Архипкин В.Г., Патрин Г.С. Лекции по оптике (2006) (1095916), страница 2
Текст из файла (страница 2)
лет до н.э.) и использовалось еще в древнем Египтепри строительных работах. Пифагор (6 век до н.э.) высказал мысль, что тела видныблагодаря испускаемым ими частицами. Аристотель (5 век до н.э) считал, чтосвет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Он такжезанимался атмосферной оптикой, а радугу объяснял отражением света каплями воды.Школа Платона сформулировала два важнейших закона геометрической оптики –прямолинейность лучей света и равенство углов падения и отражения.
Евклид(3 век до н.э.) в своих трактатах рассматривал возникновение изображений приотражении от зеркал.5Главный вклад греков, явившийся первым шагом в развитии оптики как науки,состоит не в их гипотезах и догадках о природе света, а в том, что они нашлизаконы его прямолинейного распространения и отражения (катоптрика) и умелиими пользоваться.Следующий важный шаг – понимание законов преломления (диоптрика), былсделан много веков спустя. В средние века хорошо были известны эмпирическиеправила построения изображений, даваемых линзами, начало развиваться искусствоизготовления линз. В XIII веке были изобретены очки, около 1590 г. – двухлинзовый микроскоп (З.Янсен).
В 1609 г. Галилей построил первый телескоп, с помощьюкоторого сделал ряд астрономических открытий. Точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 г. (В.Снелль, Р.Декарт).Декарт в 1637 г. опубликовал свою знаменитую "Диоптрику". Около 1660 г. былсформулирован П.Ферма принцип Ферма. Этим был завершен фундамент построения геометрической оптики.Дальнейшее развитие оптики связано с открытием явлений дифракции (1665 г.,Ф.Гримальди) и интерференции света, и двойного лучепреломления (1669 г.,Э.Бартоллини), которое не поддавалось истолкованию в рамках геометрическойоптики, а также с работами И.Ньютона, Р.Гука и Х.Гюйгенса.И.Ньютон (1643-1727) обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность интерференции, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, согласно которой свет – это поток частиц, действующийна эфир, введенный Декартом ( механическая среда – переносчик света) и вызывающих в нем колебания.
Движением световых частиц через эфир переменной плотности(из-за колебаний) и их взаимодействием с материальными телами по Ньютону обусловлены отражение и преломление света, цвета тонких пленок, дифракция света иего дисперсия. Ньютон подробно изучил эти явления. При этом он не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этомпути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучейи поляризацию света, впервые осознанную именно Ньютоном и следовавшую изклассических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению. По Ньютону, поляризация – изначальное свойство света, объясняемое определенной ориентациейсветовых частиц по отношению к образуемому ими лучу.Х.Гюйгенс (1629-1695), следовал идеям Леонардо да Винчи и развивал работыГримальди и Гука, исходя из аналогии между акустическими и оптическими явлениями.
Он считал, что световое возбуждение – это импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. Заметим, чтоИ.Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Гук и Ньютон – конечной.Первое экспериментальное измерение скорости света произвел О.Ремер. Огромнымвкладом Гюйгенса в оптику является установление им принципа, согласно которомукаждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных сферических волн, огибающая которых представляет собой фронтреальной распространяющейся волны в последующие моменты времени (принципГюйгенса-Френеля).
Опираясь на этот принцип, Гюйгенс объяснил законы отражения и преломления света. Причем из его теории следовало правильное выражениедля показателей преломления: n21 = v1 /v2 , где v1,2 – скорости света в первой и вовторой среде. Он также объяснил двойное лучепреломление. Однако, сформулировавфундаментальный принцип, Гюйгенс не разработал последовательной волновой теории, которая могла бы противостоять воззрениям Ньютона. Поэтому корпускулярная6теория истечения света сохранила свое господствующее положение до начала XIXвека.Победа волновой оптики связана с работами Т.Юнга и О.Френеля. Юнг ввелпринцип интерференции (1801) и на этой основе объяснил цвета тонких пленок.Френель, используя принцип Гюйгенса, дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света и многочисленным дифракционнымявлениям. В опытах Френеля и Д.Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют.
Это позволило Юнгу инезависимо от него Френелю высказать важную идею о поперечности световыхколебаний, исходя из которой последний построил теорию кристалло-оптическихявлений.Т.о. все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Вместе с тем представления о поперечности колебаний эфира привели кнеобходимости наделения его противоречивыми свойствами, в частности, твердоготела, в котором свободно перемещаются тела.
Эти трудности были преодолены лишьпри последовательном развитии учения об электромагнитном поле Дж.Максвеллом.Основываясь на открытиях М.Фарадея, Дж.Максвелл пришел к выводу, что светесть электромагнитное поле, а не упругая волна эфира. Первым указанием нанепосредственную связь электромагнетизма со светом было открытое Фарадеем явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (1848). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадают со скоростью света c(В.Вебер, Ф.Кольрауш, 1856).
Максвелл теоретически показал (1865), а Г.Герцподтвердил экспериментально, что электромагнитное поле распространяется в ваку√уме с этой скоростью. В прозрачной среде скорость света v = c/n = c/ εµ. Ф.Леру(1862) обнаружил явление аномальной дисперсии, т.е. рост показателя преломления с увеличением длины волны света.
А.Кундт показал, что это явление связанос поглощением и присуще многим веществам. Эти и последующие открытия привели к представлению о веществе как совокупности осцилляторов, с которымивзаимодействует свет (В.Зельмейер, 1872).В 90-х годах XIX века П.Друде, Г.Гельмгольц и, в особенности, Х.Лоренц(1896) при создании электронной теории строения вещества объединили идею обосцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представлениеоб электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способности совершатьв них колебания, позволило описать многие оптические явления, в т.ч.
нормальнуюи аномальную дисперсию. Рэлей (1890) создал основы статистической оптики(излучение ансамбля осцилляторов, рассеяние света). Д.С.Рождественский (1912)выполнил наиболее точные работы по аномальной дисперсии света, хорошо согласующиеся с электронной теорией. П.Зееман (1986) наблюдал, а Лоренц (1897) объяснил действие магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов. В полномсогласии с теорией Максвелла оказалась и величина светового давления (впервыевысказал Кеплер), измеренная П.Н.Лебедевым (1899).Т.о. построение электромагнитной теории света и дополнение ее электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось крупнейшим этапом вразвитии оптики.7Электромагнитная теория света стала отправным пунктом при создании теорииотносительности.
Данные оптических опытов с движущимися средами наблюдателями относительно источника излучения противоречили теоретическим представлениям того времени. Юнг (1804) для объяснения аберрации (искажения изображения)неподвижного, неувлекаемого Землей эфира. Френель (1818), напротив, для независимости показателя преломления тел от движения (наблюдения Араго), необходимочтобы тела частично увлекали эфир. Этот вывод был подкреплен опытом Физо.Электродинамика движущихся сред, развитая Лоренцем (1896) в рамках электронной теории, также приводила к частичному увлечению эфира. Классический опытМайкельсона (1881), а также опыт Майкельсона-Морли (1887) не обнаружили такого увлечения (эфирного ветра).
Этот и ряд других опытов, противоречивших представлениям о среде-переносчике электромагнитных колебаний нашли объяснение всозданной А.Эйнштейном специальной (частной) теории относительности (1905),приведшей к кардинальному пересмотру классической физики и устранению необходимости в эфире и других гипотетических сред-переносчиках света.Плодотворность классической электродинамической теории света МаксвеллаЛоренца неоднократно подтверждалась в дальнейшем, например, в истолкованииИ.Таммом и И.Франком (1937) природы излучения Вавилова -Черенкова (1934),в выдвижении Д.Габором (1947) идеи голографии (полная запись волнового поля в одной плоскости) и разработке метода голографии в трехмерной среде, началокоторому положили работы Ю.Денисюка.Не менее интересной и поучительной, но быть может более драматичной, представляется история развития квантовых представлений о природе света и вещества.Однако в данном курсе мы не будем затрагивать эти вопросы.Совершенно новый этап в развитии оптики начался с изобретением лазеров –источников когерентного излучения, которые привели к качественным изменениямне только в оптике, но и в других областях физики и техники.Более подробно с историей развития оптики можно познакомиться, например, вследующих книгах:1.
Лансберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1980.2. Сивухин Л.В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1980.1.2. Распространение световые волн в вакууме. Решающие и наиболее поразительные периоды развития физики — это периоды великих обобщений, когда явления, ранее казавшиеся разобщенными, неожиданно становятся всего лишь разнымиаспектами одного и того же процесса. История физики и, в частности, оптики —это история таких обобщений, а в основе успеха физической науки лежит главнымобразом наша способность к синтезу. По-видимому, самым знаменательным событием XIX столетия считается тот день, когда Дж.Максвелл в 1860 г. сопоставилзаконы электричества и магнетизма с законами поведения света.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
