Оптика - Годжаев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
механики принесли ему славу, и этот факт сыграл
существенную роль в признании корпускулярной теории света. Несмотря на то
что против корпускулярной теории с разными, серьезными в те времена,
возражениями выступали такие ученые, как Ломоносов и Эйлер, эта теория
господствовала почти в течение всего XVIII в. Образно говоря, XVIII век
был "веком Ньютона".
В конце XVIII в. результаты многих теоретических и экспериментальных
исследований расшатали основы корпускулярной теории и она стала сдавать
свои позиции. К началу XIX в. правильность волновой теории уже не
вызывала никакого сомнения и корпускулярная теория была полностью
отвергнута. Это стало возможным после того, как Т. Юнг исследовал явления
дифракции и интерференции света, а О. Френель, опираясь на волновую
теорию и дополнив принцип Гюйгенса принципом интерференции, блестяще
объяснил эти два явления. В дальнейшем Френель и Араго изучали такие
явления, как поляризация света и интерференция поляризованных лучей.
Полученные ими результаты позволили сделать заключения и о природе света.
Френель и Араго пришли к выводу, что дифракция и интерференция света
могут быть объяснены, если принять световые волны поперечными. В связи с
этим заключением возникли своеобразные трудности перед гипотезой эфира *,
смысл которых заключается в следующем. Известно, что поперечные упругие
волны распространяются только в твердых телах (за исключением случая на
границе раздела несмешивающихся жидкостей и жидкость-воздух).
Следовательно, поскольку свет является поперечной волной, то носитель
световых волн - эфир - должен
* Эфир есть гипотетическая среда, введенная с целью описания оптических
явлений в рамках механики.
6
обладать свойствами твердых тел. Но как известно, скорость
распространения поперечных упругих волн в твердом теле определяется как
___
v = V G/p,
где G - модуль сдвига, ар - плотность твердого тела. Из опытных данных
известно, что и - довольно большая величина, поэтому величина G должна
быть также большой, ар - малой, что, очевидно, несовместимо. Получается,
что эфир, с одной стороны, должен иметь очень малую плотность, а с другой
стороны, должен обладать очень большим модулем сдвига.
Это была не единственная трудность, стоящая перед гипотетическим эфиром.
Как показали измерения Фуко и Физо, скорость распространения света в
разных средах различна. Это могло иметь место в случае, если бы эфир
обладал разными свойствами в разных средах. Неприятности, связанные с
эфиром, этим не исчерпываются. Если эфир обладает свойствами твердого
тела, то в нем могут распространяться как поперечные, так и продольные
волны, в то время как у световой волны продольной составляющей нет.
Следовательно, эфир должен был обладать такими свойствами, которые
допускают распространение в нем только поперечной волны.
Значительным шагом в развитии теории света явилась теория, разработанная
Максвеллом во второй половине XIX в. на основе работ Кулона, Ампера,
Фарадея, Вебера, Кольрауша и др. Обобщая известные факты, Максвелл
выдвинул электромагнитную теорию света, согласно которой световые волны
представляют собой не что иное, как электромагнитные волны высокой
частоты. Им была предложена система дифференциальных уравнений,
описывающая электромагнитные волны.
Согласно электромагнитной теории Максвелла,
C/v=y&\ 1= п,
где сии - соответственно скорости света в вакууме и в среде с
диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью р.
Теория Максвелла установила связь между электрическим, магнитным и
оптическим параметрами среды. Однако поскольку, по Максвеллу, е и р -
величины, не зависящие от длины волны света, то явление дисперсии
(зависимость показателя преломления от длины волны) оставалось
необъясненным в рамках электромагнитной теории. Этот пробел был заполнен
после того, как Лорентц предложил электронную теорию, согласно которой
диэлектрическая проницаемость среды зависит от длины волны падающего
света.
Как Максвелл, так и Лорентц считали, что носителями световой волны в
пространстве является эфир. Существование эфира долгое время не вызывало
сомнений, а представления о свойствах эфира развивались параллельно с
представлениями о природе света. Согласно Максвеллу, эфир является
ответственным за все электромагнитные явления. По Лорентцу, эфир
представляет собой бесконечную среду, характеризующуюся только одним
параметром-¦
7
скоростью распространения света в данной среде. Опыты Морли - Майкельсона
опровергли представления о покоящейся среде -¦ эфире, в результате этого
электродинамика Лорентца была заменена электродинамикой теории
относительности.
Теория Лорентца, несмотря на определенные успехи, встретила серьезные
трудности. В частности, она не могла объяснить распределения энергии по
частотам при тепловом излучении абсолютно черного тела. Эти недостатки
теории не были устранены и попытками других ученых (Вин, Рэлей, Джинс).
Смелая гипотеза, выдвинутая в 1900 г. Планком, решила проблему
