Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 10 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

10.1. Развитие представлений о природе света

Вся история развития взглядов на природу света свидетельствует об исключительном значении для науки положения материалистической диалектики о единстве противоположностей.

В течение многих веков шла борьба между корпускулярными, атомістичними и волновыми представлениями о свете. И только в современной физике убедительно доказано корпускулярно-волновую природу света.

Вопрос о природе света возникло давно. Например, греческий мыслитель Пифагор (ок. 580 до н. э.) считал, что зрительные ощущения возникают в результате «горячих испарений», которые выходят из глаза к предметам. Греческий математик Евклид (ок. 450 - 380 до н. э.) развил теорию «зрительных лучей», последователем которой был Птолемей (II в. н. э.). Согласно взглядам Евклид из глаза выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения.

Противоположный взгляд на природу зрительных ощущений развили Демокрит (ок. 460 - 370 до н. э.), Эмпедокл (ок. 490 - 430 до н. э.) и Эпикур (341-270 до н. э.). Демокрит считал, что зрение обусловлен падением на поверхность глаза атомов, которые излучаются телами. Особенно резко выступал против теории «зрительных лучей» греческий философ Аристотель (384-322 до н. э.). Он писал, что свет излучается источниками и передается прозрачным средой, которое является посредником в передаче движения, который и вызывает зрительные ощущения. Вследствие этого Аристотель основал учение о светоносное среда - эфир. Он сделал первую наивную попытку объяснить цвета. Разные цвета он объяснял смешением света и темноты.

Применение к изучению света математики дало возможность сделать ряд правильных выводов. Евклид основал учение о прямолинейном распространении света, открыл законы отражения и преломления света. Герон Александрийский (i в. н. э.) установил принцип, согласно которому свет проходит между предметом и глазом кратчайшим путем. Птолемей изучал преломления света. Евклид и Птолемей занимались теорией вгнутих зеркал. Архимеду даже приписывали сожжения неприятельского флота вгнутими зеркалами, которыми он словно бы концентрировал солнечные лучи на вражеских кораблях.

Хотя взгляды древних мыслителей основываются не на опытах, а на простейших наблюдениях явлений природы, их можно считать лишь догадками, иногда гениальными, однако они имели довольно большое влияние на ученых более поздних времен.

В средневековье, в период господства схоластики, инквизиции, в период распространения лженаук заметных исследований по оптике не было. Исследования касались прежде всего изучение хода лучей в зеркалах и линзах, а также анатомии и физиологии глаза (Г. Бекон, бл. 1214 - 1294). Были изобретены также очки (ок. 1285). Это изобретение приписывается итальянцу С. Армати.

Эпоха Возрождения была для Западной Европы переходным этапом в развитии от феодального к капиталистическому способу производства. Этот период характеризуется общим подъемом экономики, культуры, техники, искусства и борьбой прогрессивных мировоззрений с схоластикой средневековья. В сфере науки постепенно побеждает экспериментальный метод изучения природы. В оптике за этот период было достигнуто больших успехов. Прежде всего следует назвать изобретение оптических инструментов. Г. Галилей усовершенствовал зрительную трубу и применил ее в астрономии. Виднейшим достижением этого периода было открытие дифракции света итальянским ученым Ф. Гримальди (1618-1663).

Вторая половина XVII ст. характеризуется дальнейшей победой экспериментальных методов изучения природы. Возникновение капиталистического способа производства обусловило прогресс техники. Значительное развитие получила математика. Все это способствовало и прогресса в области физики, в частности механики и оптики. Выдающиеся открытия этого периода принадлежат И. Ньютону. В 1666 г. он открыл явление дисперсии света. Основываясь на опытах, связанных с дисперсией света, И. Ньютон разработал теорию цветов, которая стала важным достижением учения о свете. Согласно теории цветов И. Ньютона каждое тело отражает только лучи того цвета, в который оно окрашено, тогда как другие оно поглощает.

И. Ньютону принадлежат также работы с дифракции и интерференции света. Он совершил интерференционный опыт, известный под названием колец Ньютона, рассмотрел вопрос о природе света, в частности, развил корпускулярную теорию света, которая названа теорией истечения. Согласно положению ньютоновской теории истечения, свет - это поток особых мельчайших частиц, испускаемые телами, которые светятся. Размеры частиц для разных цветов разные: они больше для красных лучей, меньше для фиолетовых. Между этими предельными случаями размещаются соответствующие частицы промежуточных размеров.

Теория истечения помимо цветов хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Однако в теории истечения при объяснении явлений отражения и преломления, интерференции и дифракции возникли значительные трудности. Для согласования теории истечения с этими фактами И. Ньютону пришлось дополнять ее различными дополнительными гипотезами, которые были недостаточно обоснованы.

Несмотря на то что волновая теория света, развитая современником И. Ньютона голландцем X. Гюйгенсом (1629-1695), объясняла эти факты, И. Ньютон открыто заявил о своей приверженности к корпускулярной теории. Благодаря огромному научному авторитету И. Волновая теория Ньютона света была надолго отброшена и, следовательно, не развивалась. Волновую теорию света кроме X. Гюйгенса развивал английский физик Г. Гук (1635-1703). Эти ученые понимали под светом упругие волны, которые распространяются в особой светоносной среде - эфире. Колебания эфира вызываемых движением частиц, из которых состоят тела, светящиеся. Г. Гук считал световые волны поперечными, что потом было подтверждено. Однако Р. Гук не привел каких-либо фактов и доказательств этого положения. Наоборот, X. Гюйгенс считал световые волны продольными (подобно звуковых). X. Гюйгенсу удалось достаточно хорошо объяснить преломления, отражения, двойное преломление лучей. Однако он не смог объяснить теорию цветов, прямолинейное распространение света и явление поляризации света.

Все эти недостатки волновой теории света Гюйгенса привели к тому, что она не смогла противостоять теории истечения Ньютона, которая и царила около ста лет после смерти И. Ньютона.

Против Теории истечения выступил Л. Эйлер. Последовательным сторонником волновой теории света был М. В. Ломоносов. Он считал, что свет - это колебательное движение эфира. Однако и этим выдающимся ученым не удалось расшатать теорию истечения.

Волновая теория света заменила корпускулярное лишь в XIX в. благодаря трудам английского физика Т. Юнга (1773-1829). Он разработал основные положения о интерференцию световых волн. Однако он считал световые волны продольными. Развитие волновой теории света связан с именем французского физика 0. Френеля (1788 - 1827). Он возродил принцип Гюйгенса и соединил его с принципом интерференции Юнга. Это дало ему возможность создать строгую математическую теорию дифракции света и объяснить с точки зрения волновой теории прямолинейное распространение света. О. Френель объяснил явление поляризации света. С этой целью О. Френель и его сторонник Д. Араго (1786-1853) провели исследования по интерференции поляризованных лучей и пришли к выводу, что световые колебания могут быть только поперечными, а не продольными.

Несмотря на большие успехи волновой теории, разработанной А. Френелем, большинство физиков того времени считали представление о поперечність световых волн совсем невероятным, поскольку в этом случае эфира надо было бы приписать свойства упругого твердого тела. Возникло вопрос о том, как тогда в эфире свободно может перемещаться Земля, Солнце и другие планеты, космические тела. Вследствие этого волновая теория света сначала имела меньше сторонников, чем теория истечения.

Кроме того, явления, обнаруженные в этот период, нельзя было объяснить с точки зрения волновой теории света, в частности явления флюоресценции, фосфоресценції, фотохимии. Волновая теория также не могла объяснить возникновение лінійчастих спектров, тепловое излучение. Вследствие этого в волновой теории уже тогда выявились противоречия, которые были развязаны позднее на основе квантовой теории света.

Однако волновая теория, несмотря на эти трудности, продолжала с успехом развиваться. Открытие поперечности световых волн привело к тому, что О. Френель, сделав немало необычных предположений, создал упругую теорию света, которая позволила объяснить достаточно большой круг оптических явлений. После О. Френеля много известных физиков пытались найти другое решение этой проблемы, пользуясь методами теории упругости. В 1865 г. английский физик Дж. Максвелл разработал электромагнитную теорию света. Вследствие этого уменьшился интерес к механическим теорий света, поскольку теперь любая механическая теория, претендовавшая на объяснение оптических явлений, имела объяснить и электрические явления. Эта задача была непосильной для механической теории света, вследствие чего с развитием электромагнитной теории она была отвергнута подавляющим большинством физиков.

Значительный интерес представляло распространение света в движущихся телах, в частности изучение взаимодействия движущихся тел и эфира. Стоят особого внимания результаты исследования А. Майкельсоном движения Земли относительно эфира, которые стали экспериментальной основой для создания 1905 г. А. Эйнштейном специальной теории относительности. Конец XIX - начало XX в. характеризуются открытием физических явлений, которые привели к революции в физике благодаря принципиально новым взглядам на природу излучения света. Немецкий физик М. Планк 1900 г. выдвинул гипотезу о квантовой природе излучения. В 1905 г. А. Эйнштейн разработал квантовую теорию фотоэффекта. С позиций квантовой механики и квантовой электродинамики удалось объяснить многочисленные спектральные закономерности и особенности процессов излучения.