Солнечный луч
Шрифт:
В 1678 г. Гюйгенс писал: «Из Исландии... был привезен кристалл или прозрачный камень, весьма замечательный по своей форме и другим качествам,— но более всего по своим странным преломляющим свойствам» [Цит. по: У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, с. 131.]. Гюйгенса поразило, что, за исключением особых случаев, каждый луч, входящий в кристалл, разделяется на два луча, которые внутри кристалла распространяются по разным направлениям. По выходе из кристалла лучи принимают прежнее направление, но остаются двумя самостоятельными лучами, идущими параллельно друг другу. Если через кристалл шпата взглянуть на точку или букву, видны две точки или буквы (рис. на вклейке). Гюйгенс установил, что при вращении кристалла исландского шпата одно из изображений остается на месте, а второе вращается вокруг
Явление поляризации света нашло полное и убедительное объяснение с позиций представления о свете как поперечных колебаниях эфира. В каждом конкретном случае, в каждом элементарном акте излучения колебание распространяется в одной определенной плоскости. Но в обычном потоке излучения плоскости колебаний не совпадают, а распределяются хаотически. Так происходит потому, что в нагретом теле отдельные элементарные акты излучения совершаются независимо друг от друга. Свет таких источников не поляризован. В поляризованном же свете плоскости колебаний лучей совпадают или близки.
Наиболее близкую аналогию явлению поляризации представляет распространение колебаний по шнуру, один конец которого закреплен, а другой — в руке. Встряхивая шнур, можно имитировать поперечные колебания в любой плоскости. Если два колышка забить близко друг к другу таким образом, что шнур окажется между ними, то условия для распространения волн в разных плоскостях, проходящих через шнур, станут неодинаковыми. В плоскости, параллельной колышкам, колебания смогут распространяться по-прежнему беспрепятственно. В направлениях, значительно отличающихся от этого, волны распространяются лишь до колышков, а далее гасятся.
Нечто подобное происходит в кристаллах исландского шпата и некоторых других минералов. Оптические свойства этих кристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это явление называется оптической анизотропией. Кристаллическая решетка их атомов, подобно колышкам в нашей модели, пропускает лучи, электромагнитные колебания, распространяющиеся лишь в определенных плоскостях. В кристалле исландского шпата гасятся все световые колебания, кроме распространяющихся перпендикулярно его оси,— это так называемый обыкновенный луч. Световые колебания, плоскость которых перпендикулярна плоскости обыкновенного луча, образуют второй луч, отличающийся некоторыми особенностями. Оба луча оказываются поляризованными.
Свет поляризуется не только при прохождении через анизотропные прозрачные кристаллы, но и при отражении от поверхности прозрачных тел. Лучше всего отражается свет, колебания которого параллельны поверхности стекла.
Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. Однако свойства поляризованного света нашли довольно широкое и разнообразное применение в технике. При пропускании поляризованного света через прозрачные (например, пластмассовые) модели промышленных изделий удается обнаружить распределение в них напряжений: при механическом сжатии или растяжении изменяются условия и скорость распространения волн, и поляризованный свет позволяет обнаружить участки, подвергающиеся наибольшей деформации, и оценить заранее поведение изделия, внести, если нужно, поправки в технологию.
Поляризованный свет находит также применение в архитектуре, стереокино и т. п.
Поляроидные очки, пропускающие лишь световые колебания, распространяющиеся в одной плоскости, гасят блики — отражения от разнообразных прозрачных и блестящих поверхностей, что бывает весьма важно и для водителей автотранспорта, и для работающих на производстве.
Представление о волновом характере распространения света не могло обойти вопрос о природе колеблющейся среды. Гипотеза о мировом эфире — тончайшей материальной среде, заполняющей мировое пространство, оставалась недоказанным предположением. Ведь если эфир материален, его неизбежно должна увлекать Земля во время ее стремительного движения по орбите (со скоростью 30 км/сек); на противоположных точках земного шара скорость распространения света должна быть несколько различной. Однако даже самые точные опыты не выявили таких различий. Сомнения в существовании эфира и в реальности опирающейся на него волновой теории света высказывал еще И. Ньютон: «Что такое эфир? Я не могу ни видеть, ни чувствовать, ни осязать, ни нюхать его. Остается, ли он неподвижным или «дует», подобно ветру? Обладает ли он трением? Если обладает, то что удерживает Землю и другие планеты, вращающиеся и движущиеся в нем, от замедления, наподобие вращающегося волчка?» [Цит. по: А. Меркулов. За пределами зримого. М., «Машиностроение», 1971, с.]
Через 200 лет, в 1865 г. шотландский физик и математик Дж. Максвелл, развивая идеи М. Фарадея, создал учение об электромагнитном поле, объяснив природу света электромагнитным волновым процессом. Электромагнитные волны представляют собой поперечные колебания, они могут распространяться и в пустоте. Представление о мировом эфире было отброшено. В конце XIX в. работами П. Н. Лебедева, Г. Герца, А. С. Попова и других ученых было доказано, что свет обладает всеми свойствами электромагнитных волн. Видимый свет представляет собой ничтожный по величине участок спектра электромагнитных колебаний, расположенный где-то в его середине.
Однако волновая теория света недолго праздновала свою победу. Не прошло и пяти лет со времени открытия радиосвязи (1895), как выяснилось, что свет поглощается молекулами вещества отдельными порциями. На рубеже XX в. немецкий физик М. Планк, анализируя спектры излучения и поглощения атомов и молекул, пришел к выводу, что в этих процессах свет выступает как прерывная, дискретная реальность, как поток отдельных сгустков Энергии, которые он назвал квантами. Сам Планк считал гипотезу квантов не более чем удобным допущением. Но последующее развитие физики показало ее реальный смысл.
Наиболее существенный вклад в развитие квантовой теории света был внесен А. Эйнштейном. По его предложению, кванты света получили название фотонов. Величина и энергия фотона возрастают при увеличении частоты и уменьшении длины волны света
Е = h
где Е — энергия кванта; h — коэффициент, так называемая постоянная Планка, имеющая значение 6,6·10 27эрг/сек;
Лучи света, падая на поверхность некоторых металлов, выбивают из нее электроны (фотоэлектрический эффект). Количество выбитых электронов уменьшается по мере ослабления интенсивности падающего света. Но одни лучи при любой интенсивности света дают фотоэффект, другие, более длинноволновые, не дают его даже в том случае, если мощность их потока увеличена во много раз. Объяснить эти явления волновая теория не могла. Зато представление о свете как о потоке корпускул оказалось очень удобным для объяснения: одни частицы света достаточно велики для того, чтобы вызвать фотоэлектрический эффект, другие, меньшие по размерам, не могут выбить из атома электрон. Реакция, как установил Эйнштейн, идет по такому типу: одна световая частица — один выбитый электрон; при изменении интенсивности света изменяется количество элементарных реакций. Когда же величина корпускулы недостаточна для выбивания электрона, этот «недостаток» света нельзя восполнить увеличением его интенсивности.
Чтобы примирить «новорожденную» квантовую теорию с явлениями дифракции и интерференции света, находившими дотоле чисто волновое объяснение, Эйнштейн предположил, что световые волны очень слабы («волны-призраки»). Роль их сводится к переносу и распределению фотонов в пространстве, что и отражается в явлениях дифракции и интерференции света. Эта гипотеза в дальнейшем (1923—1924 гг. и 1951 —1952 гг.) была развита французским физиком Луи де Бройлем и существует поныне как один из вариантов объяснения единства волновой и корпускулярной (квантовой) природы света. Согласно этой гипотезе, световая волна очень малой амплитуды ведет и направляет частицу, или квант, представляющую собой область волны с высокой концентрацией энергии.