его частотой (в соответствии с законом ). Из года в год росло число наблюдений, подтверждавших это свойство света, в результате чего сложилась ситуация. когда пришлось признать справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света, причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая — фотоэлектрическим эффектом. Только в самое последнее время развитие квантовой механики позволило частично объяснить такое парадоксальное положение, причем для этого пришлось отказаться от основного принципа старой физики, а именно, от принципа детерминированной причинности.

Развитие теории взаимодействия поля с веществом потребовало расширения методов квантовой механики (квантование полей). Для электромагнитного поля квантование было впервые проведено Дираком [54] и его работы составляют основу квантовой оптики. Обсуждение этих вопросов выходит, однако, за рамки настоящей книги.

Оптика движущихся тел является другой областью оптики, не затронутой в настоящей книге. Как и квантовая теория, она превратилась в широкий независимый раздел знания. Первым наблюденным явлением в этой области, отмеченным в 1728 г. Джеймсом Брэдли (1692-1762 гг.) [55], было явление аберрации «неподвижных звезд», т. е. обнаружение небольшого различия их угловых положений, связанного с движением Земли относительно направления светового луча. Брэдли правильно понял это явление, связав его с конечностью скорости распространения света, в результате чего ему удалось определить последнюю. Мы уже упоминали и другие явления, относящиеся к оптике движущихся сред: Френель первый заинтересовался увлечением света движущимися телами и показал, что световой эфир участвует в движении со скоростью, которая меньше скорости движущихся тел; затем Физо экспериментально продемонстрировал такое частичное увлечение света в опытах с текущей водой. Христиан Допплер (1803-1853 гг.) [56] исследовал эффекты, связанные с движением источника свста или наблюдателя, и сформулировал хорошо известный принцип, названный его именем. До тех пор, пока теория упругого светового эфира считалась верной, а область исследований и точность измерений были достаточно ограниченными, идея Френеля о частичном увлечении света была способна объяснить все наблюдаемые явления. Электромагнитная же теории света встретилась здесь с трудностями фундаментального характера. Герц первый попытался обобщить уравнения Максвелла на случай движущихся тел. Однако его формулы противоречили некоторым электромагнитным и оптическим измерениям. Огромную роль сыграла теория Гендрика Антона Лоренца (1853-1928 гг.), который предположил, что «эфир в состоянии абсолютного покоя» является носителем электромагнитного поля, и вывел свойства материальных тел из взаимодействия элементарных электрических частиц — электронов. Ему удалось показать, что френелевские коэффициенты увлечения свега можно получить из его теории и все известные в то время (1895 г.) явления можно объяснить на основании его гипотезы [57]. Однако в результате колоссального увеличения точности измерения оптических путей, достигнутого с помощью интерферометра Альберта Абрагама Майкельсона (1852-1931 гг.), возникла новая трудность: оказалось невозможным обнаружить «эфирный ветер», наличие которого следовало из теории «неподвижного эфира» [58, 591. Эта трудность была преодолена в 1905 г, Альбертом Эйнштейном [60] в его специальной теории относительности.

Эта теория основана на критике старых представлений о времени и пространстве и приводит к отказу от евклидовой геометрии и обычного понятия одновременности. Ее дальнейшее развитие, так называемая общая теория относительности [611, характеризуется совершенно новым подходом к гравитационным явлениям - «геометризацией» пространственно-временного континуума.

Применение этой теории требует использования специальных математических и физических методов, которые (хотя они и связаны во многих случаях с оптикой) лучше рассматривать отдельно. Число же оптических явлений, в которых движение тел (т. е. источников света) играет существенную роль, весьма незначительно.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)