Страницы истории науки и техники
Шрифт:
История развития оптики восходит ко временам, дало-ко отстоящим от начала нашей эры; по вопросу о природе и свойствах света известны высказывания, относящиеся к 5-му тысячелетию до н. э. В более, позднее время древнегреческие ученые Пифагор, Платон, Аристотель и др. высказывали свои соображения о сущности и свойствах света. Наиболее важным результатом древнегреческих ученых было, вероятно, не столько их предположение о том, что представляет собой свет, сколько установление его прямолинейного распространения, имевшее большое практическое значение, особенно для астрономии и навигации.
Важным этапом в развитии оптики, относящимся к началу новой эры (хотя некоторые соображения высказывались раньше), было изучение преломления лучей света (рефракции) на границе различных
Наконец, Пьером Ферма (1601–1665), французским математиком и физиком (оптиком), приблизительно в 1660 г. был установлен принцип, носящий теперь его имя (принцип Ферма), несколько упрощенная формулировка которого может быть дана в следующем виде: истинный путь прохождения света из одной точки в другую отвечает минимально необходимому для этого времени.
Дальнейший прогресс оптики связан с именем Ньютона. Относительно природы света Ньютон придерживался корпускулярной концепции: он считал, что луч света, проходящий через межпланетное пространство, атмосферу Земли или какую-либо другую среду, представляет собой поток частиц, испускаемых источником света. В то же время Ньютон не исключал возможности того, что свет может иметь некоторые волновые свойства, поскольку распространение его происходит, как в то время полагали, в мировом эфире — гипотетической среде, якобы заполняющей все мировое пространство, — понятие о котором потребовалось тогда для объяснения некоторых физических явлений.
Ньютон сделал очень важный шаг в понимании задолго до него известного факта — так называемой дисперсии света, т. е. разложения обычного белого цвета на все существующие в природе цвета с образованием солнечного спектра, имеющего с одной стороны красный цвет, а с другой — фиолетовый, при прохождении луча света, например, через стеклянную призму. Ньютон дал следующее объяснение этому явлению, хорошо известному также по появляющейся иногда во время дождя радуге. Он считал, что белый цвет представляет собой совокупность различных световых корпускул (частиц), причем каждому цвету отвечает свой «сорт» корпускул. Новым в этом было прежде всего то, что, по Ньютону, различные цвета не возникали из белого цвета в стеклянной линзе или в капельках воды радуги, а были присущи белому цвету и только проявлялись в результате преломления света (рефракции). Преломление света различно для различных цветов, составляющих белый цвет (различно для разных «сортов» корпускул). Следствие этого — возникновение солнечного спектра.
Вот что писал Ньютон но этому поводу: «…эти цвета не порождены вновь, а лишь стали видными благодаря разделению, ибо если их снова полностью смешать вместе, то они вновь составят тот свет, который они составляли до разделения. По той же причине изменения, которые получаются при соединении различных цветов, нереальны, ибо, если различные лучи вновь разъединить, они. будут проявлять точно те же цвета, как и до вхождения в смесь. Как вы знаете, синие и желтые порошки при таком смешивании кажутся невооруженному глазу зелеными, и все же цвета составляющих корпускул не изменились в действительности, а лишь смешались. Ибо, если; посмотреть в хороший микроскоп, они по-прежнему будут казаться только синими и желтыми» [133] .
133
Цит. по: Эйнштейн Л., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 83.
Важно отметить, что некоторые тела излучают свет: только одного цвета — так называемый однородный свет. При этом различным элементам и соединениям присущи различные цвета спектра. На этом принципе построен спектральный анализ, позволяющий определять не только качественный, по и количественный состав исследуемых веществ. Спектральный анализ нашел широкое применение в самых разных областях науки и техники, например в металлургии — для определения состава и свойств металлов и в астрономии для анализа состава небесных тел.
Ньютон впервые наблюдал явление, именуемое интерференцией света. Это явление можно видеть при определенных условиях на экране в виде чередующихся светлых и темных полос. В физике термин интерференция относят к волнам (независимо от их физической природы) и под ним понимается сложение в пространстве двух или большего числа воли, которые в различных точках усиливают или ослабляют друг друга.
Рис. 3. Продольные волны.
Напомним, что под термином «волны» понимаются возмущения (изменения состояния) среды, распространяющиеся в этой среде без переноса вещества и несущие с собой энергию. Звук, например, распространяется в любой газообразной и жидкой среде (воздухе, воде и т. д.) посредством так называемых упругих продольных волн, представляющих собой чередующиеся зоны сжатия и разрежения.
Продольные волны (рис. 3) всегда распространяются в том же направлении, в каком происходят смещения частиц среды (например, частиц воздуха), образующие зоны сжатия и разрежения.
Рис. 4. Поперечные волны.
Если распространение волн происходит не в жидкой или газообразной среде, а, например, вдоль натянутой струны, то образуются уже не продольные, а поперечные волны (рис. 4). Дело в том, что отдельные малые участки (точки) струны будут совершать колебания от состояния равновесия не в направлении движения волны, а перпендикулярно этому направлению, поперек него. Волны, распространяющиеся по поверхности воды (или другой жидкости) также поперечны. Если на берегу озера сидит рыбак, поплавок его удочки плавает на поверхности озера, а по этой поверхности проходят волны, вызванные, например, брошенным в воду камнем (конечно, рыбак и брошенный в воду камень не очень-то вяжутся между собой), то поплавок не будет перемещаться в сторону движения волн — течение воды отсутствует, существуют только колебания воды вверх и вниз, которым и будет следовать поплавок.
Ньютон наблюдал также явление, основанное на интерференции и носящее теперь наименование колец Ньютона, а в 1675 г. дал его описание. Он исследовал явление дифракции света, рассматриваемое теперь как отклонение электромагнитных, световых волн от прямолинейного распространения, например при прохождении сквозь узкие отверстия и вблизи острых краев непрозрачных тел. Дифракция света — один из веских аргументов в пользу волновой природы света.
Представления, созданные Ньютоном о природе света и его свойствах, за прошедшие примерно 300 лет, естественно, претерпели большие изменения. Такова уж наука, она никогда не стоит на месте, старые идеи заменяются, корректируются и дополняются новыми. Это обычный и очень хороший порядок. Но как все это делается? Обесценивается ли при этом ранее внесенный в развитие науки вклад?
Б ответ на эти вопросы приведем слова автора теории относительности А. Эйнштейна и его соавтора по книге Л. Инфельда: «Для сравнения мы могли бы сказать, что создание новой теории непохоже на разрушение старого амбара и возведение на его месте небоскреба. Оно скорее похоже на восхождение на гору, которое открывает новые и широкие виды, показывающие неожиданные связи между нашей отправной точкой и ее богатым окружением. Но точка, от которой мы отправлялись, еще существует и может быть видна, хотя она кажется меньше и составляет крохотную часть открывшегося нашему взору обширного ландшафта» [134] .
134
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 125.