Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 52 страниц)

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 (16881744): 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,

Р’ Principia Ньютон применил эти соображения Рє выводу закона преломления. Свет представляет СЃРѕР±РѕР№ материальное тело Рё, следовательно, подвержен тем же самым законам механики, которые управляют движением планет. Без внешних воздействий свет распространяется РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№ линии согласно закону инерции, который справедлив для всех материальных тел. Рто соображение напоминает РїРѕРґС…РѕРґС‹ пифагорийцев, которые уже были поддержаны Декартом. РќРѕ точки зрения РѕР±РѕРёС… 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 �сааку 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.

� добавляет:

Очень мало людей в Англии читают Декарта, чьи труды теперь, конечно, бесполезны. Но, с другой стороны, малое число и тех, кто читал сэра �саака, 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 �сааку 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 �саак 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 Рё корпускулярная теории приводили Рє горячим спорам среди РёС… приверженцев, РїРѕРєР° эксперименты Рё теоретические рассмотрения Рў. Юнга (1773-1829), Р•. Р›. Малюса (1775-1812), Р›. Рйлера (1707-1783), Рђ. Френеля (1788-1827), Йозеф Фраунгофера (1787-1826) Рё РґСЂ. РЅРµ подтвердили первую теорию.

Леонард Рйлер великий швейцарский математик, член Академий наук Польши Рё Р РѕСЃСЃРёРё привлек внимание Европы серией писем, опубликованных РІ 36 изданиях РЅР° девяти языках, написанных между 1760 Рё 1762 годах Рє немецкой принцессе Анхальт-Дессау, которая спрашивала его мнения РїРѕ каждому аспекту науки. Касаясь солнечного света, Рйлер задавался РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј: Что СЃРѕР±РѕР№ представляют эти лучи? Рто, без сомнения, РѕРґРёРЅ РёР· важнейших РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРІ физики Рё добавлял, что, безусловно, поддерживало волновую теорию, что лучи Солнца соотносятся СЃ эфиром таким же образом, как Р·РІСѓРє соотносится СЃ РІРѕР·РґСѓС…РѕРј.

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, РІ 1864 Рі., Дж. Рљ. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, Р° РЅРµ СѓРїСЂСѓРіСѓСЋ РїСЂРёСЂРѕРґСѓ световых колебаний, обобщив это РІ знаменитых уравнениях, которые РЅРѕСЃСЏС‚ его РёРјСЏ Рё описывают различающиеся электрические Рё магнитные явления (электромагнетизм) РІ общей форме Рё РёР· которых можно предсказать существование света. Рлектромагнитные волны получаются Р·Р° счет колебаний РІ пространстве Рё РІРѕ времени электрических Рё магнитных полей. РћРЅРё распространяются СЃ впечатляющей скоростью 300 000 РєРј∙СЃ^-1, С‚.Рµ. СЃ той же скоростью, СЃ которой, согласно измерениям, сделанным уже РІ 1675 Рі. Рёмером Рё позднее СЃ высокой точностью Р�. Р›. Физо (18191896) РІ 1849 Рі., распространяется свет. Максвелл предложил СЃРїРѕСЃРѕР± искусственного получения этих волн, Рё РІ 1887 Рі. Р“. Герц (18571894) действительно СЃРјРѕРі получить электромагнитные волны СЃ длиной волны РїРѕСЂСЏРґРєР° метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе СЃ Ньютоном Рё Рйнштейном как РѕРґРёРЅ РёР· трех величайших гениев физики. РќРµ случайно Сѓ Рйнштейна РІ его кабинете РІ Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился РІ РРґРёРЅР±СѓСЂРіРµ (Шотландия) РІ семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов РІ Шотландии Рё стал членом РёС… семьи. РћРЅ построил РґРѕРј вблизи Глейнэйра, РєСѓРґР° семья переехала РІСЃРєРѕСЂРµ после рождения Джеймса. РљРѕРіРґР° ему исполнилось восемь лет, его мать (СЃ которой РѕРЅ был очень близок) умерла, Рё РѕРЅ остался СЃ любящим отцом, который так Рё РЅРµ женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи Рё любил животных. РЈ него было слабое Р·РґРѕСЂРѕРІСЊРµ, Рё РѕРЅ часто болел. Еще РІ школьные РіРѕРґС‹ РѕРЅ заинтересовался математикой Рё геометрией. Его преподаватель РІ РРґРёРЅР±СѓСЂРіСЃРєРѕРј университете профессор Джеймс Р”. Форбс (18091868), который РІ течение РјРЅРѕРіРёС… лет был его наставником, представил РІ РРґРёРЅР±СѓСЂРіСЃРєРѕРµ Королевское общество РѕРґРЅСѓ РёР· первых математических работ Максвелла 1846 Рі., касающуюся описания некоторых кривых. РЎ 1847 РїРѕ 1850 Рі. РѕРЅ учился РІ местном университете. Р’ 1849 Рі. его профессор РїРѕ математике Келланд представил РІ РРґРёРЅР±СѓСЂРіСЃРєРѕРµ Королевское общество еще РѕРґРЅСѓ его работу РїРѕ кривым, Р° РІ 1850 Рі. работу РїРѕ равновесию СѓРїСЂСѓРіРёС… тел. Р’ эти же РіРѕРґС‹ Максвелл интересовался цветным зрением. РћРЅ РІ 1850 Рі. поступил РІ Кембриджский университет Рё РІ 1855 Рі. получил ученую степень. Здесь РѕРЅ стал членом престижного Клуба Апостолов Рё РІ нескольких выступлениях показал СЃРІРѕСЋ глубокую заинтересованность РІ этико-философских, религиозных, логических Рё методологических вопросах. РџСЂРё подготовке Рє экзаменам РЅР° степень РѕРЅ стал интересоваться электричеством Рё магнетизмом. Р’ то же время РѕРЅ изучил рыбий глаз Рё, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р . Рљ. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла РІ Кембридже РЅРµ нашлось места, Рё РѕРЅ возвратился РІ Шотландию. РЎ 1856 РїРѕ 1860 Рі. РѕРЅ был профессором натуральной философии РІ Маришаль колледже Абердина. Рта должность хоть Рё РЅРµ давала большого РґРѕС…РѕРґР°, зато летние каникулы предоставляли массу СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕРіРѕ времени. Максвелл РјРѕРі проводить шесть месяцев РІ своем имении Глейнэйра. Р’ это же время РѕРЅ женился. РћРґРёРЅ РёР· его студентов РІ Абердине, Давид Гилл (18431914), который позднее стал пионером применения фотографии РІ астрономии Рё Королевским Астрономом, так описывает СѓСЂРѕРєРё 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.

�сследования 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 (17911867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

Р’ 1865 Рі. почувствовав усталость, РѕРЅ РЅР° шесть лет уединился РІ своем РґРѕРјРµ РІ Гленлэре. Покидал РѕРЅ его только для коротких путешествий, РѕРґРЅРѕ РёР· которых было РІ Р�талию РІ 1867 Рі. Р’ Гленлэре, РѕРЅ закончил СЃРІРѕСЋ кинетическую теорию газов Рё написал СЃРІРѕР№ знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. Р’ отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Рйнштейн сказал: Специальная теория относительности обязана СЃРІРѕРёРј происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля, Р° Больцман вопрошал: Разве это РЅРµ Бог, кто написал эти символы?

Р’ 1871 Рі. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики РІ Кембридже Рё стал директором Кэвендишской лаборатории. Рта лаборатория была организована, РІ октябре 1870 Рі., РєРѕРіРґР° герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории Рё обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· родственников герцога, Генри Кэвендиша (17311810), который посвятил СЃРІРѕСЋ жизнь С…РёРјРёРё Рё экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая РїРѕ организации лаборатории, находил время для своего труда, который РѕРЅ опубликовал РґРІСѓРјСЏ годами позднее (1873). РћРЅ умер РІ Кембридже 5 РЅРѕСЏР±СЂСЏ 1879 Рі.

Благодаря ему, РјС‹ обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, Р° также термодинамики Рё кинетической теории газов, РІ которой РѕРЅ является РѕРґРЅРёРј РёР· основателей наряду СЃ Людвигом Больцманом (18441906) Рё Джошуа Виллардом Гиббсом (18391903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим РёР· РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРіРѕ числа атомов или молекул, которые СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕ движутся РІ пространстве, соударяясь РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј Рё СЃРѕ стенками СЃРѕСЃСѓРґР°. РЎ помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил СЃРІСЏР·СЊ между температурой газа Рё скоростью его молекул, хотя соотношение, которое РѕРЅ нашел, было ошибочным. Рто также исследовалось англичанином Джеймсом Рџ. Джоулем (18181889) Рё немцами Рудольфом Клаузиусом (18221888) Рё Людвигом Больцманом. Максвелл вывел РёР· теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. РћРЅ получил выражения для давления, вязкости, диффузии Рё РґСЂ. РћРЅ вывел теорему равнораспределения энергии, Рѕ которой РјС‹ будем говорить РІ дальнейшем. Максвелл рассматривал РґРІР° возможных СЃРїРѕСЃРѕР±Р° описания газа. РћРґРёРЅ основан РЅР° законах динамики Рё описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Рто дает полное описание системы. Другой метод является статистическим РїРѕ РїСЂРёСЂРѕРґРµ Рё РЅРµ принимает РІРѕ внимание знание поведения индивидуальной молекулы, Р° имеет дело СЃ огромным числом молекул. Система рассматривается, используя законы статистики. Рто позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура Рё РґСЂ.

Максвелл также интересовался теорией цветов, РѕРЅ развил Рё дополнил теорию физика Рё врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений РІ основных цветах, для которых РІ человеческом глазу имеются три РІРёРґР° соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, РёР· которых можно получить РІСЃРµ цвета, как красный, СЃРёРЅРёР№ Рё зеленый, Рё указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием РІ глазу РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· трех рецепторов. РћРЅ указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, Р° затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. РћРЅ практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества РІ 1861 Рі., сделав фотографию закрученной РІ узел ткани СЃ шотландским национальным СЂРёСЃСѓРЅРєРѕРј. Рта была первая цветная фотография, полученная методом, который РІ существенных чертах используется Рё РІ 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 (17781829) 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 18131815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

Р’ 1821 Рі. РѕРЅ, продолжая эксперименты датского физика Р“. Рљ. Ррстеда (17771851), показал, что магниты оказывают механическое действие РЅР° РїСЂРѕРІРѕРґРЅРёРєРё, РїРѕ которым протекает электрический ток. Позже РѕРЅ изучал явления электролиза, выраженные РІ законах, носящих его РёРјСЏ. Р’ 1830 1831 РіРі. РѕРЅ открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий действие магнитного поля РЅР° поляризованный свет (эффект Фарадея) Рё диамагнетизм. Р’ 1862 Рі. РѕРЅ пытался изучить действие магнитного поля РЅР° спектры света, пионерские исследования, которые позднее СЃ успехом были выполнены Рџ. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея Рё РґСЂСѓРіРёС… исследователей, показав, что явления электрических Рё магнитных явлений тесно связаны, Рё РІ некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться РІ РІРёРґРµ волны. Отсюда следует, что свет является волной такого РІРёРґР°. Рлектромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл Рё его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле СЃ помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические Рё 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^-8 см) 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^-1 и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. �злучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).