Оптика
Продолжаем изучение электромагнитных волн, но только более коротких. Такие волны называют светом. Рассмотрим развитие взглядов на природу света1. Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет необходимости. Мы проследим вкратце за развитием научных представлений о том, что такое свет. Два способа передачи воздействий. От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение — мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику). Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя способами: либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо же посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества). Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, если удачно попасть в него шариком (рис. 146, а). Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к языку колокольчика и заставить колокольчик звучать, если посылать по шнуру волны, раскачивающие его язык (рис. 146, б). В этом случае переноса вещества не будет. По веревке распространяется волна, т. е. происходит изменение состояния (формы) веревки. Рис. 146 1 Это введение дает представление о содержании и значении того, что мы сейчас будем изучать. Его достаточно прочесть один раз. Таким образом, передача действия от одного тела к другому может происходить посредством волн. Корпускулярная и волновая теории света. В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику, возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причем возникли они почти одновременно в XVII веке. Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая — с именем Гюйгенса. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной1 теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде — эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределенное положение относительно природы света длилось до начала XIX века, когда были впервые изучены явление огибания светом препятствий (дифракция) и явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков друг на друга (интерференция). Эти явления присущи исключительно волновому движению2. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века доказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. 1 Латинское слово корпускула в переводе на русский язык означает «частица». 2 О дифракции и интерференции подробно будет рассказано в дальнейшем. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, если считать свет волной, а явления излучения и поглощения — если считать свет потоком частиц. Прежде всего кратко напомним, что говорилось о свете раньше в курсе физики. Геометрическая и волновая оптика. При первоначальном ознакомлении с оптическими явлениями было введено понятие светового луча. Лучи указывают направление распространения света. Чтобы определить это направление, мы выделяем узкие световые пучки, диаметр которых значительно превышает длину волны. Затем мы заменяем эти пучки линиями, которые являются осями световых пучков. Эти линии и изображают световые лучи. Основная польза от введения понятия светового луча заключается в том, что поведение лучей в пространстве определяется простыми законами — законами геометрической оптики. Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Эти законы были установлены экспериментально задолго до выяснения природы света. Но они вытекают из волновой теории света как приближение, справедливое, если длина волны много меньше размеров препятствий, расположенных не очень далеко от места наблюдения. Ранее были сформулированы два закона геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света в однородной среде и закон отражения. О преломлении света говорилось лишь качественно. Закон преломления не был сформулирован. Мы получим законы отражения и преломления света на основе представления о свете как о волновом процессе.