Хвильова теорія світла
Згадаймо, чому ми припинили опис оптичних явищ. Нашою метою було ввести іншу теорію світла, відмінну від корпускулярної, але також намагається пояснити ту ж область фактів. Щоб зробити це, ми повинні були перервати нашу розповідь і ввести поняття хвиль. Тепер ми можемо повернутися до нашого предмету. Першим, хто висунув абсолютно нову теорію світла, був сучасник Ньютона - Гюйгенс. У своєму трактаті про світло він писав:
«Якщо, крім того, світло вживає для свого проходження деякий час - що ми зараз перевіримо, - то з цього випливає, що цей рух, повідомлене навколишнього матерії, слід одне за іншим в часі; тому воно, подібно звуку, поширюється сферичними поверхнями і хвилями; я називаю їх хвилями по тому подібністю, яке вони мають з хвилями, що утворюються на воді, коли в неї кинуто камінь, і що представляють собою послідовно розширюються кола, хоча вони і виникають від іншої причини і знаходяться лише на плоскій поверхні ».
За Гюйгенсу, світло - це хвиля, передача енергії, а не субстанції. Ми бачили, що корпускулярна теорія пояснює багато спостережені факти. Чи в змозі це зробити і хвильова теорія? Ми повинні знову поставити ті питання, на які вже дали відповідь за допомогою нової теорії, щоб побачити, чи може хвильова теорія відповісти на них з таким же успіхом. Зробимо це тут у формі діалогу між Н і Г, де Н - співрозмовник, переконаний в справедливості нової теорії Ньютона, а Г - співрозмовник, переконаний в справедливості теорії Гюйгенса. Ні того, ні іншому не дозволено застосовувати аргументи, отримані після того, як робота обох великих майстрів була закінчена.
Н: У нової теорії швидкість світла має цілком певний сенс. Це швидкість, з якою корпускули рухаються в порожньому просторі. Що вона означає в хвильової теорії?
Г: Звичайно, вона означає швидкість світлової хвилі. Всякому відомо, що хвиля поширюється з деякою певною швидкістю, і той же повинно бути з хвилями світла.
Н: Це не так просто, як здається. Звукові хвилі поширюються в повітрі, морські хвилі - у воді. Кожна хвиля повинна мати матеріальну середу, в якій вона поширюється. Але світло проходить через вакуум, в той час як звук не проходить. Припустити хвилю в порожньому просторі фактично означає зовсім не припускати ніякої хвилі.
Г: Так, це труднощі, хоча і не нова для мене. Мій учитель вивчав її дуже уважно і вирішив, що єдиний вихід - припустити існування гіпотетичної субстанції, ефіру. передавальної середовища, що заповнює весь Всесвіт. Всесвіт, так би мовити, занурена в ефір. Якщо у нас є сміливість ввести це поняття, то все стає зрозумілим.
Н: Але я заперечую проти такого припущення. По-перше, воно вводить нову гіпотетичну субстанцію, а ми вже маємо занадто багато субстанцій у фізиці. Є також і інший аргумент проти нього. Ви не сумніваєтеся в тому, що ми повинні все пояснювати, залишаючись в межах механіки. А як щодо ефіру? Чи в змозі ви відповісти на просте запитання про те, як ефір побудований зі своїх елементарних частинок і як він виявляється в інших явищах?
Г: Ваше перше заперечення, звичайно, справедливо. Але, вводячи якийсь штучний невагомий ефір, ми відразу звільняємося від набагато більш штучних світлових корпускул. Ми маємо тільки одну «таємничу» субстанцію замість нескінченного числа їх, відповідного величезній кількості кольорів у спектрі. Чи не здається вам, що це і є справжній прогрес? По крайней мере, всі труднощі сконцентровані в одному пункті. Ми не потребуємо більше в штучному припущенні, що частинки, що відносяться до різних квітів, рухаються з однієї і тієї ж швидкістю в порожньому просторі.
Ваше друге заперечення теж справедливо. Ми не можемо дати механічного пояснення ефіру. Але немає жодного сумніву в тому, що подальше вивчення оптичних і, може бути, інших явищ виявить його структуру. В даний час ми повинні очікувати нових експериментів і висновків, але я сподіваюся, що врешті-решт ми зможемо вирішити проблему про механічну структурі ефіру.
Н: Залишимо на час це питання, так як він не може бути дозволений тепер. Мені хотілося б бачити, як ваша теорія, навіть якщо ми відкинемо труднощі, пояснює ті явища, які так ясні і зрозумілі в нової теорії. Візьмемо, наприклад, той факт, що світлові промені проходять в вакуумі або в повітрі уздовж прямих. Шматок паперу, поміщений перед свічкою, створює чітку і різко окреслену тінь на стіні. Різкі тіні були б неможливі, якби хвильова теорія була правильна, бо хвилі обминали б краю паперу і тим самим розмазували б тінь. Маленьке судно не є перешкодою для морських хвиль, як ви знаєте; вони просто оминають його, чи не відкидаючи тіні.
Г: Це непереконливий аргумент. Візьміть короткі хвилі на річці, вдаряють об борт великого корабля. Хвилі, що виникають на одній стороні корабля, що не буде видно на інший. Якщо хвилі досить малі, а корабель досить великий, з'являється дуже чітка тінь. Дуже можливо, що світло здається нам проходять по прямих лініях лише тому, що його довжина хвилі дуже мала в порівнянні з розмірами звичайних перешкод і отворів, що вживаються в експериментах. Можливо, що, якби ми могли створити досить малі перешкоди, ніякої тіні не було б. Ми можемо зустрітися з великими експериментальними труднощами в конструюванні приладів, які могли б показати, чи в змозі світло огинати перешкоди. Проте, якби такий експеримент можна було здійснити, він був би вирішальним в боротьбі між хвильової та корпускулярної теоріями світла.
Н: Хвильова теорія може привести до нових фактів у майбутньому, але я не знаю будь-яких даних, переконливо її підтверджують. Поки з упевненістю не доведене експериментально, що світло може об'їжджати перешкоди, я не бачу будь-якої підстави відмовлятися від нової теорії, яка здається мені простіше і тому краще, ніж хвильова.
На цьому ми можемо перервати діалог, хоча предмет його жодним чином не вичерпаний.
Залишається ще показати, як хвильова теорія пояснює заломлення світла і різноманіття квітів. Як ми знаємо, корпускулярна теорія в змозі дати таке пояснення. Ми почнемо з заломлення, але спочатку буде корисно розглянути приклад, який не має нічого спільного з оптикою.
Нехай за великим відкритого простору прогулюються двоє людей, які тримають між собою твердий прут. Спочатку вони йдуть прямо вперед, обидва з однаковою швидкістю. Поки їх швидкості однакові, великі вони чи малі - байдуже, прут буде здійснювати паралельне переміщення, т. Е. Він не буде повертатися або змінювати свій напрям. Всі послідовні положення прута паралельні один одному. Але уявімо собі тепер, що протягом дуже короткого часу, може бути рівного часток секунди, руху обох людей стали неоднаковими. Що станеться? Ясно, що протягом цього часу прут буде повертатися, так що він не буде більше переміщатися паралельно свого початкового стану. Коли знову відновиться рух з рівними швидкостями, воно буде мати напрямок, відмінне від початкового (рис. 43.) Зміна напрямку відбувається протягом того проміжку часу, в якому швидкість обох пішоходів була різною.
Цей приклад дозволить нам зрозуміти переломлення хвилі. Площина хвилі, що рухається в ефірі, досягає поверхні скла. На рис. 44 ми бачимо хвилю з порівняно широким фронтом, який переміщається вперед. Фронт хвилі - це площина, в якій в будь-який момент часу всі частини ефіру знаходяться в однаковому стані. Так як швидкість залежить від середовища, через яку в даний момент часу проходить світло, то швидкість в склі буде відрізнятися від швидкості в порожньому просторі. Протягом дуже короткого часу, за яке фронт хвилі входить в скло, різні частини фронту хвилі будуть мати різні швидкості. Ясно, що ті частини, які вже досягли скла, рухатимуться зі швидкістю світла в склі, в той час як інші частини як і раніше рухаються зі швидкістю світла в ефірі. Завдяки цій різниці в швидкостях уздовж фронту хвилі, яка існує протягом часу «занурення» в скло, напрямок самої хвилі буде змінюватися.
Отже, ми бачимо, що не тільки корпускулярна, але і хвильова теорія приводить до пояснення заломлення. Подальший розгляд і деякий застосування математики показують, що пояснення хвильової теорії простіше і краще і що наслідки з неї знаходяться в повній згоді зі спостереженням. Справді, кількісні методи розгляду дозволяють нам вивести швидкість світла в заломлюючої середовищі, якщо ми знаємо, як переломлюється промінь, коли він входить в неї. Прямі вимірювання блискуче підтверджують ці прогнози, а тим самим і хвильову теорію світла.
Залишається ще питання про колір.
Необхідно згадати, що хвиля характеризується двома числами - швидкістю і довжиною хвилі. Дуже істотним є наступне твердження хвильової теорії світла: хвилі різної довжини відповідають різним кольорам. Довжина хвилі однорідного жовтого світла відмінна від довжини хвилі синього або фіолетового. Замість штучного поділу корпускул, що відносяться до різних квітів, ми маємо природне відмінність по довжині хвилі.
Звідси випливає, що експерименти Ньютона по дисперсії світла можуть бути описані двома різними мовами - мовою нової теорії і мовою хвильової теорії. наприклад:
Корпускули, що відносяться до різних квітів, мають однакову швидкість в вакуумі, але різні швидкості в склі.
Білий світ - це сукупність корпускул, що відносяться до різних квітів, в той час як в спектрах вони розділені.
Промені різних довжин хвиль, що відносяться до різних квітів, мають однакову швидкість в ефірі, але різні швидкості в склі.
Білий світ - це сукупність хвиль всіх довжин, в той час як в спектрі вони розділені.
Здається, було б мудрим уникнути двозначності, що походить з факту існування двох різних теорій одних і тих же явищ, вирішивши на користь однієї з них після уважного розгляду переваг і недоліків кожної. Діалог між Н і Г показує, що це нелегке завдання. Рішення з цієї точки зору було б швидше справою смаку, ніж справою наукового переконання. За часів Ньютона і 100 років по тому більшість фізиків воліло корпускулярну теорію.
Історія винесла свій вирок на користь хвильової теорії і проти корпускулярної набагато пізніше, в середині XIX століття. Н в свою розмову з Г заявляв, що в принципі можливо було експериментальне вирішення спору між обома теоріями. Корпускулярна теорія не дозволяє світлу огинати перешкоди і вимагає наявності чітких тіней. Згідно ж хвильової теорії, досить малі перепони не будуть відкидати жодної тіні. У роботах Юнга і Френеля цей результат був отриманий експериментально; там же були зроблені теоретичні висновки.
Ми вже обговорювали надзвичайно простий експеримент, в якому екран з отвором містився перед точковим джерелом світла, а тінь відкидалася на стіну. Надалі ми спростимо експеримент, вважаючи, що джерело випускає однорідний світло. Для отримання найкращих результатів джерело світла повинен бути сильним. Уявімо собі, що отвір в екрані робиться все менше і менше. Якщо в нашому розпорядженні є сильне джерело і нам вдається зробити отвір досить малим, то виявляються нові і дивовижні явища, абсолютно незрозумілі з точки зору нової теорії. Немає більше різкі відмінності між світлом і темрявою. Світло поступово блякне, переходячи в темний фон через серію світлих і темних кілець. Поява кілець дуже характерно для хвильової теорії. Пояснення чергування світлих і темних смуг буде ясно в разі дещо інший експериментальної установки. Припустимо, що ми маємо лист чорного паперу з двома шпильковими дірочками, через які може проходити світло. Якщо дірочки близько прилягають один до одного і дуже малі і якщо однорідний світло достатньо сильний, то на стіні з'явиться безліч світлих і темних смуг, поступово слабшає і переходять в темний фон. Пояснення дуже просте. Темна смуга з'являється там, де западина хвилі від однієї дірочки зустрічається з гребенем хвилі від іншої, так що обидві погашаються. Смуга світла - там, де зустрічаються дві западини або два гребеня від хвиль, що йдуть від обох дірочок, і підсилюють один одного. Складніше пояснення темних і світлих кілець в попередньому прикладі, в якому ми застосовували екран з одним отвором, але принципово воно те ж саме. Це поява темних і світлих смуг при проходженні світла через дві щілини і темних і світлих кілець при проходженні отвори слід мати на увазі, бо пізніше ми повернемося до обговорення обох різних картин. Описані тут експерименти виявляють дифракцию світла - відхилення світла від прямолінійного поширення, коли на шляху світлових хвиль розташовані малі отвори або перешкоди (рис. 45-47).
Мал. 45. Вгорі ми бачимо фотографію світлових плям, після того як два промені пройшли через два маленьких отвори, один за іншим (спочатку була відкрита одна щілина; потім вона закривалася, а інша відкривалася). Внизу ми бачимо смуги, отримані в результаті того, що промінь пройшов через обидва маленьких отвори одночасно (фотографія В. Аркадьєва)
Мал. 46. Дифракція світла в результаті огибания променем дуже малого перешкоди (Фотографія В. Аркадьєва)
Мал. 47. Дифракція світла в результаті проходження променя через дуже малий отвір (Фотографія В. Аркадьєва)
За допомогою математики ми в змозі піти набагато далі. Можна встановити, як велика, вірніше, як мала повинна бути довжина хвилі, щоб створити дифракційну картину. Таким чином, описані експерименти дозволяють нам визначити довжину хвилі однорідного світла. Щоб дати уявлення про те, як малі ці величини, ми вкажемо довжини хвиль крайніх променів видимого сонячного спектра, т. Е. Довжини хвиль червоного і фіолетового променів. Довжина хвилі червоного світла дорівнює 0,00008 см. Довжина хвилі фіолетового світла дорівнює 0,00004 см.
Ми не повинні дивуватися, що ці величини дуже малі. Точно окреслена тінь, т. Е. Явище прямолінійного поширення світла, спостерігається в природі лише тому, що зазвичай зустрічаються отвори і перешкоди надзвичайно великі в порівнянні з довжиною хвилі світла. Свою хвильову природу світло виявляє лише тоді, коли застосовуються дуже малі отвори і перешкоди.
Але історія пошуків теорії світла жодним чином не закінчена. Вирок XIX століття ні останнім і остаточним. Для сучасних фізиків вся проблема вибору між корпускулами і хвилями існує знову, тепер вже в набагато більш глибокої і складної формі. Приймемо поразку нової теорії світла до тих пір, поки ми не виявимо, що характер перемоги хвильової теорії проблематичний.
Поділіться на сторінці