Фейнмановские лекции по физике. 3. Излучение. Волны. Кванты

§ 1. Свет

§ 2. Отражение и преломление

§ 3. Принцип наименьшего времени Ферма

§ 4. Применения принципа Ферма

§ 5. Более точная формулировка принципа Ферма

§ 6, Квантовый механизм

§ 1. Свет

Эта глава — первая из посвященных элек­тромагнитному излучению. Свет, с помощью которого мы видим, составляет только неболь­шую часть широкого спектра явлений одной природы, причем разные части спектра характе­ризуются разными значениями

определенной физической величины. Эту величину называют «длиной волны». По мере того, как она пробегает значения в пределах спектра видимого света, цвет световых лучей меняется от красного до фиолетового. Систематическое изучение спектра от длинных волн к коротким лучше всего начать с так называемых радиоволн. В технике радио­волны получают в широком диапазоне длин волн и даже более длинные, чем те, которые исполь­зуются в обычном радиовещании. В радиове­щании применяются волны длиной около 500 м, за ними идут так называемые короткие волны, далее радиолокационный диапазон, миллиметровый диапазон и т. д. На самом деле между разными диапазонами нет никаких границ, природа их не создала. Числа, кото­рые соответствуют разным диапазонам, и, конечно, сами названия диапазонов весьма условны.

Далее, пройдя долгий путь через милли­метровый диапазон, мы придем к инфракрасным волнам, а оттуда к спектру видимого света. Спустившись за его границы, мы попадем в ультрафиолетовую область. За ультрафиоле­товой областью начинаются рентгеновские лучи, но границу между ними точно определить мы не можем, она где-то около 10– 8 м, или 10– 2 мкм. Это область мягких рентгеновских лучей, за нею идет обычное рентгеновское излучение, затем жесткое излучение, потом g-излучение и так ко все меньшим значениям величины, которую мы назвали дли­ной волны.

В пределах обширного диапазона длин волн имеется не ме­нее трех областей, где возможны весьма интересные приближе­ния. Существует, например, область, где длина волны мала по сравнению с размерами приборов, с помощью которых изучают такие волны; более того, энергия фотонов, если говорить на языке квантовой механики, меньше порога чувствительности приборов. В этой области первое грубое приближение дает ме­тод, называемый геометрической оптикой. С другой стороны, когда длина волны становится порядка размеров прибора (та­кие условия проще создать для радиоволн, чем для видимого света), а энергия фотонов по-прежнему ничтожна, применяется другое очень полезное приближение, в котором учтены волновые свойства света, но снова пренебрегается эффектами квантовой механики. Это приближение основано на классической теории электромагнитного излучения; оно будет обсуждаться в одной из последующих глав. Наконец, для еще более коротких длин волн, когда энергия фотонов велика по сравнению с чувстви­тельностью приборов и от волнового характера излучения мож­но отвлечься, снова возникает простая картина. Такую фотон­ную картину мы рассмотрим только в общих чертах. Полную теорию, описывающую все на основе единой модели, вы узнаете гораздо позже.

В этой главе мы ограничимся той областью, для которой эф­фективна геометрическая оптика и, как будет видно в дальней­шем, длина волны и фотонный характер света роли не играют. Мы даже не зададим вопроса, а что такое свет, и только опишем его поведение в масштабе длин и времен, много больших, чем некоторые характерные величины. Из сказанного ясно, что речь пойдет об очень грубом приближении, потом нам придется «оту­чаться» от изложенных здесь методов. Но отучимся мы легко, потому что почти сразу перейдем к более точному анализу.

Геометрическая оптика, хотя и является приближением, представляет огромный интерес с технической и исторической точек зрения. На истории этого вопроса мы намеренно остано­вимся подробнее, чтобы дать представление о развитии физиче­ской теории или физической идеи вообще.

Начнем с того, что свет знаком каждому и известен с неза­памятных времен. Возникает первая проблема: каков механизм видения света? Теорий было много, но в конце концов, они све­лись к одной: существует нечто, попадающее в глаз при отра­жении от предметов. Эта идея существует уже давно и столь привычна, что теперь даже трудно себе представить другие идеи, предложенные, однако, весьма умными людьми, напри­мер, что нечто выходит из глаза и чувствует окружающие предметы. Были и другие важные наблюдения: свет распространяет­ся из одной точки в другую по прямой линии, если ничто ему не препятствует и лучи света не взаимодействуют друг с другом. Иными словами, свет распространяется в комнате во всевозмож­ных направлениях, но тот луч, который перпендикулярен на­правлению нашего взгляда, не воздействует на лучи, идущие к нам от какого-либо предмета. В свое время это был сильнейший аргумент против корпускулярной теории света и его использо­вал Гюйгенс. Но если представить себе свет в виде пучка летя­щих стрел, то как могли бы тогда другие стрелы легко про­низывать его? На самом деле ценность таких схоластических доказательств весьма сомнительна. Всегда можно сказать, что свет состоит именно из таких стрел, которые свободно проходят друг через друга!

§ 2. Отражение и преломление

Все сказанное дает представление об основной идее геомет­рической оптики. Теперь перейдем к ее количественному описа­нию. До сих пор мы разбирали случай, когда свет распростра­няется между двумя точками по прямой линии. Посмотрим те­перь, что происходит, когда свет на своем пути наталкивается на какой-то объект (фиг. 26.1). Простейший объект — это зер­кало, и в этом случае мы знаем такой закон: свет, попадая на зеркало, не проходит через него, а отражается и снова ухо­дит по прямой линии, причем направление прямой меняется при изменении наклона зеркала. Еще в древности люди были заняты вопросом: каково соотношение между этими двумя углами? Это очень простое соотношение, и найдено оно было дав­ным-давно. Падающий на зеркало луч после отражения движет­ся по такому пути, что углы между каждым лучом и зеркалом равны. По ряду соображений углы удобно отсчитывать от нор­мали к поверхности зеркала. Тогда так называемый закон от­ражения гласит:

qi=qr. (26.1)

В отличие от простого закона отражения более сложный закон возникает при переходе света из одной среды в другую, например из воздуха в воду; здесь тоже свет движется не по прямой. Траектория луча в воде образует некоторый угол с траекторией в воздухе.

Фиг. 26.2

Когда луч падает почти вертикально, угол от­клонения qi– невелик; если же луч направить под большим углом, отклонение становится значи­тельным (фиг. 26.2). Возникает вопрос: каково соотношение между двумя углами? В древности эта проблема долго ставила людей в тупик, но ответ тогда так и не был найден! Тем не менее именно по этому вопросу можно найти очень редкую в древне­греческой физике сводку экспериментальных данных!

Клавдий Птолемей составил таблицу углов отклонения света в воде для целого ряда углов падения из воздуха. В табл. 26.1 приведены углы в воздухе в градусах и соответствую­щие углы для воды. (Принято считать, что древние греки никог­да не ставили опытов. Но, не зная закона, такую таблицу можно составить только на основании эксперимента. Надо отметить, однако, что данные таблицы слишком хорошо ложатся на параболу, поэтому они не могли быть результатом независимых из­мерений; это лишь ряд чисел, интерполированных по немногим измеренным точкам.)

Таблица 26.1 · ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА ПО ПТОЛЕМЕЮ

Угол в воздухе, град Угол в воде, град

10 8,5

20 15,5

30 22,5

40 28

50 35

60 40,5

70 45

80 50

Это был очень важный шаг в становлении физического зако­на: сначала мы наблюдаем эффект, затем проводим измерения и сводим результаты в таблицу, после чего пытаемся найти закон, по которому одни величины сопоставляются с другими. Приве­денная таблица была составлена еще в 140 г. до нашей эры, и вплоть до 1621 г. никто не смог найти такого закона, который связал бы эти два угла!