Ландсберг Г.С. - Оптика, страница 6

Согласно Эйлеру, электричество есть не что иное, как нарушение равновесия эфира: тела, в которых плотность эфира становится больше, чем в телах окружающих, оказываются наэлектризованными положительно; отрицательная электризация связана с уменьшением плотности эфира. Эйлер не распространял свою теорию на магнитные явления, поскольку электрическая природа магнетизма не была еще известна. Эти соображения были развиты Эйлером в его знаменитых «Письмах к немецкой принцессе», написанных в 1760 1761 гг. и изданных в Петербурге (1768 1772 гг.) во время второго пребывания Эйлера в России, куда он прибыл уже после смерти Ломоносова, с которым он состоял в постоянной дружеской научной переписке.

Поэтому не исключено, что указанные представления сложились у Эйлера под влиянием идей Ломоносова. Эфир Френеля — Юнга (начало Х1Х века), в отличие от эфира Ломоносова — Эйлера, был связан с истолкованием только оптических явлений. Несколько позже Фарадей для истолкования электрических и магнитных взаимодействий ввел также понятие гипотетической вещественной среды, состояние которой (упругие натяжения) должно было объяснить наблюдаемые на опыте эффекты взаимодействия между зарядами и между токами.

Идеи Максвелла об электромагнитной природе света позволили объединить светоносный и электромагнитный эфир, сделав его носителем всех электромагнитных явлений. Возникновение электромагнитного поля, равно как и распространение его, представлялось как изменение состояния эфира, могущее распространяться от точки к точке с определенной скоростью. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред привело к представлению, что эфир, проникая во все тела, остается неподвижным при движении этих тел (Лорентц, см.

з 130). Таким образом, физические характеристики эфира становятся все менее реальными. В представлении Лорентца (последние годы Х1Х века) эфир есть безграничная неподвижная среда, единственной характеристикой которой является лишь определенная скорость распространения в ней электромагнитных возмущений и, в частности, света (с = 2,998 10 м~'с). Однако представление об эфире как о неподвижной среде, которая могла, следовательно, быть избранной в качестве системы отсчета, позволяя, таким образом, выделить абсолютное движение, пришло в противоречие с опытами (например, опыт Майкельсона, см. ~ 131) и его нельзя было сохранить. Релятивистская электродинамика, пришедшая на смену электродинамике Лорентца (слл. ~ 131), вообще отказалась от представления об эфире, играющем роль материального носителя электромагнитных процессов. То обстоятельство, что свет (электромагнитное поле) и вещество представляют собой две различ- ГЛ.

Е КРАТКОЕ ИСТОРИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ ные формы материи, с особенной отчетливостью проявляется в превращениях кванта света в пару электрон позитрон и обратно, в образовании светового кванта за счет объединения позитрона и электрона. Наряду с теми трудностями, к которым приводила электронная теория Лорентца, опиравшаяся на представление о неподвижном эфире, выяснились и другие затруднения этой теории. Она оставляла неразьясненными многие особенности явлений, касающихся взаимодействия света и вещества. В частности, не получил удовлетворительного разрешения вопрос о распределении энергии по длинам волн в излучении накаленного черного тела.

Накопившиеся затруднения вынудили Планка сформулировать теорию квантов (1900 г.), которая переносит идею прерывности (дискретности), заимствованную из учения о молекулярном строении вещества, на электромагнитные процессы, в том числе и на процесс испускания света. Теория квантов устранила затруднения в вопросах излучения света нагретыми телами; она по-новому поставила всю проблему взаимодействия света и вещества, понимание которой невозможно без квантовой интерпретации, Целый ряд оптических явлений, в частности фотоэлектрический эффект и вопросы рассеяния света, выдвинул на первый план корпускулярные особенности света.

Процесс развития теории квантов, ставшей основой современного учения о строении атомов и молекул, продолжается и ныне. Кратко очерченная нами картина развития руководящих оптических теорий показывает, как отразилась в истории оптики борьба двух (на. первый взгляд взаимоисключающих) представлений на природу света — волновых и корпускулярных.

В первый период (Ньютон — Гюйгенс, до начала Х1Х века) противоположение этих представлений имело характер взаимного исключения, и научный прогресс состоял в поисках той экспериментальной базы и создании такой развитой теории, которая позволила бы, углубляя эти противопоставления, яснее понять их природу. Второй период — от Френеля †Юн до возникновения представления о световых квантах (1905 г.) — явился периодом всестороннего развития волновых представ. лений, одержавших, казалось бы, окончательную победу над корпускулярными. Последующий период состоит в накоплении новых, тонких экспериментальных фактов.

открываемых благодаря прогрессу экспериментальных методов; одновременно идет и развитие более углубленных теоретических представлений, связанных с созданием теории квантов. В этот период не только обосновываются корпускулярные воззрения наряду с установленными уже волновыми, но и возникают успешные попытки синтеза тех и других представлений. Современный этап развития оптики, начало которого можно датировать 1960 г., характеризуется новыми, весьма своеобразными чертами. Фундаментальные свойства света — - волновые, квантовые, его электромагнитная природа — находят все более разнообразные и глубокие подтверждения и применения, продолжая служить основой для понимания всей совокупности оптических явлений.

Однако круг этих явлений неизмеримо расширился. В начале 60-х годов были созданы источники с высокой степенью монохроматичности и направлен- 24 ввндкнин ности излучаемого ими света — так называемые опхические квантовые генераторы или лазеры. Распространение лазерного излучения и его взаимодействие с веществом во многих случаях протекает в существенно иных условиях, чем в случае излучения обычных, нелазерных источников, и конкретные явления приобретают совершенно новые, неизвестные ранее черты.

Сказанное относится к отражению, преломлению, дифракции, рассеянию, поглощению и к другим основным оптическим явлениям (см. главы Х1., ХП). Глава П ВОЛНЫ й 3. Образование волны. Волновое уравнение Волновые процессы представляют собой весьма общий класс явлений. Образование волны обусловливается наличием связей между отдельными частями системы, в силу которых понятие изолированного процесса является, конечно, далеко идущей абстракцией. Сравнительно редки случаи, когда процесс, протекающий в какой-либо части пространства, можно рассматривать как изолированный.

Обычно он вызывает соответствующие изменения в соседних точках системы, передавая им некоторое количество энергии. От этих точек возмущение переходит к смежным с ними и т.д., распространяясь от точки к точке, т.е. создавая волну. В зависимости от природы связей, которые обусловливают указанное взаимодействие, мы имеем волну той или иной природы. Упругие силь|, действующие между элементами любого твердого, жидкого или газообразного тела, приводят к возникновению упругих (акустических) волн в телах. Возмущение горизонтальной поверхности воды становится источником поверхностных волн вследствие связей между соседними участками воды, обусловленных силой тяжести и подвижностью частиц жидкости.

Небольшая деформация поверхности жидкости может дать начало капиллярным волнам, вызванным действием молекулярных сил, обусловливающих явления в поверхностном слое. Электромагнитное возмущение, возникшее в каком-либо месте пространства, в силу электромагнитных связей, выражающихся в законах электромагнетизма и электромагнитной индукции, становится источником таких же возмущений в соседних участках пространства, от которых оно передается все далее и далее: возникает электромагнитная волна, которая (по Максвеллу) должна распространяться со скоростью света.

Несмотря на бесконечное разнообразие физических процессов, вызывающих волны, образование волн происходит по одному обгцему типу. Возмущение, происшедшее в какой-нибудь точке в известный момент времени, проявляется спустя некоторое время на, некотором расстоянии от начальной точки, т.е. передается с определенной скоростью. Рассмотрим для простоты распространение возмущения по какому-либо одному направлению х; мы можем изобразить возмуще- гл. н.

волны ние з как функцию координаты х и времени Х: з = ~(х,Й). Легко видеть, что распространение возмущения со скоростью ь вдоль направления х изобразится той же функцией, в аргумент которой 1 и х входят в виде комбинации (о~ — х) или (~ — х/я). Действительно, это строение аргумента показывает, что значение функции, которое она имеет в точке х в момент 1, повторится в несколько более отдаленной точке х + дх в более поздний момент 1 + ~Й, если только ой — х = о(г, + М) — (х+ дх). Таким образом, возмущение за время Ж переместится на расстояние 4х дх, распространяясь со скоростью †.