Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 52 страниц)
Хотя утверждение, что отношение синусов углов падения и преломления зависит от скоростей света в двух средах, справедливо, Декарт, используя законы механики к малым летящим частицам, которые по его представлению составляют свет, приходил к заключению, которое было неверным. Он считал, что для согласования с экспериментальными наблюдениями, а именно, что в более плотной среде свет отклоняется в меньшей степени, следует предположить, что в ней световые частицы движутся быстрее.
Во всяком случае его теория имела большой успех. Он дал математическое объяснение радуги, рассчитав отражение и преломление света в дождевых каплях, и это рассматривалось его современниками как изумительный результат. Радуга всегда рассматривалась как необъяснимый феномен, вплоть до того времени, когда архиепископ Сплита философ Марко Антонио де Домини (15601624) предположил, что этот феномен возможно связан с дождем и солнцем.
Теория света Декарта быстро заменила средневековые взгляды и способствовала новым знаниям. Однако попытки рационально объяснить природу и возникновение света привели к огромному противоречию в двух созданных и взаимно исключаемых теориях: волновой теории Гука и Гюйгенса, и корпускулярной теории, введенной Декартом и продолженной Ньютоном и его последователями.
ГЛАВА 1
ВОЛНОВАЯ � КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОР�� СВЕТА
Людьми, которые сыграли центральную роль РІ истории теории света, были Гук, Гюйгенс Рё Ньютон. Гук Рё Ньютон были британцами, Гюйгенс голландцем. Р’СЃРµ РѕРЅРё сделали замечательные вклады РІ различные области физики Рё установили РѕСЃРЅРѕРІСѓ современного понимания света, хотя Рё предложили противоречащие теории. РћРґРЅР° была основана РЅР° волновых представлениях, РІ то время как другая рассматривала свет, состоящим РёР· малых частиц. Рти РґРІРµ теории, которые казались непримиримыми, вызвали яростные РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёРё Рё СЃРїРѕСЂС‹ среди последователей Рё РёС… сторонников. Были написаны лавины слов РѕР± этом СЃРїРѕСЂРµ; РјС‹ РЅРµ станем глубоко вникать РІ него, РЅРѕ ограничимся наиболее важными фактами.
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.
РћРЅ начал СЃРІРѕСЋ научную карьеру РІ качестве ассистента хорошо известного английского С…РёРјРёРєР° Роберта Бойля (16271691), который после обучения РІ Р�тоне Рё РІ Женеве приступил Рє исследованиям свойств газов Рё вакуума. Р’ 16581659 РіРі. Гук построил для Бойля вакуумный насос типа того, что РІ 1650 Рі. изобрел Отто фон Герике (16021686) Рё помогал Бойлю РІ демонстрациях, РєРѕРіРґР° тот доказывал, что РІРѕР·РґСѓС… играет важное значение РІ распространении Р·РІСѓРєР°, Р° также необходим для дыхания Рё горения. Р’ тот же самый период Бойль сформулировал знаменитый закон, который РІ Великобритании РЅРѕСЃРёС‚ его РёРјСЏ, Р° РІ континентальной Европе часто связывается СЃ Мариоттом, согласно которому произведение давления газа РЅР° его объем является постоянным, если, как указал Мариотт, температура постоянна. Бойль настолько ценил Гука, что РІ 1662 Рі. назначил его куратором экспериментов РІ Королевском Обществе для улучшения знаний Рѕ РїСЂРёСЂРѕРґРµ Английской академии наук, основанном РёРј РІ 1660 Рі. вместе СЃ РґСЂСѓРіРёРјРё английскими учеными РїРѕРґ покровительством Карла II. Роль Общества была улучшать знания Рѕ природных вещах путем наблюдений Рё экспериментов, Р° РЅРµ обращениям Рє книжным авторитетам: девизом общества было Nullius in Verba (ничего РЅРµ принимать РЅР° слово). РЎ этой целью Общество назначало куратора экспериментов. Р’ этой роли Гук был обязан, РєРѕРіРґР° Р±С‹ РЅРё проводилось заседание, выполнить три или четыре эксперимента, даже если заседание проводилось раз РІ неделю. Рта обязанность была довольно обременительной Рё обязывающей. Однако РѕРЅ выполнял эти обязанности СЃ большим мастерством РІ течение РјРЅРѕРіРёС… лет, РїРѕРєР° РЅРµ 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 РІ том, что свет РІ РІРѕР·РґСѓС…Рµ РЅРµ распространяется строго вдоль РїСЂСЏРјРѕР№ линии, РЅРѕ некоторое освещение можно обнаружить РІ области геометрической тени непрозрачного предмета. Рто явление также уже наблюдалось Рё было опубликовано РІ 1665 Рі. РІ посмертной работе Франческо Мария Гримальди (16131663), 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 (15961687), 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 (16081679), и прокладывая путь для �саака Ньютона.
�з-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 (16081647) ученый, который после Галилея занял кафедру математики Рё философии герцогства Тосканы, показал, что свет очень быстро распространяется как РІ РІРѕР·РґСѓС…Рµ, так Рё РІ вакууме. Рто дало основание Гюйгенсу полагать, что среда, РІ которой распространяется свет, должна пронизывать РІСЃРµ вещества Вселенной Рё даже так называемый вакуум. Рту среду РѕРЅ назвал эфиром. Соответственно свет является возмущением этого эфира, состоящего РёР· СѓРїСЂСѓРіРёС… колебаний, которые распространяются СЃ большой скоростью РІ этой высоко СѓРїСЂСѓРіРѕР№ Рё тонкой среде. Р’ 1675 Рі. датчанин Олаф Рёмер (16441710) уже измерил скорость света РёР· астрономических наблюдений, получив значение 214 300 РєРј/СЃ, которое РЅР° треть меньше современного значения около 300 000 РєРј/СЃ.
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.
Р� Гук, Рё Гюйгенс предполагали, что свет представляет СЃРѕР±РѕР№ быстрое колебательное движение эфира. Рфир определялся, как особая среда, упругая Рё СЃ необходимостью твердая, РЅРѕ которая столь тонка (весьма несовместимые свойства), что заполняет РІСЃРµ пространство внутри Рё РІРЅРµ материальных тел. Рто колебательное движение может напоминать, как писал Гюйгенс, волны РЅР° РІРѕРґРµ, получающиеся РїСЂРё падении камня.
