|
100 великих научных открытий
Дмитрий Самин
Основы мироздания
Интерференция
В
древности, наблюдая за поведением света, думали, что два световых луча,
пересекаясь, продолжают идти своей дорогой как ни в чем не бывало. Подобные
наблюдения укрепляли веру в бестелесность, нематериальность света. Но так ли
все происходит на самом деле?
Ньютон
первым поставил опыт по наблюдению взаимодействия, или, как говорят оптики,
интерференции световых лучей между собой.
Он
создал клиновидный воздушный зазор, положив тонкую линзу (выпуклой
поверхностью вниз) на плоскую стеклянную пластинку.
Затем
ученый осветил зазор, причем сначала белым светом, а потом по очереди и
другими основными цветными лучами. Ньютон отметил, что лучи, отражаясь от
стеклянных границ воздушного клина, очевидно взаимодействовали между собой.
При освещении белым светом в зазоре появились чередующиеся цветные и радужные
кольца. Когда же пропускались через зазор цветные лучи, предварительно
полученные с помощью призмы, то в нем возникали светлые и темные кольца.
Ньютон
оставил эти эксперименты без обычных для него детальных выводов. По-видимому,
ученый решил, что здесь скрываются явления, требующие дополнительных
исследований, которые он не мог провести.
Лишь в
XIX веке в науку придут два выдающихся исследователя, Юнг и Френель, и
«достроят» заложенное Ньютоном здание классической оптики.
Томас
Юнг (1773—1829), разносторонний ученый, врач по профессии, человек с весьма
разносторонними интересами — гимнаст и музыкант, а известный также и как
египтолог.
Рассказывают
одну любопытную историю, связанную с ним. В четырнадцать лет Томаса попросили
воспроизвести несколько фраз по-английски, чтобы проверить, умеет ли он
хорошо писать. Юноша дольше обычного пробыл в комнате для испытаний. Новый
учитель Томаса Юнга готов был посмеяться над неумехой. Однако, когда ученик
протянул ему листок, там заданные фразы были не только переписаны, но и
переведены на девять (!) разных языков.
В
первой же своей работе по оптике Юнг показал, что хрусталик человеческого
глаза представляет собой линзу с переменной кривизной. Особые мускулы
растягивают и сжимают хрусталик, позволяя получать на сетчатке глаза резкое
изображение как удаленных, так и близких Предметов.
Юнгу
было всего двадцать лет, когда он выполнил это оптико-медицинское
исследование. Королевское научное общество тут же избрало его своим членом.
Критическому
уму Юнга теория Ньютона представлялась совершенно неудовлетворительной.
Особенно неприемлемым он считал постоянство скорости световых частиц
независимо от того, испущены ли они таким крошечным источником, как тлеющий
уголек, или таким громадным источником, как Солнце. А более всего
представлялась ему неясной и недостаточной ньютоновская теория «приступов», с
помощью которой Ньютон пытался объяснить окрашивание тонких пластин.
Воспроизведя это явление и поразмыслив над ним, Юнг пришел к гениальной мысли
о возможности интерпретации этого явления как наложения света, отраженного от
первой поверхности тонкой пластины, и света, прошедшего в пластину,
отраженного от второй ее поверхности и вышедшего затем через первую. Такое
наложение могло привести к ослаблению или к усилению падающего
монохроматического света.
Точно
не известно, каким образом Юнг пришел к своей идее наложения. Вполне
вероятно, это произошло в результате исследования звуковых биений, при
которых наблюдается периодическое усиление и ослабление звука,
воспринимаемого ухом. Как бы то ни было, в четырех докладах, представленных
Королевскому обществу с 1801 по 1803 год, объединенных несколько лет спустя в
обобщающей работе «Курс лекций по естественной философии и механическому
искусству», вышедшей в Лондоне в 1807 году, Юнг приводит результаты своих
теоретических и экспериментальных исследований. Он несколько раз приводит
цитату из XXIV предложения третьей книги «Начал» Ньютона, в которой
аномальные приливы, наблюдавшиеся Галлеем на Филиппинском архипелаге,
объясняются Ньютоном как результат наложения волн. Исходя из этого отдельного
примера, Юнг вводит общий принцип интерференции.
«Представьте
себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера с определенной
постоянной скоростью и попадающих в узкий канал, ведущий к выходу из озера.
Представьте себе далее, что по какой-либо иной аналогичной причине возбуждена
другая серия волн той же величины, приходящих к тому же каналу с той же
скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не
нарушит другой, но их действия сложатся: если они подойдут к каналу таким
образом, что вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы,
то они вместе образуют совокупность волн большей величины; если же вершины
одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они
в точности заполнят эти провалы и поверхность воды в канале останется ровной.
Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две
порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».
Для
получения интерференции нужно, чтобы оба световых луча исходили из одного и
того же источника (чтобы у них был совершенно одинаковый период), после прохождения
различного пути они должны попадать в одну и ту же точку, а также идти там
почти параллельно.
Значит,
продолжает Юнг, когда две части света общего происхождения попадают в глаз по
различным путям, идя почти в одинаковом направлении, луч приобретает максимальную
интенсивность при условии, что разность путей лучей равна кратному числу
некоторой определенной длины, и имеет минимальную интенсивность в
промежуточном случае. Эта характерная длина различна для света различных
цветов.
В 1802
году Юнг подкрепил свой принцип интерференции классическим опытом «с двумя
отверстиями», возможно поставленным под влиянием аналогичного опыта Гримальди,
который, однако, не привел к открытию интерференции из-за особенностей
применявшейся установки.
Опыт
Юнга общеизвестен: в прозрачном экране кончиком булавки прокалываются два
близко расположенных одно к другому отверстия, которые освещаются солнечным
светом, проходящим через небольшое отверстие в окне. Два световых конуса,
образующихся за непрозрачным экраном, расширяясь благодаря дифракции,
частично перекрываются, и в перекрывающейся части, вместо того чтобы давать
равномерное увеличение освещенности, образуют серию чередующихся темных и
светлых полос. Если одно отверстие закрыто, то полосы исчезают и появляются
лишь дифракционные кольца от другого отверстия. Эти полосы исчезают и в том
случае, когда оба отверстия освещаются (как это было в опыте Гримальди)
непосредственно солнечным светом или искусственным источником света.
Привлекая волновую теорию, Юнг очень просто объясняет это явление. Темные
полосы получаются там, говорит ученый, где провалы волн, прошедших через одно
отверстие, налагаются на гребни волн, прошедших через другое отверстие, так
что их эффекты взаимно компенсируются; светлые каемки получаются там, где два
гребня или два провала волн, прошедших через оба отверстия, складываются.
Этот опыт позволил Юнгу измерить длину волны для различных цветов: он получил
длину волны 0,7 микрона для красного света и 0,42 микрона для крайнего
фиолетового. Это первые в истории физики измерения длины волны света, и
следует отметить их поразительную точность.
Из
своего принципа интерференции Юнг вывел целый ряд разнообразных следствий. Он
рассмотрел явления окрашивания тонких слоев. Ученый объяснил их вплоть до
мельчайших деталей. Юнг вывел эмпирические законы, найденные Ньютоном, и,
считая неизменной частоту света заданного цвета, объяснил уплотнение колец в
опыте Ньютона при замене воздушной прослойки между линзами водой уменьшением
скорости света в более преломляющей среде.
Интересно
заметить, что Юнгу принадлежит термин «физическая оптика», применяемый для
обозначения исследований «...источников света, скорости его распространения,
его прерывания и затухания, его расщепления на различные цвета, влияния на
него различной плотности атмосферы, метеорологических явлений, относящихся к
свету, особенных свойств некоторых веществ по отношению к свету».
Работы
Юнга, представляющие собой наиболее существенный вклад в теорию оптических
явлений со времен Ньютона, были восприняты физиками того времени с
недоверием, а в Англии они подвергались даже грубым насмешкам. Объяснялось
это отчасти тем, что Юнг пытался применять принцип интерференции и к явлениям
явно не интерференционным, отчасти некоторой неясностью изложения, которая
чувствуется и сейчас и которая, должно быть, еще больше чувствовалась в те
времена, и отчасти, как упрекал Юнга впоследствии Лаплас, тем, что Юнг иногда
удовлетворялся недостаточно строгими, а порой поверхностными экспериментами.
Из представлений
о свете как о волновом движении эфира исходил и Огюстен Френель (1788—1827),
дорожный инженер, сравнительно поздно начавший интересоваться наукой.
«Добрый
гений» Френеля академик Франсуа Араго, вовремя заметивший выдающийся талант
ученого и всю жизнь помогавший ему, тем не менее, писал в своих
записках-воспоминаниях: «Огюстен Френель учился так медленно, что восьми лет
едва умел читать... Он никогда не чувствовал склонности к изучению языков, не
любил знаний, основанных на одной памяти, и запоминал то, что было доказано
ясно и убедительно».
Первое
время Френель работал в сельской глуши. Он и не подозревал об опытах Юнга,
поэтому повторил их. И объяснение огибания светом препятствий Френель дал
подобное юнговскому.
Позднее,
уже работая в Париже, Френель получил математические уравнения, точно
описывающие оптические процессы, происходящие на границе двух различных
оптических сред.
Различные
формулы Френеля так часто применяются в оптических работах, что, несомненно,
занимают по этому показателю первое место.
Френель
предложил для создания интерференционной картины направлять солнечный свет на
экран с помощью двух зеркал, установленных под небольшим углом друг к другу.
Известный
ученый, автор многих университетских учебников по физике, Роберт Поль для
большой аудитории предложил создавать интерференцию, направив свет на тонкую
слюдяную пластинку. Отраженный пластинкой свет попадает на большой экран, на
котором хорошо видны интерференционные полосы.
Явление
интерференции широко используется в приборах, которые называются
интерферометрами.
Интерферометры
могут служить самым различным целям, например для контроля чистоты обработки
поверхности металла.
|
