Природа света

Проф. П. РЫМКЕВИЧ

За триста лет до нашей эры греческий математик Евклид первый положил начало учению о свете — отделу физики, который мы называем оптикой.

Евклид установил, что лучи света распространяются прямолинейно, и дал законы их отражения. Спустя три с половиной века знаменитый Птоломей изучил отражение света от плоских и изогнутых зеркал, а Клеомед описал явление преломления света, т. с. он выяснил, что при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную луч меняет свое направление.

С возникновением христианства наступил период застоя науки. Изучение природы считалось делом «суетным и ложным». Длилось это пятнадцать веков. Наука о свете не развивается. Только в конце шестнадцатого и начале семнадцатого веков вновь появляется интерес к точному познанию природы. С этого времени начинает развиваться быстро оптика.

*

В 1666 г. Исаак Ныотон произвел свой знаменитый опыт разложения белого луча. Через отверстие в ставне затемненной комнаты он пропускал пучок лучей от солнца на противоположную стену, где и получалось белое изображение щели. Когда же на пути лучей Ньютон поставил трехгранную стеклянную призму, он увидел па противоположной стене изображение растянутой щели, окрашенное в разные цвета. Ньютон объяснил это тем, что, проходя через призму, лучи света отклоняются к ее основанию, однако, при этом часть лучей отклоняется сильнее, а другая часть менее сильно. Наиболее отклонившиеся лучи вызвали окрашивание в фиолетовый цвет, наименее же отклонившиеся —  в красный.

Исаак Ньютон (1643—1727)— английский физик, предложивший "корпускулярную теорию света".

Явление разложения белого луча на цветные носит название дисперсии света, а получившееся цветное изображение щели именуется спектром. Внимательно рассматривая спектр, можно заметить следующий порядок расположения цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Однако эти цвета не резко разграничены друг от друга, а постепенно переходят от одного к другому, давая бесконечное количество различных оттенков.

Итак, опыт Ньютона заставил его прийти к заключению, что белый луч является лучом сложным, состоящим из множества цветных лучей. Если взять круг и окрасить его отдельные секторы соответственно цветам спектра, а затем привести его в быстрое вращение, то круг будет казаться нам белым, т. е. отдельные цвета, сливаясь вместе, создадут впечатление белого цвета.

Чем же отличаются друг от друга лучи света различных цветов и какова вообще природа света?

Ньютон высказал предположение о природе световых явлений, получившее название теории истечения. Он полагал, что светящиеся тела испускают из себя частицы (корпускулы), поток которых представляет луч. Встречая на своем пути поверхность какой-либо среды, например поверхность стекла, частицы отскакивают от нее совершенно так же, как мячик отскакивает от поверхности пола, т. е. под таким же углом, под каким он упал. Таким образом происходит явление отражения света. При переходе луча из одной среды в другую меняется скорость движения частиц, что вызывает изменение их первоначального направления, т. е. происходит преломление света.

Лучи света, соответствующие различным цветам, отличаются друг от друга, по предположению Ньютона, размерами корпускул. Красные лучи являются потоком наиболее крупных, корпускул, фиолетовые — наоборот, самых мелких. Явление дисперсии, т. е. разложения белого луча, Ньютон объяснял тем, что стекло призмы притягивает к себе корпускулы, вызывая отклонение их к основанию призмы. Белый луч состоит из различных корпускул. Наиболее мелкие корпускулы, соответствующие фиолетовому лучу, отклоняются сильнее всего. Наиболее же крупные корпускулы красного луча, обладающие наибольшей массой, характеризуются большей инертностью, вследствие чего они слабее других меняют свое первоначальное направление, и поэтому меньше всех отклоняются к основанию призмы.

Помещая такую стеклянную призму на пути света, Ньютон в 1866 г. разложил солнечный луч на составляющие его цвета.

Ньютон гак удачно приспособил теорию истечения ко всем известным в то время оптическим явлениям, что все ученые приняли его точку зрения, и теория истечения сделалась общепризнанной.

*

Еще раньше чем появилась теория Ньютона, итальянский физик Гримальди высказал предположение о волнообразной природе света, и знаменитый ученый Гук развил эту

идею. Но особенно яркое развитие волновая теория получила благодаря работам голландского физика Христиана Гюйгенса (вторая половина XVII века), с именем которого всегда и связывается это учение.

Теория эта сыграла чрезвычайно важную роль в истории оптики.

Христиан Гюйгенс (1622—1695) — голландский физик, автор волновой теории света, разработанной в 1680 г.

Сопоставляя явления звука и света, можно подметить между ними весьма интересное сходство. Встречая на своем пути преграду, звуковые лучи отражаются совершенно так же, как отражаются лучи света. Если перед вогнутым зеркалом поместить карманные часы, то звуковые лучи, отражаясь от поверхности зеркала, будут собираться в некоторой точке (фокусе); поместив туда ухо, мы ясно услышим их ход. Если вместо часов поместить в это же место источник света или нагретое тело, то световые или тепловые лучи точно так же отразятся от зеркала и соберутся в том же самом фокусе.

Звук, исходящий oт этого колокольчика, распространяется в просгранстве сферическими волнами.

Звук и свет преломляются одинаково. Переходя из одной среды в другую, и световые и звуковые лучи меняют свое первоначальное направление, преломляются, подчиняясь одним и тем же законам. Итак, между природой звука и света есть, по-видимому, нечто общее. Природа звука в XVII столетии была уже хорошо известна: он передастся посредством колебаний. Вполне естественно было высказать предположение, что и свет распространяется посредством каких-то колебаний.

Мы знаем, что для распространения звука нужна материальная среда, — в пустоте звук не распространяется. Если свет также передается посредством колебаний, то, очевидно, для его распространения нужна некоторая передающая среда. Однако мы знаем, что пространство между Солнцем и Землею лишено материи. Как же передастся свет от Солнца через громадное безвоздушное пространство?

Теория Гюйгенса предполагает, что полной пустоты в природе не существует, а все мировое пространство заполнено особой материей, отличающейся в высшей степени малой плотностью, но громадной упругостью. Эта материя получила название мирового или светового эфира. Частицы эфира заполняют не только пустоту, но и пространство между молекулами тел. Свет передастся посредством колебания частиц эфира.

Этот рисунок был помещен 250 лет назад в сочинении Гюйгенса. Каждая точка пламени (А, В, С...,) является центром колебаний.

Волновая теория света не получила при жизни Гюйгенса распространения, так как ее вытеснила гипотеза истечения Ньютона, господствовавшая в науке почти полтора столетия.

*

В 1800 г. английский физик Томас Юнг вновь выдвигает забытую теорию Гюйгенса, но вскоре сам начинает терять веру в нее, так как не может объяснить с ее помощью некоторых оптических явлений, в то время как другие ученые очень удачно их объясняют теорией Ньютона. Гипотеза истечения света берет верх, но ненадолго. В 1818 г. французский физик Августин Френель представляет парижской академии наук свой знаменитый трактат но оптике, который решает борьбу двух гипотез окончательно в пользу волновой теории.

Томаю Юнг (1773-1829) - английский физик, вновь выдвинувший забытую теорию света Гюйгенса.

Августин Френель (1787-1826) - французский физик, развивший волновую теорию света.

Каждый звук мы характеризуем его силой и высотой. Подобно этому свет можно охарактеризовать двумя признаками — силой и цветом. Точно так же, как сила звука зависит от размахов звучащего тела и расстояния до него, так и освещенность зависит от размахов колебания частиц эфира в месте возникновения этих колебаний и дальности расстояния освещаемой поверхности от источника света.

Высота звука характеризуется числом колебаний, совершаемых звучащим телом в секунду. Чем колебаний больше, тем звук выше. Соответствующим высоте звука понятием в оптике является цвет. Лучи различных цветов отличаются друг от друга числом колебаний частиц эфира в секунду. Обычно характеризуют лучи различных цветов соответствующей длиной волны. Длиной волны называется то расстояние, на которое распространяются колебания от данной частицы за время, пока она совершает одно законченное колебание. Если в секунду частица эфира совершает v колебаний, то расстояние, на которое распространяются колебания в эту секунду, т. е. скорость света с, очевидно, равна длине волны λ умноженной на v: с=λ×v

Зная скорость света и длину волны, можно найти частоту колебаний и, наоборот, зная частоту колебаний и скорость света, можно вычислить длину световой волны.

В 1800 г. Вильям Гершель открыл, что за красной частью спектра имеется еще невидимая глазом часть. Лучи, соответствующие этой части спектра, получили название ультракрасных или инфракрасных. Лучи эти можно обнаружить по их тепловому действию. Всякое тело, нагретое выше окружающей среды, испускает инфракрасные лучи, и лишь при достижении температуры в 500° к излучению инфракрасных лучей добавляются видимые красные лучи. Длина волн инфракрасных лучей больше длины видимых световых лучей. В настоящее время известны инфракрасные лучи с длиной волны в 0,0343 см, т. е. во много раз больше длины видимых световых лучей, длина которых колеблется от 0,000076 см (для крайних красных) до 0,000040 (для крайних фиолетовых). После короткого, сравнительно слабо изученного промежутка идет область колебаний с длинами волн от 0,3 до сотен километров. Это лучи Герца или радиоволны. В радиотехнике применяются колебания с длиною волны чаще всего в пределах от 30 до 30 тыс. метров. Природа радиоволн ничем не отличается от природы инфракрасных или же видимых световых лучей. Это такие же колебания, отличающиеся друг от друга только своей частотой или, иначе говоря, длиной волны.

Подобно тому как за красной частью спектра лежит область невидимых глазом инфракрасных лучей, так и за границей фиолетовой части спектра лежит область невидимых глазом лучей, названных ультрафиолетовыми. Эти лучи были обнаружены в 1801 г. Ульстеном. Они обладают способностью производить химические реакции, ими широко пользуются в медицине для лечения накожных болезней и некоторых других целей. Наиболее короткие ультрафиолетовые волны приблизительно в 100 раз короче видимых фиолетовых лучей. Однако лучи Рентгена и гамма-лучи радиоактивных веществ обладают еще более короткой волной, чем ультрафиолетовые лучи.

Если колеблющаяся пластинка совершает 30 колебаний в 1 сек., то наше ухо воспринимает эти колебания в виде звука. Мы говорим, что пластинка издает звук. Если же она стала бы совершать менее 16 колебаний в 1 сек., то наше ухо не обнаружило бы их. Какая же разница в колебаниях пластинки с 30 или 10 колебаниями в 1 сек.? С точки зрения механики — никакой. И то и другие по своей природе совершенно одинаковы. Но с точки зрения их физиологического действия на наш организм они совершенно различны: одни колебания наше ухо способно воспринять, а другие — нет.

Совершенно такое же различие, между радиоволнами, инфракрасными, видимыми световыми, ультрафиолетовыми и рентгеновыми лучами. Все это так называемые гармонические колебания частиц мирового эфира. Природа их совершенно одинакова, разница лишь в частоте колебаний. Между вибрациями пластинки с 10, 30 или 1000 колебаний в 1 сек. не больше разницы, чем между радиоволнами, видимыми световыми лучами и лучами Рентгена. Наш глаз способен, однако, непосредственно воспринимать из громадного многообразия различных колебаний лишь очень узкую область их, т. е. те колебания, которые мы именуем световыми.

Физики установили, что радиоволны есть волны электромагнитные. Несомненно все виды колебаний в мировом эфире, с которыми мы только что познакомились, представляют собой также электромагнитные волны, так как природа их всех одинакова.

Английский ученый Максвелл первый высказал мысль о том, что свет есть явление электромагнитное. Световые волны возникают в пространстве вследствие электрических колебаний, происходящих в источниках света. Электромагнитная теория света не уничтожила волновой теории Гюйгенса — Юнга—Френеля, а придала ей только более глубокий смысл.

*

В 1900 г., на рубеже двух столетий, Макс Планк в Берлине выступил с новой гипотезой, получившей название квантовой. В 1905 г. известный физик и математик Эйнштейн прочно обосновал эту теорию. Согласно квантовой теории энергия, подобно материи, имеет как бы атомное строение, т. е. состоит из отдельных «порций» или «квантов энергии». По этой теории при всех явлениях природы передача энергии происходит не непрерывно, а отдельными мелкими порциями, которые и именуются квантами. Таким образом световой луч представляет собой поток квантов.

Альберт Эйнштейн (род. 1879 г.), —один из авторов квантовой теории света и теории относительности.

Целый ряд экспериментальных исследований неопровержимо доказал, что кванты света, которые последнее время называют «фотонами», имеют столь же реальное существование, как протоны или электроны. Это легко проследить при так называемом фотоэлектрическом эффекте, при котором освещение металла ультрафиолетовыми или рентгеновыми лучами заставляет электроны вырываться из него. В этом случае энергия каждого отдельного фотона превращается в кинетическую энергию отдельного электрона. Можно проследить и обратное явление. Если подвергнуть металлическую пластинку, помещенную в так называемую рентгеновскую трубку, действию потока быстрых электронов, то при этом будут возникать рентгеновы лучи, т. е. потоки фотонов. Для видимого света масса фотонов в сотни тысяч раз меньше массы электронов, для фотонов же гамма-лучей радиоактивных веществ масса приблизительно равна массе электрона. То обстоятельство, что каждому фотону можно приписать определенную массу, особенно блестяще подтвердилось открытием Артура Комптона, сделанным им в 1923 г. Комптон показал, что при столкновениях между электронами и световыми квантами (фотонами) соблюдаются закон сохранения энергии и закон сохранения количества движения, причем у фотонов количество движения также измеряется произведением их массы на скорость движения, т. е. скорость света.

Если сопоставить квантовую теорию с гипотезой истечения Ньютона, то между ними следует отметить нечто общее. Действительно, замените слово «корпускула» Ньютона словом «квант» (фотон), и вы получите примерно одинаковую картину природы света. Таким образом квантовая теория в известной мере напоминает корпускулярную теорию Ньютона.

До 1924 г. в области учения о свете была крайне странная двойственность. Рид оптических явлений прекрасно объяснялся волновой теорией, причем квантовая теория этих явлений объяснить не могла. Другие явления, наоборот, блестяще объяснялись квантовой теорией, а волновая теория была бессильна их разъяснить. Эти две теории на первый взгляд противоречат друг другу.

Однако в 1925 г. появилось учение французского ученого Луи де-Бройля, гениально объединившее обе теории — и волновую и квантовую. Это учение получило название волновой механики.

Волновая механика не отмечает никакой принципиальной разницы между потоком электронов, протонов, атомов и световым лучом, т. е. потоком фотонов. Фотоны также материальны, как и электроны или протоны. Законы же распространения потока электронов или других материальных частиц есть волновые законы. Отсюда делается вывод, что поток любых частиц можно рассматривать как некоторый колебательный процесс, характеризуемый определенной длиною волны.

Волновая механика прекрасно объясняет, например, так называемое явление интерференции света, перед которым квантовая теория оказалась бессильной. Если в одну точку падают одновременно два луча, то в этой точке мы не всегда получим усиление освещения. Может быть как раз обратное явление. Второй луч не усилит освещение, даваемое первым, а, наоборот, ослабит его и даже может создать полное отсутствие света. Это явление носит название интерференции.

Волновая теория объясняет это явление так. Если второй луч даст свои колебания в такт колебаниям, созданным в данной точке первым лучом, мы получим усиление света. Если же колебания, созданные вторым лучом, придутся не в такт колебаниям первого луча, то произойдет ослабление освещенности.

Многочисленные опыты более позднего времени с несомненностью установили, что потоку электронов, прогонов, альфа-частиц, словом любых материальных частиц, присущи все свойства световых лучей.

Итак, свет мы можем представить себе как поток квантов, которые распространяются в пространстве по волновым законам.