Текст книги "История лазера"
Автор книги: Марио Бертолотти
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 31 страниц)
Роберт Гук
Роберт Гук родился во Фрешвотере на острове Уайт в 1635 г. и умер в Лондоне в 1703 г. Он был целеустремленным человеком, который придумал и построил ряд инструментов и устройств: мы обязаны ему, например, новейшим использованием спиральной пружины в балансном механизме часов, что позволило обеспечить точность хода. Он ввел закон пропорциональности между упругими деформациями и силой, который носит его имя, провел ряд астрономических наблюдений и претендовал на результаты некоторых работ Ньютона, касающихся открытия закона всемирного тяготения, о котором, правда, он лишь смутно догадывался.
Благодаря своим тщательнейшим наблюдениям с помощью двадцатиметрового телескопа, колебавшегося даже под слабыми порывами ветра, он был первым, кто описал тень кольца Сатурна, бросаемую на планету, и составил детальные карты лунных кратеров. Он был назначен топографом и архитектором и помогал восстановлению Лондона после великого пожара 1666 г. Он был один из первых, кто явно выразил концепцию вымирания и предположил эволюцию двумя столетиями до Чарлза Дарвина.
Он начал свою научную карьеру в качестве ассистента хорошо известного английского химика Роберта Бойля (1627—1691), который после обучения в Итоне и в Женеве приступил к исследованиям свойств газов и вакуума. В 1658—1659 гг. Гук построил для Бойля вакуумный насос типа того, что в 1650 г. изобрел Отто фон Герике (1602—1686) и помогал Бойлю в демонстрациях, когда тот доказывал, что воздух играет важное значение в распространении звука, а также необходим для дыхания и горения. В тот же самый период Бойль сформулировал знаменитый закон, который в Великобритании носит его имя, а в континентальной Европе часто связывается с Мариоттом, согласно которому произведение давления газа на его объем является постоянным, если, как указал Мариотт, температура постоянна. Бойль настолько ценил Гука, что в 1662 г. назначил его куратором экспериментов в Королевском Обществе для улучшения знаний о природе Английской академии наук, основанном им в 1660 г. вместе с другими английскими учеными под покровительством Карла II. Роль Общества была «улучшать знания о природных вещах» путем наблюдений и экспериментов, а не обращениям к книжным авторитетам: девизом общества было Nullius in Verba («ничего не принимать на слово»). С этой целью Общество назначало куратора экспериментов. В этой роли Гук был обязан, когда бы ни проводилось заседание, выполнить три или четыре эксперимента, даже если заседание проводилось раз в неделю. Эта обязанность была довольно обременительной и обязывающей. Однако он выполнял эти обязанности с большим мастерством в течение многих лет, пока не был назначен секретарем Общества.
В оптике он сделал два важных экспериментальных наблюдения, которые, однако, были предвосхищены другими. Первое открытие, которое он описал в своей Micrographia, опубликованной в 1667 г., содержало детальное наблюдение радужных цветов, которые можно наблюдать, когда свет падает на тонкий слой воздуха между двумя пластинами стекла или линзами, или на любую тонкую пленку прозрачного вещества; это так называемые цвета тонких пластинок или кольца Ньютона, которые уже наблюдались Бойлем и впоследствии, были полностью изучены Ньютоном.
Второе открытие Гука, сделанное после публикации его Micrographia, заключалось в том, что свет в воздухе не распространяется строго вдоль прямой линии, но некоторое освещение можно обнаружить в области геометрической тени непрозрачного предмета. Это явление также уже наблюдалось и было опубликовано в 1665 г. в посмертной работе Франческо Мария Гримальди (1613—1663), итальянского иезуита, который дал этому явлению название «дифракция».
Теоретические исследования Гука природы света имели выдающуюся важность, так как они являлись переходом от картезианской (декартовой) системы к полностью волновой теории. В отличие от Декарта Гук считал, что условие, связанное с испусканием света светящимся телом, заключается в быстрых колебательных движениях очень малой амплитуды. Он писал о распространении света;
«...в Homogeneous medium это движение распространяется единообразно с равной скоростью, независимо от места, каждый импульс или колебание светящегося тела будут порождать сферу, которая станет последовательно увеличиваться, становясь все больше, совершенно таким же образом (хотя и бесконечно быстрее), как волны или круги на поверхности воды расходится вес большими кругами из точки палении камня. Отсюда следует, что все части этих сфер волнообразно распространяются в Homogeneous medium, с образованием лучей под прямыми углами к поверхности сферы».
Рис. 4. Волны на поверхности пруда. Круговая рябь представляет фронты волн. Лучи, перпендикулярные волновым фронтам, показывают направление движения волны
Гук ввел также концепцию «волнового фронта» или место точек, для которого, в каждый момент времени, возмущение (независимо от того, как определяется возмущение), первоначально порождаемое точечным источником, имеет одно и то же значение. Он утверждал, что это сфера, центром которой является точка испускания и радиусы которой соответствуют лучам света, испускаемого источником (рис. 4).
Гук пересмотрел теорию дифракции Декарта и вывел закон дифракции из отклонения волнового фронта. Он предположил, что отклонение волнового фронта ответственно за цвета, которые можно наблюдать, когда пучок белого света проходит через стеклянную призму. Он считал, что белый свет был простейшим типом возмущения, производимого простым и однородным импульсом под прямыми углами к направлению распространения, и предполагал, что цвет образуется за счет искажения этого возмущения во время процесса преломления. Мы увидим, что эта теория была полностью опровергнута через несколько лет после ее публикации.
Христиан Гюйгенс
Христиан Гюйгенс, один из основателей механики и физической оптики, родился в Гааге в 1629 г. Он был сыном Константина (1596—1687), известного поэта Возрождения. Первоначально он изучал риторику и юриспруденцию, но, будучи влюблен в науки, он предпочел занятия математикой. В 1655 г. Гюйгенс с помощью своего самодельного мощного телескопа прояснил проблему конфигурации Сатурна, открыв его кольца. Он также открыл один из спутников Сатурна: Титан. Затем он обнаружил, что Луна лишена атмосферы и ее «моря» не имеют воды. Годом позже он написал учебник по расчетам вероятностей, De ratiociniis in ludo aleae, а в следующий год построил маятниковые часы.
В 1665 г. он по приглашению Кольбера, могущественного министра Людовика XIV, переехал в Париж, где в 1666 г. он был выбран членом вновь образованной Королевской Академии Наук, а в 1673 г. опубликовал Horologium oscillatorium. В этой книге вводилось понятие момента инерции, первые теоремы механики твердых тел и теория составного маятника. С помощью этих, а также ранее проведенных исследований упругих столкновений он выразил – хотя и в частном случае – теорему работы и энергии, исследовал вращательное движение, дал фундаментальные теоремы центробежной силы и установил, что ускорение под действием тяжести изменяется как функция высоты, продолжая в этом отношении исследования Г. Борели (1608—1679), и прокладывая путь для Исаака Ньютона.
Из-за жестокой кампании, проводимой Людовиком XIV против Голландии, Гюйгенс в 1681 г. был вынужден покинуть Францию и возвратиться на родину, где он вместе со своим братом занимался изготовлением линз для телескопов. В 1690 г. он опубликовал в Лейдене свою знаменитую книгу Traite de Lumiere, в которой, в противовес теории истечения Ньютона, он поддержал волновую теорию света. Он скончался в Гааге в 1695 г.
Гюйгенс соглашался с Гуком, что свет, по существу, является формой движений. Следовало решить, является ли это движением среды, или сравнимое с полетом стрелы, как это следует из корпускулярной теории. Он решил, что первая альтернатива единственно правильная.
Евангелиста Торричелли (1608—1647) – ученый, который после Галилея занял кафедру математики и философии герцогства Тосканы, – показал, что свет очень быстро распространяется как в воздухе, так и в вакууме. Это дало основание Гюйгенсу полагать, что среда, в которой распространяется свет, должна пронизывать все вещества Вселенной и даже так называемый вакуум. Эту среду он назвал «эфиром». Соответственно свет является возмущением этого эфира, состоящего из упругих колебаний, которые распространяются с большой скоростью в этой высоко упругой и тонкой среде. В 1675 г. датчанин Олаф Рёмер (1644—1710) уже измерил скорость света из астрономических наблюдений, получив значение 214 300 км/с, которое на треть меньше современного значения около 300 000 км/с.
Гюйгенс принимал точку зрения Декарта, согласно которой, каждое явление можно представить как некоторый механический процесс. Упругие явления были хорошо известны к тому времени, в частности, благодаря исследованиям Гука, и если для света нужны были волновые представления, то упругие колебания представлялись вполне уместными. Был уже известен целый ряд примеров упругих колебаний: морские волны – волновое явление колебаний воды; звуковые волны – волновое явление в воздухе, звук скрипичной струны, получаемый благодаря ее колебаниям. Все эти волны являются упругими колебаниями некоторых сред. Принимая, что эфир это среда, в которой распространяется свет, и что свет является волнами, естественно было принять, что он и является упругими колебаниями этого эфира.
При обсуждении волнового процесса распространения Гюйгенс в Traite de la Lumiere ввел знаменитый принцип, носящий его имя, с помощью которого он смог количественно вывести законы отражения и преломления. Затем он дал физическое объяснение изменениям скорости света при его распространении из одной среды в другую, предположив, что прозрачные тела состоят из твердых частиц, которые, взаимодействуя с эфиром, изменяют его упругость.
И Гук, и Гюйгенс предполагали, что свет представляет собой быстрое колебательное движение эфира. Эфир определялся, как особая среда, упругая и с необходимостью твердая, но которая столь тонка (весьма несовместимые свойства), что заполняет все пространство внутри и вне материальных тел. Это колебательное движение может напоминать, как писал Гюйгенс, волны на воде, получающиеся при падении камня.
Исаак Ньютон
Исаак Ньютон родился в Вулсторпе, Линкольншире, 25 декабря 1642 г. Он, без сомнения, является одним из самых выдающихся исследователей Природы. Его мать принадлежала к умеренной части благородного класса, а отец, который умер до его рождения, был мелким землевладельцем. Его строгое пуританское воспитание, усиливаемое отчужденностью от матери, которая вторично вышла замуж за протестантского священника, а затем восстановленные тесные, нежные отношения с ней, рассматриваются некоторыми биографами в духе фрейдистских интерпретаций, касающихся его нервных срывов, женоненавистничества, и причуд характера.
Он должен был стать мелким землевладельцем, и его обучение должно было ограничится средней школой. Но его замечательная склонность к механическим изобретениям, а также к гуманитарным изучениям в области древнееврейского языка и теологии дали основания его учителям рекомендовать его в Кембриджский университет. Он был принят в Тринити колледж в июне 1661 г., но его мать не оплатила обучение, и он был вынужден поступить в университет на положение subsizar. Так назывались бедные студенты, в которые должны были исполнять обязанности слуг по отношению к старшим студентам. Это тягостное для него положение, сделало его еще более замкнутым по отношению к окружающим его студентам, которые впоследствии, когда он стал знаменитым, не могли вспомнить встречи с ним. Он не выделялся в своих официальных занятиях и не следовал формальному курсу. Как в математике, так и в натуральной философии (физике, говоря современным языком) он был самоучкой, так как в то время обе эти дисциплины преподавались слабо. Механистический мир Декарта и атомистические концепции теолога, математика и астронома Пьера Гассенди (1592—1655), который был профессором Колледж де Франс в Париже, увлекли его, о чем он записал в своей записной книжке, которая в тот период называлась Quaestiones quaedam philosophical. Хотя, по-видимому, он не пришел к определенным заключениям, он явно склонялся к атомизму. Он критиковал теорию света Декарта, основанную на вихрях, отдавая предпочтение корпускулярной теории. С помощью натуральной философии он открыл для себя математику. Возможно, он купил «Геометрию» Эвклида, но прочел лишь первые страницы, находя их очевидными, хотя позднее он сожалел, что не уделил большего внимания тексту.
Чтобы остаться в Кембридже, Ньютону нужно было получить постоянную должность, в 1664 г. при поддержке спонсоров он был назначен преподавателем. Благодаря своему новому положению он получил возможность четыре года проводить исследования, а либерализм в отношении преподавания позволял полностью посвящать себя этим исследованиям. Когда он работал над проблемой, он забывал не только спать, но и есть. В результате, его еда доставалась его кошке или соседям по комнате, которым только и оставалось что изумляться такому поведению.
В то время университет Кембриджа был полон людей, которые заботились не столько о науке, сколько о своем финансовом благополучии; поэтому молодой Ньютон легко проходил ступени академической карьеры: в 1665 г. он получил степень бакалавра искусств, в 1667 г. стал младшим сотрудником, а в 1668 г. – старшим сотрудником и мастером искусств. В 1669 г. его учитель, теолог, эллинист и математик Исаак Барроу (1630– 1670) уступил ему кафедру математики (в настоящее время причины этого не вполне ясны и есть некоторые сомнения, что он так поступил, видя гениальность своего ученика). Эту кафедру Ньютон занимал до 1701 г.
Между 1664 и 1665 г. Ньютон стал наиболее выдающимся математиком своего времени, установив основы исчисления бесконечно малых и получив другие важнейшие результаты в математике.
В возрасте 27 лет он уже был профессором математики в Кембридже и несколько позднее стал членом Королевского Общества. Традиции описывают его как помешанного профессора, постоянно погруженного в трудные проблемы. Рассказывали, что во время Великой Чумы, когда он вынужден был бежать в родную деревню, он, гуляя в саду и видя яблоко, падающее на землю, старался понять, почему Луна не падает на Землю. Эта нить размышлений привела его к открытию закона всемирного тяготения. Его быстрая академическая карьера поддерживалась надежными основами в физике и математике, а также приобретением знаний в гуманитарных дисциплинах при обучении в Кембридже. Его записные книжки дают представления о внимательном чтении Галилея, Декарта, Гассенди и др. Молодой «натуральный философ» считал себя, стоящим «на плечах гигантов», как он выразился однажды. Он смог усвоить все успехи новой науки и с исключительной ясностью разработать принципиальные темы своих великих вкладов в науку. Период 1665—1666 гг. был особенно плодотворен.
Изучая Кеплера, Декарта и Галилея, Ньютон рассматривал все еще нерешенные проблемы коперниковской астрономии и размышлял об атомизме, вакууме и об экспериментальных и математических методах Галилея. Он придал проблеме планетарных орбит, определяемых тремя законами Кеплера, новое теоретическое содержание, отвергая кеплеровскую гипотезу причин небесных движений. В это же время, он дал первую формулировку закона всемирного тяготения, позднее ставшей легендарной в знаменитом анекдоте о яблоке, распространяемом его биографами, и который сам Ньютон любил рассказывать в старости. На самом деле исследования показывают, что формулировка закона всемирного тяготения была дана позднее. Отвечая на вопросы, как он открыл этот закон, он говорил: «Постоянно размышлял об этом». Никакой другой ответ не мог бы лучше характеризовать этого человека, не только подчеркивая его образ жизни, посвященной скорее рассуждениям, чем действиями, но также давая понимание его рабочей методологии.
Рис. 5. Это представление эксперимента Ньютона с призмой. Пучок солнечного света OF после прохождения маленького круглого отверстия F преломляется призмой АαВβCχ и изображается в виде спектра PYTZ на противоположной стене
В то же время он сконструировал первый телескоп-рефлектор, Сам изготовил зеркало путем плавления особого сплава и производя шлифовку и полировку. Он также решил проблему состава белого света путем постановки знаменитых экспериментов по дисперсии, выполненных со стеклянной призмой. Такие эксперименты были обычными для ученых в оптике того времени, но только Ньютон смог выполнить их на уровне точных математических методов. В 1666 г., когда он был еще студентом Тринити Колледжа в Кембридже, он взял стеклянную призму, «чтобы испытать с ней знаменитые Явления Цветов» (рис. 5). Он писал:
«находясь в темной комнате и сделав малое отверстие в ставне, чтобы пропустить достаточно света Солнца, я разместил мою призму так, чтобы свет мог быть преломлен к противоположной стене. Первым очень приятным ощущением было увидеть яркие и интенсивные цвета, полученные в результате этого; но после более внимательного рассмотрения я к своему удивлению обнаружил, что они имеют вытянутую форму, хотя по закону преломления они должны были бы иметь круглую форму».
Тонкий луч солнечного света, который проходил через круглое отверстие, сделанное Ньютоном, имел круглое сечение, и согласно закону Снеллиуса должен был бы лишь смещаться, но не изменять свою форму.
Ньютон и свет
Ньютон сообщает нам, что, начав изучать это странное явление и вычисляя отношения между углом падения белого света на призму и углами преломления цветных лучей, выходящих из нее, сразу же обнаружил, что это отношение различно для разных цветов. Повторяя эксперимент и вводя вторую призму, он отметил, что каждый из основных цветов имеет свое отношение. Он заключил, что белый свет является «неопределенной совокупностью различных цветных лучей».
При описании этого эксперимента Ньютон совершает мистификацию; ключевой эксперимент (experimentum cruris, как его называет Ньютон), на котором он так сильно настаивает, был в значительной степени вымыслом, придуманным позднее для объяснений его рассуждений. На самом деле мы знаем, что Ньютон пришел к своим результатам более сложным путем, который мы не станем прослеживать.
В заключение мы можем согласиться с Ньютоном, что угол преломления зависит от цвета света и что белый свет Солнца является таковым из-за того, что он содержит все цвета, и может быть разложен на свои разные цвета путем преломления, совершаемого призмой. Поскольку, как мы указывали ранее, угол преломления зависит от скорости распространения света, можем также сказать, что результаты Ньютона означают, что скорость распространения зависит от цвета света.
В настоящее время для явления, согласно которому скорость распространения света зависит от его цвета, принято название «дисперсия света», а «дисперсионная сила» описывает способность конкретного материала разлагать свет на различные цвета, наблюдаемые на экране, с помощью преломления в призме. Причина, почему свет каждого цвета распространяется с разной скоростью в одном и том же веществе, оставалась тайной вплоть до начала 20 столетия.
Преодолев свое странное нежелание публиковать свои открытия, Ньютон, обнародовал свои заключения в 1672 г., отправив письмо в Королевское Общество, и мы полагаем, что будет интересно вспомнить, как это случилось. Теория цветов, изложенная Робертом Гуком в Micrographia, не удовлетворяла Ньютона. Гук утверждал, что «синий цвет света получается из-за ощущений на сетчатке с помощью сложного импульса, чья слабая часть предшествует отстающей более сильной части», а красный получается из-за сложного импульса противоположного порядка. Ньютон в своей книге Quaestiones сразу же опроверг эти два фундаментальных предположения Гука и провел эксперименты, которые мы уже описали. Эти эксперименты показали, что белый свет является некоторой суммой цветных лучей, которые разбрасываются путем преломления в призме. Позднее он обнаружил, что этот результат имеет важное практическое значение. При работе с телескопами было установлено, что сферические линзы не отклоняют параллельные лучи, идущие от звезд, таким образом, чтобы собрать их в совершенный фокус (т.е. в точку). В своей работе Dioptrique Декарт показал, что линзы эллиптической или гиперболической формы могут, в согласии с законом преломления, собирать преломленные параллельные лучи в совершенный фокус (т.е. в точку). Ньютон начал исследовать, как можно было бы изготовить такие поверхности, и обнаружил, что получается окрашенное изображение (сегодня этот дефект называется «хроматическая аберрация») из-за того, что синие лучи отклоняются сильнее, чем красные. Тогда он прекратил свою работу по несферическим линзам и никогда не возвращался к ней, решив построить отражательный телескоп, в котором увеличенное изображение получалось за счет использования вогнутых зеркал вместо линз, используемых в телескопе Галилея. Этот телескоп Ньютона имел увеличение в 40 крат. Позднее он построил второй телескоп с увеличением 150 и демонстрировал его в Кембридже. Сведения об этом дошли до Королевского Общества, которое просило ознакомиться с телескопом и в конце 1672 г. получило его от Барроу. Телескоп произвел такую сенсацию, что в январе 1672 г. Генри Олденбург, секретарь Королевского Общества, писал Ньютону, превознося его изобретение и заявляя, что Общество хотело бы послать чертеж Гюйгенсу, чтобы предотвратить присвоение другими людьми идеи Ньютона. Ньютон дал свое согласие и 6 февраля отправил в Общество доклад о своей теории цветов, в котором объяснял, как эта теория привела его к изобретению отражательного телескопа.
Вначале он не формулировал каких бы то ни было гипотез по теории света, но позднее, под влиянием критики Гука, Гюйгенса и др., на которую резко реагировал, вынужден был обозначить свою позицию. В своей работе, Royal Society Philophical Transactions, он принимал во внимание противников своей корпускулярной гипотезы природы света, не исключающей, однако, волновой альтернативы. Резкое противодействие Гука, продолжающееся в течение многих лет, привело к тому, что он долго ничего не публиковал по оптике. Так работа Гука Opticks была опубликована только в 1704 г., после его смерти.
В то время когда он был назначен профессором в Кембридже осенью 1669 г., Ньютон выбрал темой своих инагурационных лекций, прочитанных между 1670 и 1672 гг., теорию цветов и преломлений, которую он разработал в предыдущие пять лет. Эти Lectiones opticae, написанные на латыни, стали первым физическим трактатом и наиболее исчерпывающим изложением его теории цветов. Эти лекции были использованы как основа для его первой книги Opticks, написанной 20 годами позднее. Сравнивая Lectiones с Optics, мы можем проследить эволюцию взглядов Ньютона. В своих Lectiones Ньютон старался развить математическую науку цветов, в то время, как он сам провозглашал, Optics является экспериментальным учебником: «Мой замысел этой Книги не объяснять свойства света гипотезами, а выдвинуть предположения и проверить их здравым смыслом и экспериментами».
