Текст книги "История лазера"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 31 страниц)

Великая революция Ньютона в физике

Позднее, в 1679 г., Ньютон продолжил свои исследования тел, подверженных действию гравитационных сил, и полностью решил эту проблему. Фактически интуитивные предположение сделанные им в 1666 г., не были полностью разработаны, поскольку он не располагал точными измерениями относительно Земли, из которых можно было рассчитать притяжение между Землей и Луной. После того как француз Жан Пикар (1620—1682) измерил длину меридиана между Амьеном и Мальвузином (1669—1670), что позволило точно оценить радиус Земли, Ньютон смог вернуться к своим первоначальным идеям, найдя прекрасное подтверждение в экспериментах. Он отвергал картезианское пространство, связанное с механическими гипотезами, но принимал принцип Декарта движения по инерции в вакууме, который Галилей не вполне явно ввел в своей космологической системе» Ньютон принял этот принцип как фундаментальную основу его законов в качестве первого: «Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного, прямолинейного движения, до тех пор, пока действие внешних сил не выведет его из этого состояния».

Принцип инерции, полностью сформулированный им в 1680 г., был использован для объяснения движения небесных тел в пространстве. Инерция позволяет им продолжать бесконечно их прямолинейное движение, а сила гравитации между двумя массами, пропорциональная массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, заставляет каждую планету искривлять своя траекторию по эллипсу.

Сложная аксиоматическая конструкция, устанавливающая фундаментальные основы «классической» механики, разработка теорем, относящихся к круговым и эллиптическим движениям, а также дифференцирование центральных сил, Все это было выполнено Ньютоном между 1684 и 1686 гг.

Представление и опубликование его принципиальной работы, Philosophiae naturalis principia mathematical в 1687 г. было поддержано и оплачено из собственных средств Эдмундом Галлеем, так как Королевское Общество, которое обещало оплатить расходы, испытывало финансовые трудности. Галлей (1656—1742), который позднее был назначен Королевским Астрономом в Гринвиче, был знаменит своими изучениями комет. Он открыл, что события 1456, 1531, 1607 и 1682 гг. были вызваны одной и той же кометой, которая получила его имя и которая движется по сильно вытянутому эллипсу с периодом около 72 года. Последний раз эта комета появилась в 1985 г.

В первом томе содержались законы движения, криволинейные и эллиптические движения, законы столкновений, дифференцирование центральных сил и движение маятника. Второй том был посвящен движению твердых тел в сопротивляющихся средах и означал детальное и систематическое опровержение декартовой физики пространства. Эта физика изменяет реальное поведение тел, движущихся внутри жидкостей, и делает недоказуемым физические основы законов Кеплера. Оба эти тома имели рациональную аксиоматическую и дедуктивную структуру. Третий том начинался с этих же посылок, и в нем индуктивно разрабатывалось устройство Вселенной. Автор простым и изящным способом переформулировал гелиоцентрическую теорию Коперника, добавляя самые новейшие астрономические данные; после демонстрации вывода законов Кеплера из принципов, сформулированных Ньютоном, он разработал теорию движения Луны, приливов и рассчитал относительные траектории комет, а также проблему трех тел.

Первое издание Principia (около тысячи копий) получило широкое распространение в Европе, даже несмотря на недостаточное понимание содержания.

Ньютон как публичный человек

Вскоре после публикации Principia, незадолго до своего 50-летия Ньютон стал интересоваться политикой. В канун Славной революции 1688 г. Ньютон открыто противостоял попыткам Якоба (II) Стюарта заставить академический корпус Кембриджа принять бенедиктинского монаха в университет с его строгими протестантскими традициями. В 1688 г. Ньютон был выбран в Парламент как представитель Кембриджского университета. Парламент ратифицировал падение Стюартов и возведение на трон Вильгельма Оранского, так же принял Билль о правах. Потом последовала череда нескольких нервных кризисов. А в 1693 г. Ньютон был назначен смотрителем лондонского монетного двора и управлял важнейшей операцией замены циркулирующих денег на новые монеты. В 1697 г. он оставил Кембридж и кафедру. После ухода из университета он начал играть значительную роль в культурной и политической жизни столицы, будучи введенным в Королевский Суд, и получив рыцарское звание от королевы Анны. В Лондоне он поселился в районе Кенсингтона со своей племянницей Катериной Бартон, прекрасной и практичной женщиной, которая позднее вышла замуж за Джона Кондуита – первого биографа знаменитого ученого. Позднее, в период между 1704 и 1727 гг. Ньютон был президентом Королевского общества.

Ньютон был крайне изменчивой личностью и проводил также исследования в области теологии и алхимии, которые он продолжал в старости, что дало основание экономисту Лорду Кейнсу в 1930-х гг. сказать: «Ньютон был последним из колдунов». Действительно, он полностью соответствовал тенденции XVII в., сочетать точные науки с магией. В его библиотеке было 138 книг по алхимии, которые составляли около двенадцатой доли всех его книг.

Когда он умер 20 марта 1727 г., король оказал ему честь быть похороненным в Вестминстерском аббатстве, где о нем напоминает простая цитата Лукреция: «Ньютон, qui genus humanum ingeniosuperavit».

Его вклад в понимание оптических явлений был увековечен в знаменитой эпитафии поэта Александра Попа (1688—1744): «Природа и законы Природы были в темноте, и Бог сказал: «Да будет Ньютон», и свет настал».

Ньютонская теория света

Учебник Optics (1704) начинается с определения характеристик луча света: лучи света возникают на Солнце и доходят до нас через пространство. Каждый сорт лучей производит разное ощущение в глазу; красное, зеленое, синее и т.д. Естественный свет Солнца является суммой всех этих лучей и оказывается белым; эти различные лучи можно разделить с помощью стеклянной призмы.

Хотя Ньютон при помощи искусного философского языка попытался скрыть свои соображения относительно определенной модели света, он не смог устоять от искушения сформулировать свою точку зрения, предполагая, что световые лучи состоят из малых частиц (корпускул), испускаемых Солнцем и другими источниками света. Он полагал, что частицы меньшего размера вызывают ощущения синего и фиолетового, а частицы большего размера вызывают ощущения желтого, оранжевого и красного. Поэтому наши ощущения цветов можно понять как отражение объективной реальности размеров частиц,

В Principia Ньютон применил эти соображения к выводу закона преломления. Свет представляет собой материальное тело и, следовательно, подвержен тем же самым законам механики, которые управляют движением планет. Без внешних воздействий свет распространяется по прямой линии согласно закону инерции, который справедлив для всех материальных тел. Это соображение напоминает подходы пифагорийцев, которые уже были поддержаны Декартом. Но точки зрения обоих ученых очень различны.

Вольтер во время своего путешествия в 1728 г. писал:

«Француз, приехавший в Лондон, обнаружит, что философия, как и многое другое, здесь весьма отличаются. Он теперь не в мире физического пространства, а в вакууме. В Париже Вселенная представляется в виде вихрей тонкой, неосязаемой материи. Но ничего подобного нет в Лондоне. Во Франции давление Луны вызывает приливы, а в Англии моря притягиваются Луной. [...]. Вы далее обнаружите, что Солнце, до которого во Франции мало дела, здесь проявляет свое влияние. Согласно вашим картезианских представлениям все обусловлено неким импульсом, которому мы уделяем мало внимания. А согласно сэру Исааку Ньютону, все обусловлено притяжением, которое мало известно нам. [...]. Последователь Декарта утверждает, что свет существует в воздухе. Но последователь Ньютона считает, что он приходит от Солнца за шесть с половиной минут».

И добавляет:

«Очень мало людей в Англии читают Декарта, чьи труды теперь, конечно, бесполезны. Но, с другой стороны, малое число и тех, кто читал сэра Исаака, так как для этого студент должен быть искушен в математике, в противном случае чтение этих работ будет непонятно ему. Но, несмотря на это, такие люди, прочитавшие Ньютона, являются предметом уважительных разговоров. Сэру Исааку Ньютону воздают должное, а Декарту – нет. Поэтому, если некто не испытывает страха по отношению к вакууму, знает, что воздух обладает весом, использует стекло, то все это благодаря Ньютону. Сэр Исаак Ньютон здесь подобен Геркулесу из легенд, которому невежество приписывает все подвиги античных героев».

Спустя примерно сто лет, 28 декабря 1817 г., группа поэтов, включая Вордсворта, собрались в студии художника Бенджамена Хэйдона и поносили его за то, как он изобразил голову Ньютона на своей картине. Они говорили, что он был «человеком, который верил лишь в то, что также ясно, как три стороны треугольника», а Ките добавил, что Ньютон разрушил всю поэтичность радуги, сведя ее к призматическим цветам. Они подняли тост «за здоровье Ньютона и за неразбериху в математике».

Волновая теория со временем становится доминирующей

Как волновая, так и корпускулярная теории приводили к горячим спорам среди их приверженцев, пока эксперименты и теоретические рассмотрения Т. Юнга (1773-1829), Е. Л. Малюса (1775-1812), Л. Эйлера (1707-1783), А. Френеля (1788-1827), Йозеф Фраунгофера (1787-1826) и др. не подтвердили первую теорию.

Леонард Эйлер – великий швейцарский математик, член Академий наук Польши и России – привлек внимание Европы серией писем, опубликованных в 36 изданиях на девяти языках, написанных между 1760 и 1762 годах к немецкой принцессе Анхальт-Дессау, которая спрашивала его мнения по каждому аспекту науки. Касаясь солнечного света, Эйлер задавался вопросом: «Что собой представляют эти лучи? Это, без сомнения, один из важнейших вопросов физики» и добавлял, что, безусловно, поддерживало волновую теорию, что лучи Солнца «соотносятся с эфиром таким же образом, как звук соотносится с воздухом».

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления (электромагнетизм) в общей форме и из которых можно предсказать существование света. Электромагнитные волны получаются за счет колебаний в пространстве и во времени электрических и магнитных полей. Они распространяются с впечатляющей скоростью 300 000 км∙с ^-1, т.е. с той же скоростью, с которой, согласно измерениям, сделанным уже в 1675 г. Рёмером и позднее с высокой точностью И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., распространяется свет. Максвелл предложил способ искусственного получения этих волн, и в 1887 г. Г. Герц (1857—1894) действительно смог получить электромагнитные волны с длиной волны порядка метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе с Ньютоном и Эйнштейном как один из трех величайших гениев физики. Не случайно у Эйнштейна в его кабинете в Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился в Эдинбурге (Шотландия) в семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов в Шотландии и стал членом их семьи. Он построил дом вблизи Глейнэйра, куда семья переехала вскоре после рождения Джеймса. Когда ему исполнилось восемь лет, его мать (с которой он был очень близок) умерла, и он остался с любящим отцом, который так и не женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи и любил животных. У него было слабое здоровье, и он часто болел. Еще в школьные годы он заинтересовался математикой и геометрией. Его преподаватель в Эдинбургском университете профессор Джеймс Д. Форбс (1809—1868), который в течение многих лет был его наставником, представил в Эдинбургское Королевское общество одну из первых математических работ Максвелла 1846 г., касающуюся описания некоторых кривых. С 1847 по 1850 г. он учился в местном университете. В 1849 г. его профессор по математике Келланд представил в Эдинбургское Королевское общество еще одну его работу по кривым, а в 1850 г. работу по равновесию упругих тел. В эти же годы Максвелл интересовался цветным зрением. Он в 1850 г. поступил в Кембриджский университет и в 1855 г. получил ученую степень. Здесь он стал членом престижного Клуба Апостолов и в нескольких выступлениях показал свою глубокую заинтересованность в этико-философских, религиозных, логических и методологических вопросах. При подготовке к экзаменам на степень он стал интересоваться электричеством и магнетизмом. В то же время он изучил рыбий глаз и, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р. К. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла в Кембридже не нашлось места, и он возвратился в Шотландию. С 1856 по 1860 г. он был профессором натуральной философии в Маришаль колледже Абердина. Эта должность хоть и не давала большого дохода, зато летние каникулы предоставляли массу свободного времени. Максвелл мог проводить шесть месяцев в своем имении Глейнэйра. В это же время он женился. Один из его студентов в Абердине, Давид Гилл (1843—1914), который позднее стал пионером применения фотографии в астрономии и Королевским Астрономом, так описывает уроки Максвелла:

«В те дни профессор был немногим лучше школьного учителя, а Максвелл не был хорошим учителем. Лишь четверо или пятеро из нас в классе с семьюдесятью или с восьмьюдесятью учениками получали от него знания. Мы оставались с ним на пару часов после лекций, до тех пор, пока его ужасная жена не утаскивала его на скудный обед в 3 часа дня. Сам он был симпатичным и очаровательным – часто задумывающимся и внезапно пробуждающимся чтобы сказать, о чем он размышлял. Многое мы не могли понять в то время, но впоследствии вспоминали и осознавали».

Исследования стабильности колец Сатурна позволили ему в 1857 г. выиграть приз и утвердили его как одного из лучших математических физиков своего времени. Проанализировав эту проблему, он получил вывод, что кольца образованы многими частицами, что в настоящее время подтверждается более точными астрономическими наблюдениями. С 1860 г. до 1865 г. он работал в Королевском колледже в Лондоне, где тщательно разрабатывал свои принципиальные работы, там же он встретился и часто общался с Майклом Фарадеем (1791—1867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

В 1865 г. почувствовав усталость, он на шесть лет уединился в своем доме в Гленлэре. Покидал он его только для коротких путешествий, одно из которых было в Италию в 1867 г. В Гленлэре, он закончил свою кинетическую теорию газов и написал свой знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. В отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Эйнштейн сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля», а Больцман вопрошал: «Разве это не Бог, кто написал эти символы?»

В 1871 г. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики в Кембридже и стал директором Кэвендишской лаборатории. Эта лаборатория была организована, в октябре 1870 г., когда герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории и обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем одного из родственников герцога, Генри Кэвендиша (1731—1810), который посвятил свою жизнь химии и экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая по организации лаборатории, находил время для своего труда, который он опубликовал двумя годами позднее (1873). Он умер в Кембридже 5 ноября 1879 г.

Благодаря ему, мы обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, а также термодинамики и кинетической теории газов, в которой он является одним из основателей наряду с Людвигом Больцманом (1844—1906) и Джошуа Виллардом Гиббсом (1839—1903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим из огромного числа атомов или молекул, которые свободно движутся в пространстве, соударяясь друг с другом и со стенками сосуда. С помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил связь между температурой газа и скоростью его молекул, хотя соотношение, которое он нашел, было ошибочным. Это также исследовалось англичанином Джеймсом П. Джоулем (1818—1889) и немцами Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) и Людвигом Больцманом. Максвелл вывел из теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. Он получил выражения для давления, вязкости, диффузии и др. Он вывел теорему равнораспределения энергии, о которой мы будем говорить в дальнейшем. Максвелл рассматривал два возможных способа описания газа. Один основан на законах динамики и описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Это дает полное описание системы. Другой метод является статистическим по природе и не принимает во внимание знание поведения индивидуальной молекулы, а имеет дело с огромным числом молекул. Система рассматривается, используя законы статистики. Это позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура и др.

Максвелл также интересовался теорией цветов, он развил и дополнил теорию физика и врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений в основных цветах, для которых в человеческом глазу имеются три вида соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, из которых можно получить все цвета, как красный, синий и зеленый, и указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием в глазу одного из трех рецепторов. Он указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, а затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. Он практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества в 1861 г., сделав фотографию закрученной в узел ткани с шотландским национальным рисунком. Эта была первая цветная фотография, полученная методом, который в существенных чертах используется и в наше время.

Однако теория электромагнитного поля – наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.

В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.

Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (1778—1829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 1813—1815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

В 1821 г. он, продолжая эксперименты датского физика Г. К. Эрстеда (1777—1851), показал, что магниты оказывают механическое действие на проводники, по которым протекает электрический ток. Позже он изучал явления электролиза, выраженные в законах, носящих его имя. В 1830– 1831 гг. он открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий – действие магнитного поля на поляризованный свет (эффект Фарадея) и диамагнетизм. В 1862 г. он пытался изучить действие магнитного поля на спектры света, пионерские исследования, которые позднее с успехом были выполнены П. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея и других исследователей, показав, что явления электрических и магнитных явлений тесно связаны, и в некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться в виде волны. Отсюда следует, что свет является волной такого вида. Электромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл и его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения на основе механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические и магнитные поля являются реальностью.

Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения

Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира и замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию и интерференцию, а также другие явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается в свойствах волны. Белый свет есть ни что иное, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (рис. 6), т.е. расстоянием между двумя соседними пиками волны. В видимой области эта длина волны обычно измеряется в ангстремах (один ангстрем или А° равен 10 ^-8см) и видимая область простирается от ~3800 А° (фиолетовый свет) до 7000 А° (красный свет). Число пиков волны, проходящих в секунду через заданную точку, является частотой волны и измеряется в герцах (Гц). Произведение длины волны и частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет в вакууме длину волны 5500 А°, распространяется со скоростью 300000 км с ^-1и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Излучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, а справа – соответствующие длины волны