Что представляет свет по волновой теории. Основные положения волновой теории света гюйгенса

В физике световые явления являются оптическими, так как относятся к данному подразделу. Действия этого феномена не ограничиваются лишь тем, чтобы окружающие людей предметы были заметны. Кроме этого, солнечное освещение передает тепловую энергию в пространстве, в результате этого тела нагреваются. На основе этого были выдвинуты определенные гипотезы о природе данного явления.

Энергетический перенос осуществляется телами и волнами, распространяющимися в среде, таким образом, излучение состоит из частиц, называемыми корпускулами. Так их назвал Ньютон, после него появились новые исследователи, которые усовершенствовали эту систему, были Гюйгенс, Фуко и пр. Электромагнитная теория света была выдвинута чуть позднее Максвеллом.

Истоки и развитие теории света

Благодаря самой первой гипотезе Ньютоном была сформирована корпускулярная система, где четко разъяснялась сущность оптических явлений. Цветовые различные излучения описывались как структурные составляющие, входящие в эту теорию. Интерференцию и дифракцию объяснил ученый из Голландии Гюйгенс в XVI веке. Этот исследователь выдвинул и описал теорию света на основе волн. Однако все созданные системы были не оправданы, так как не разъясняли саму сущность и основу оптических явлений. В результате долгих поисков вопросы истинности и подлинности световых излучений, а также их сущность и основа остались нерешенными.

Спустя несколько столетий несколько исследователей под началом Фуко, Френеля начали выдвигать иные гипотезы, благодаря чему выяснилось теоретическое преимущество волн перед корпускулами. Однако и у этой теории были недостатки и недоработки. По сути, это созданное описание предполагало наличие некоего вещества, которое находится в пространстве, ввиду того, что Солнце и Земля на далеком расстоянии друг от друга. В случае, если свет свободно падает и проходит через эти объекты, следовательно, в них присутствует поперечные механизмы.

Дальнейшее становление и совершенствование теории

На основе всей этой гипотезы возникли предпосылки для создания новой теории о мировом эфире, который заполняет тела и молекулы. А с учетом особенностей этого вещества оно должно быть твердым, в результате ученые пришли к выводу, что он обладает упругими свойствами. По сути, эфир должен оказывать влияние на земной шар в пространстве, но этого не происходит. Таким образом, это вещество ничем не оправдано, кроме того, что через него струится световое излучение, и оно обладает твердостью. На основе таких противоречий данная гипотеза была поставлена под сомнение, лишена смысла и дальнейших исследований.

Труды Максвелла

Волновые свойства света и электромагнитная теория света, можно сказать, стали единым целым, когда Максвелл начал свои исследования. В ходе изучения было обнаружено, что скорость распространения указанных величин совпадают, если находятся в вакууме. В результате эмпирического обоснования, Максвеллом выдвинута и доказана гипотеза об истинной природе света, которая удачно подтверждалась годами и другими практиками, опытом. Таким образом, в позапрошлом столетии создалась электромагнитная теория света, применяющаяся и сегодня. Позже она будет признана классической.

Волновые свойства света: электромагнитная теория света

На основе новой гипотезы была выведена формула λ = c/ν, которая указывает на то, что при расчете частоты можно найти длину. Световые излучения являются электромагнитными волнами, но только в том случае, если они ощутимы для человека. Кроме того, такими можно назвать и к ним относятся с колебанием от 4·10 14 до 7,5 · 10 14 Гц. В данном диапазоне частота колебаний может варьироваться и цвет излучения разный, причем на каждом отрезке или интервале будет характерный и соответствующий для него цвет. В результате по частоте указанной величины находится длина волны в вакууме.

При расчете видно, что световое излучение может быть от 400 нм до 700 нм (фиолетовый и красный цвета). При переходе оттенок и частота сохраняются и зависят от волновой длины, которая меняется на основе скорости распространения и указывается для вакуума. Электромагнитная теория света Максвелла основана на научном обосновании, где излучение оказывает давление на составляющие тела и непосредственно на него. Правда, позже эта концепция была проверена и доказана эмпирическим путем Лебедевым.

Излучение и распределение светящихся тел по частотам колебаний не согласуется с законами, которые были выведены из волновой гипотезы. Подобное утверждение исходит из анализа состава этих механизмов. Физик из Германии Планк попытался найти объяснение такому результату. Позже он пришел к выводу, что излучение происходит в виде определенных порций - квант, затем эту массу стали называть фотоны.

В результате анализ оптических явлений привел к выводу, что световое испускание и поглощение объяснялись с помощью массового состава. В то время как те, что распространялись в среде, были разъяснены волновой теорией. Таким образом, чтобы полностью изучить и описать данные механизмы требуется новая концепция. Причем новая система должна была объяснять и объединять различные свойства света, то есть корпускулярные и волновые.

Развитие квантовой теории

В результате труды Бора, Эйнштейна, Планка были положены в основу этой усовершенствованной структуры, которая была названа квантовой. На сегодняшний день эта система описывает и поясняет не только классическую электромагнитную теорию света, но и другие разделы физического знания. По существу, новая концепция легла в основу множества свойств и явлений, протекающих в телах и пространстве, а кроме этого, огромное количество ситуаций предсказала и разъяснила.

По существу, электромагнитная теория света кратко описывается как явление, в основе которого присутствуют различные доминанты. Например, корпускулярные и волновые переменные оптики имеют связь и выражаются формулой Планка: ε = ℎν, здесь присутствуют квантовая энергия, электромагнитного излучения колебания и их частота, постоянный коэффициент, который не меняется ни для каких явлений. Согласно новой теории, оптическая система с определенными варьирующимися механизмами состоит из фотонов с силой. Таким образом, теорема звучит так: квантовая энергия прямо пропорциональна электромагнитному излучению и его частотным колебаниям.

Планк и его труды

Аксиома c = νλ, в результате формулы Планка производится ε = hc / λ, так можно прийти к выводу, что указанное выше явление - обратное длине волны при оптическом влиянии в вакууме. Опыты, проведенные в закрытом пространстве, показали, что пока существует фотон, он будет двигаться по определенной скорости и замедлить свой темп не сможет. Однако поглощается частицами веществ, которые встретятся ему на пути, в результате происходит взаимообмен, и он исчезает. В отличие от протонов и нейтронов не имеет массы покоя.

Электромагнитные волны и теории света до сих пор не поясняют противоречивые явления, например, в одной системе будут ярко выраженные свойства, а в другой корпускулярные, но, тем не менее, все они объединены излучением. На основе концепции квант существующие свойства присутствуют в самой природе оптической структуры и в общей материи. То есть частицы обладают волновыми свойствами, а эти в свою очередь корпускулярными.

Световые источники

Основы электромагнитной теории света опираются на аксиому, которая гласит: молекулы, атомы тел создают видимое излучение, которое называется источником оптического явления. Существует огромное количество предметов, производящих этот механизм: лампа, спички, трубки и др. Причем каждую подобную вещь можно условно разделить на равнозначные группировки, которые определяются по способу накала частиц, реализующих излучение.

Структурированные источники света

Изначальное происхождение свечения происходит из-за возбуждения атомов и молекул ввиду хаотического движения в теле частиц. Это возникает, потому что температура достаточно высока. Излучаемая энергия повышается за счет того, что их внутренняя сила возрастает и накаляется. Такие предметы относятся к первой группе источников света.

Накаливание атомов и молекул возникает на основе летящих частиц веществ, причем это не минимальное скопление, а целый поток. Температура здесь не играет особой роли. Такое свечение называют люминесценцией. То есть оно всегда возникает ввиду того, что тело поглощает внешнюю энергию, вызванную электромагнитным излучением, химической реакцией, протонами, нейтронами и пр.

А источники называются люминесцентными. Определение электромагнитной теории света этой системы звучит следующим образом: если после поглощения телом энергии проходит некоторое время, измеримое опытным путем, и затем оно производит излучение не из-за температурных показателей, следовательно, оно относится к вышеуказанной группе.

Детальный разбор люминесценции

Однако подобные характеристики не полностью описывают эту группу, ввиду того, что она обладает несколькими видами. По сути, после поглощения энергии тела пребывают в накаливании, затем испускают излучение. Время возбуждения, как правило, варьируется и зависит от множества параметров, зачастую не превышает нескольких часов. Таким образом, способ накаливания может быть нескольких типов.

Разреженный газ начинает испускать излучение после того, как через него прошел прямой ток. Такой процесс называется электролюминесценцией. Наблюдается в полупроводниках и светодиодах. Происходит это таким образом, что пропускание тока дает рекомбинацию электронов и дырок, за счет этого механизма и возникает оптическое явление. То есть, преобразовывается энергия из электрической в световую, обратный внутренний фотоэффект. Кремний считается инфракрасным излучателем, а фосфид галлия и карбид кремния реализуют видимое явление.

Сущность фотолюминесценции

Тело поглощает свет, а также твердые вещества и жидкости излучают длинные волны, которые отличаются по всем параметрам от изначальных фотонов. Для накала используется ультрафиолетовый накал. Данный способ возбуждения называется фотолюминесценцией. Возникает оно в видимой части спектра. Излучение трансформируется, именно этот факт был доказан английским ученым Стоксом в XVIII веке и теперь является аксиоматическим правилом.

Квантовая и электромагнитная теория света описывают концепцию Стокса следующим образом: молекула поглощает порцию излучения, затем передает ее другим частицам в процессе теплообмена, остатки энергии испускают оптическое явление. При формуле hν = hν 0 - A, выходит, что частота излучения люминесценции ниже поглощенной частоты, в результате получается, что длина волны больше.

Временные рамки распространения оптического явления

Электромагнитная теория света и теорема классической физики указывают на факт того, что скорость указанной величины велика. Ведь расстояние от Солнца до Земли он проходит за несколько минут. Множество ученых пыталось анализировать прямую линию времени и то, как проходит свет через одно расстояние к другому, но им в основе так это и не удалось.

По сути, электромагнитная теория света основана на скорости, которая является главной константой физики, но при этом не предсказуемой, а возможной. Были созданы формулы, и после проверок выяснилось, что распространение и движение электромагнитных волн зависит от среды пребывания. Причем, определяется эта переменная абсолютным показателем преломления пространства, где размещается указанная величина. В любое вещество способно проникнуть световое излучение, в результате магнитная проницаемость понижается, ввиду этого скорость оптики определяется диэлектрической константой.

Чтобы лучше понять механизм волны, рассмотрим опять идеализированный эксперимент. Предположим, что огромное пространство сплошь заполнено водой, или воздухом, или какой-либо другой «средой». Где-то в центре имеется шар (рис. 40). В начале эксперимента никакого движения нет вовсе. Вдруг шар начинает ритмически «дышать», расширяясь и сжимаясь в объёме, однако всё время оставаясь сферическим по форме. Что происходит в среде? Начнём рассмотрение в тот момент, когда шар начинает расширяться. Частицы среды, находящиеся в непосредственной близости к шару, отталкиваются, так что плотность прилегающего к шару слоя воды или воздуха увеличивается против своего нормального значения. Точно так же, когда шар сжимается, то плотность той части среды, которая непосредственно окружает шар, будет уменьшаться. Эти изменения плотности распространяются во всей среде. Частицы, составляющие среду, проделывают лишь малые колебания, но движение в целом - это движение распространяющейся волны. Существенно новым здесь является то, что впервые мы рассматриваем движение чего-то, что есть не вещество, а энергия, распространяющаяся в веществе.

Используя пример пульсирующего шара, мы можем ввести два общих физических понятия, важных для характеристики волн. Первое - это скорость, с которой распространяется волна. Она будет зависеть от среды и будет различна, например, для воды и воздуха. Второе понятие - длина волны - это расстояние от углубления одной волны до углубления следующей или же расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. Морские волны имеют бо́льшую длину волны, чем волны на реке. В наших волнах, образующихся благодаря пульсации шара, длина волны - это расстояние, взятое в некоторый определённый момент между двумя соседними шаровыми слоями, у которых одновременно плотность имеет максимальное или минимальное значение. Очевидно, что это расстояние зависит не только от среды. Большое влияние будет, конечно, иметь быстрота пульсации шара; так, длина волны будет короче, если пульсация становится быстрее, и длиннее, если пульсация медленнее.

Это понятие волны оказывается очень удачным в физике. Оно является определённо механическим понятием. Явление сводится к движению частиц, которые, согласно кинетической теории, образуют вещество. Таким образом, всякая теория, которая употребляет понятие волны, может, вообще говоря, считаться механической теорией. В частности, объяснение акустических явлений существенно опирается на это понятие. Колеблющиеся тела, например, такие, как голосовые связки или скрипичные струны, являются источниками звуковых волн, которые распространяются в воздухе, аналогично тому как это имеет место для волн, образующихся от пульсирующего шара. Таким образом, с помощью понятия волны можно все акустические явления свести к механическим.

Уже было подчёркнуто, что мы должны отличать друг от друга движение частиц и движение самой волны, которая является состоянием среды. Оба движения совершенно различны, но очевидно, что в нашем примере пульсирующего шара оба движения происходят вдоль одной и той же прямой. Частицы среды колеблются в небольших пределах, и плотность увеличивается и уменьшается периодически в соответствии с этим движением. Направление, в котором распространяются волны, и направление, вдоль которого совершаются колебания, одно и то же. Волны этого типа называются продольными . Но является ли этот тип волн единственным? Для наших дальнейших рассуждений важно ясно представить себе возможность другого типа волны, называемой поперечной.

Изменим наш предыдущий пример. Пусть мы по-прежнему имеем шар, но он погружён в среду другого рода: вместо воздуха или воды взято нечто вроде студня или желе. Более того, шар больше не пульсирует, а поворачивается на небольшой угол сначала в одном направлении, а затем в обратном, всегда в одном и том же ритме и вокруг определённой оси (рис. 41). Желе прилипает к шару, и прилипающие частицы вынуждены повторять его движение. Эти частицы вынуждают частицы, расположенные немного дальше, повторять то же движение и т. д., так что в среде возникает волна. Если мы помним о различии между движением среды и движением волны, то мы видим, что в данном случае они явно не совпадают. Волна распространяется в направлении радиуса шара, а частицы среды движутся перпендикулярно к этому направлению. Следовательно, мы создали поперечную волну.

Волны, распространяющиеся на поверхности воды, поперечны. Плавающая пробка движется вверх и вниз, а волна распространяется вдоль горизонтальной плоскости. С другой стороны, звуковые волны дают нам наиболее известный пример продольных волн.

Ещё одно замечание: волна, созданная пульсирующим или колеблющимся в однородной среде шаром, - это сферическая волна . Она называется так потому, что в любой данный момент все точки среды, размещающиеся на любой сфере, окружающей источник, ведут себя одинаковым образом. Рассмотрим часть такой сферы на большом расстоянии от источника (рис. 42). Чем дальше от источника мы берём такую часть сферы и чем меньшую часть мы берём, тем больше она похожа на часть плоскости. Не стремясь быть слишком строгими, мы можем сказать, что нет существенного различия между частью плоскости и частью сферы, радиус которой достаточно велик. Очень часто мы говорим о небольших частях сферической волны, далеко продвинувшейся от её источника, как о плоских волнах. Чем дальше мы помещаем заштрихованную на рисунке часть поверхности от центра сферы и чем меньше угол между двумя радиусами, тем более она приближается к представлению о плоской волне. Понятие плоской волны, подобно многим другим физическим понятиям, есть не больше как абстракция, которую мы можем осуществить лишь с известной степенью точности. Тем не менее это полезное понятие, и оно нам понадобится в дальнейшем.

Волновая теория света

Вспомним, почему мы прекратили описание оптических явлений. Нашей целью было ввести другую теорию света, отличную от корпускулярной, но также пытающуюся объяснить ту же область фактов. Чтобы сделать это, мы должны были прервать наш рассказ и ввести понятие волн. Теперь мы можем вернуться к нашему предмету. Первым, кто выдвинул совершенно новую теорию света, был современник Ньютона - Гюйгенс. В своём трактате о свете он писал:

«Если, кроме того, свет употребляет для своего прохождения некоторое время - что мы сейчас проверим, - то из этого следует, что это движение, сообщённое окружающей материи, следует одно за другим во времени; поэтому оно, подобно звуку, распространяется сферическими поверхностями и волнами; я называю их волнами по тому сходству, которое они имеют с волнами, образующимися на воде, когда в неё брошен камень, и представляющими собой последовательно расширяющиеся круги, хотя они и возникают от другой причины и находятся лишь на плоской поверхности».

По Гюйгенсу, свет - это волна, передача энергии, а не субстанции. Мы видели, что корпускулярная теория объясняет многие наблюдённые факты. В состоянии ли это сделать и волновая теория? Мы должны снова поставить те вопросы, на которые уже дали ответ с помощью корпускулярной теории, чтобы увидеть, может ли волновая теория ответить на них с таким же успехом. Сделаем это здесь в форме диалога между Н и Г, где Н - собеседник, убеждённый в справедливости корпускулярной теории Ньютона, а Г - собеседник, убеждённый в справедливости теории Гюйгенса. Ни тому, ни другому не разрешено применять доводы, полученные после того, как работа обоих великих мастеров была закончена.

Волновая теория света

Вспомним, почему мы прекратили описание оптических явлений. Нашей целью было ввести другую теорию света, отличную от корпускулярной, но также пытающуюся объяснить ту же область фактов. Чтобы сделать это, мы должны были прервать наш рассказ и ввести понятие волн. Теперь мы можем вернуться к нашему предмету. Первым, кто выдвинул совершенно новую теорию света, был современник Ньютона - Гюйгенс. В своем трактате о свете он писал:

«Если, кроме того, свет употребляет для своего прохождения некоторое время - что мы сейчас проверим, - то из этого следует, что это движение, сообщенное окружающей материи, следует одно за другим во времени; поэтому оно, подобно звуку, распространяется сферическими поверхностями и волнами; я называю их волнами по тому сходству, которое они имеют с волнами, образующимися на воде, когда в нее брошен камень, и представляющими собой последовательно расширяющиеся круги, хотя они и возникают от другой причины и находятся лишь на плоской поверхности».

По Гюйгенсу, свет - это волна, передача энергии, а не субстанции. Мы видели, что корпускулярная теория объясняет многие наблюденные факты. В состоянии ли это сделать и волновая теория? Мы должны снова поставить те вопросы, на которые уже дали ответ с помощью корпускулярной теории, чтобы увидеть, может ли волновая теория ответить на них с таким же успехом. Сделаем это здесь в форме диалога между Н и Г, где Н - собеседник, убежденный в справедливости корпускулярной теории Ньютона, а Г - собеседник, убежденный в справедливости теории Гюйгенса. Ни тому, ни другому не разрешено применять доводы, полученные после того, как работа обоих великих мастеров была закончена.

Н: В корпускулярной теории скорость света имеет вполне определенный смысл. Это скорость, с которой корпускулы движутся в пустом пространстве. Что она означает в волновой теории?

Г: Конечно, она означает скорость световой волны. Всякому известно, что волна распространяется с некоторой определенной скоростью, и то же должно быть с волнами света.

Н: Это не так просто, как кажется. Звуковые волны распространяются в воздухе, морские волны - в воде. Каждая волна должна иметь материальную среду, в которой она распространяется. Но свет проходит через вакуум, в то время как звук не проходит. Предположить волну в пустом пространстве фактически означает вовсе не предполагать никакой волны.

Г: Да, это трудность, хотя и не новая для меня. Мой учитель изучал ее очень внимательно и решил, что единственный выход - предположить существование гипотетической субстанции, эфира , передающей среды, заполняющей всю Вселенную. Вселенная, так сказать, погружена в эфир. Если у нас есть смелость ввести это понятие, то все становится ясным.

Н: Но я возражаю против такого предположения. Во-первых, оно вводит новую гипотетическую субстанцию, а мы уже имеем слишком много субстанций в физике. Имеется также и другой довод против него. Вы не сомневаетесь в том, что мы должны всё объяснять, оставаясь в пределах механики. А как относительно эфира? В состоянии ли вы ответить на простой вопрос о том, как эфир построен из своих элементарных частиц и как он обнаруживается в других явлениях?

Г: Ваше первое возражение, конечно, справедливо. Но, вводя некий искусственный невесомый эфир, мы сразу освобождаемся от гораздо более искусственных световых корпускул. Мы имеем только одну «таинственную» субстанцию вместо бесконечного числа их, соответствующего огромному числу цветов в спектре. Не кажется ли вам, что это и есть настоящий прогресс? По крайней мере, все трудности сконцентрированы в одном пункте. Мы не нуждаемся больше в искусственном предположении, что частицы, относящиеся к различным цветам, движутся с одной и той же скоростью в пустом пространстве.

Ваше второе возражение тоже справедливо. Мы не можем дать механического объяснения эфира. Но нет никакого сомнения в том, что дальнейшее изучение оптических и, может быть, других явлений обнаружит его структуру. В настоящее время мы должны ожидать новых экспериментов и заключений, но я надеюсь, что в конце концов мы сможем разрешить проблему о механической структуре эфира.

Н: Оставим на время этот вопрос, так как он не может быть разрешен теперь. Мне хотелось бы видеть, как ваша теория, даже если мы отбросим трудности, объясняет те явления, которые так ясны и понятны в корпускулярной теории. Возьмем, например, тот факт, что световые лучи проходят в вакууме или в воздухе вдоль прямых. Кусок бумаги, помещенный перед свечой, создает четкую и резко очерченную тень на стене. Резкие тени были бы невозможны, если бы волновая теория была правильна, ибо волны огибали бы края бумаги и тем самым размазывали бы тень. Маленькое судно не является препятствием для морских волн, как вы знаете; они просто огибают его, не отбрасывая тени.

Г: Это неубедительный довод. Возьмите короткие волны на реке, ударяющие о борт большого корабля. Волны, возникающие на одной стороне корабля, не будут видны на другой. Если волны достаточно малы, а корабль достаточно велик, появляется очень четкая тень. Очень возможно, что свет кажется нам проходящим по прямым линиям лишь потому, что его длина волны очень мала в сравнении с размерами обычных препятствий и отверстий, употребляемых в экспериментах. Возможно, что, если бы мы могли создать достаточно малые препятствия, никакой тени не было бы. Мы можем встретиться с большими экспериментальными трудностями в конструировании приборов, которые могли бы показать, в состоянии ли свет огибать препятствия. Тем не менее, если бы такой эксперимент можно было осуществить, он был бы решающим в борьбе между волновой и корпускулярной теориями света.

Н: Волновая теория может привести к новым фактам в будущем, но я не знаю каких-либо данных, убедительно ее подтверждающих. Пока с определенностью не доказано экспериментально, что свет может огибать препятствия, я не вижу какого-либо основания отказываться от корпускулярной теории, которая кажется мне проще и потому лучше, чем волновая.

На этом мы можем прервать диалог, хотя предмет его никоим образом не исчерпан.

Остается еще показать, как волновая теория объясняет преломление света и многообразие цветов. Как мы знаем, корпускулярная теория в состоянии дать такое объяснение. Мы начнем с преломления, но сначала будет полезно рассмотреть пример, не имеющий ничего общего с оптикой.

Пусть по большому открытому пространству прогуливаются два человека, держащие между собой твердый прут. Вначале они идут прямо вперед, оба с одинаковой скоростью. Пока их скорости одинаковы, велики они или малы - безразлично, прут будет совершать параллельное перемещение, т. е. он не будет поворачиваться или изменять свое направление. Все последовательные положения прута параллельны друг другу. Но представим себе теперь, что в течение очень короткого времени, может быть равного долям секунды, движения обоих людей стали неодинаковыми. Что произойдет? Ясно, что в течение этого времени прут будет поворачиваться, так что он не будет больше перемещаться параллельно своему первоначальному положению. Когда опять возобновится движение с равными скоростями, оно будет иметь направление, отличное от первоначального (рис. 43.) Изменение направления происходит в течение того промежутка времени, в котором скорость обоих пешеходов была различной.

Этот пример позволит нам понять преломление волны. Плоскость волны, движущейся в эфире, достигает поверхности стекла. На рис. 44 мы видим волну со сравнительно широким фронтом, который перемещается вперед. Фронт волны - это плоскость, в которой в любой момент времени все части эфира находятся в одинаковом состоянии. Так как скорость зависит от среды, через которую в данный момент времени проходит свет, то скорость в стекле будет отличаться от скорости в пустом пространстве. В течение очень короткого времени, за которое фронт волны входит в стекло, различные части фронта волны будут иметь различные скорости. Ясно, что те части, которые уже достигли стекла, будут двигаться со скоростью света в стекле, в то время как другие части по-прежнему движутся со скоростью света в эфире. Благодаря этой разности в скоростях вдоль фронта волны, существующей в течение времени «погружения» в стекло, направление самой волны будет изменяться.

Итак, мы видим, что не только корпускулярная, но и волновая теория приводит к объяснению преломления. Дальнейшее рассмотрение и некоторое применение математики показывают, что объяснение волновой теории проще и лучше и что следствия из нее находятся в полном согласии с наблюдением. В самом деле, количественные методы рассмотрения позволяют нам вывести скорость света в преломляющей среде, если мы знаем, как преломляется луч, когда он входит в нее. Прямые измерения блестяще подтверждают эти предсказания, а тем самым и волновую теорию света.

Остается еще вопрос о цвете.

Необходимо вспомнить, что волна характеризуется двумя числами - скоростью и длиной волны. Весьма существенным является следующее утверждение волновой теории света: волны различной длины соответствуют различным цветам. Длина волны однородного желтого света отлична от длины волны синего или фиолетового. Вместо искусственного разделения корпускул, относящихся к разным цветам, мы имеем естественное различие по длине волны.

Отсюда следует, что эксперименты Ньютона по дисперсии света могут быть описаны двумя различными языками - языком корпускулярной теории и языком волновой теории. Например:

Корпускулярный язык

Корпускулы, относящиеся к различным цветам, имеют одинаковую скорость в вакууме, но различные скорости в стекле.

Белый свет - это совокупность корпускул, относящихся к различным цветам, в то время как в спектрах они разделены.

Волновой язык

Лучи различных длин волн, относящиеся к различным цветам, имеют одинаковую скорость в эфире, но различные скорости в стекле.

Белый свет - это совокупность волн всех длин, в то время как в спектре они разделены.

Кажется, было бы мудрым избежать двусмысленности, происходящей из факта существования двух различных теорий одних и тех же явлений, решив в пользу одной из них после внимательного рассмотрения достоинств и недостатков каждой. Диалог между Н и Г показывает, что это нелегкая задача. Решение с этой точки зрения было бы скорее делом вкуса, чем делом научного убеждения. Во времена Ньютона и 100 лет спустя большинство физиков предпочитало корпускулярную теорию.

История вынесла свой приговор в пользу волновой теории и против корпускулярной гораздо позднее, в середине XIX столетия. Н в своем разговоре с Г заявлял, что в принципе возможно было экспериментальное решение спора между обеими теориями. Корпускулярная теория не разрешает свету огибать препятствия и требует наличия четких теней. Согласно же волновой теории, достаточно малые препятствия не будут отбрасывать никакой тени. В работах Юнга и Френеля этот результат был получен экспериментально; там же были сделаны теоретические выводы.

Мы уже обсуждали чрезвычайно простой эксперимент, в котором экран с отверстием помещался перед точечным источником света, а тень отбрасывалась на стену. В дальнейшем мы упростим эксперимент, полагая, что источник испускает однородный свет. Для получения наилучших результатов источник света должен быть сильным. Представим себе, что отверстие в экране делается все меньше и меньше. Если в нашем распоряжении есть сильный источник и нам удается сделать отверстие достаточно малым, то обнаруживаются новые и удивительные явления, совершенно непонятные с точки зрения корпускулярной теории. Нет больше резкого различия между светом и темнотой. Свет постепенно блекнет, переходя в темный фон через серию светлых и темных колец. Появление колец очень характерно для волновой теории. Объяснение чередования светлых и темных полос будет ясно в случае несколько иной экспериментальной установки. Предположим, что мы имеем лист черной бумаги с двумя булавочными дырочками, через которые может проходить свет. Если дырочки близко примыкают друг к другу и очень малы и если однородный свет достаточно силен, то на стене появится множество светлых и темных полос, постепенно ослабевающих и переходящих в темный фон. Объяснение очень простое. Темная полоса появляется там, где впадина волны от одной дырочки встречается с гребнем волны от другой, так что обе погашаются. Полоса света - там, где встречаются две впадины или два гребня от волн, идущих от обеих дырочек, и усиливают друг друга. Сложнее объяснение темных и светлых колец в предыдущем примере, в котором мы применяли экран с одним отверстием, но принципиально оно то же самое. Это появление темных и светлых полос при прохождении света через две щели и темных и светлых колец при прохождении отверстия следует иметь в виду, ибо позднее мы вернемся к обсуждению обеих различных картин. Описанные здесь эксперименты обнаруживают дифракцию света - отклонение света от прямолинейного распространения, когда на пути световых волн расположены малые отверстия или препятствия (рис. 45–47).

Рис. 45. Вверху мы видим фотографию световых пятен, после того как два луча прошли через два маленьких отверстия, один за другим (сначала была открыта одна щель; затем она закрывалась, а другая открывалась). Внизу мы видим полосы, полученные в результате того, что луч прошёл через оба маленьких отверстия одновременно (фотография В. Аркадьева)

Рис. 46. Дифракция света в результате огибания лучом очень малого препятствия (Фотография В. Аркадьева)

Рис. 47. Дифракция света в результате прохождения луча через очень малое отверстие (Фотография В. Аркадьева)

С помощью математики мы в состоянии пойти гораздо дальше. Можно установить, как велика, вернее, как мала должна быть длина волны, чтобы создать дифракционную картину. Таким образом, описанные эксперименты позволяют нам определить длину волны однородного света. Чтобы дать представление о том, как малы эти величины, мы укажем длины волн крайних лучей видимого солнечного спектра, т. е. длины волн красного и фиолетового лучей. Длина волны красного света равна 0,00008 см. Длина волны фиолетового света равна 0,00004 см.

Мы не должны удивляться, что эти величины очень малы. Точно очерченная тень, т. е. явление прямолинейного распространения света, наблюдается в природе лишь потому, что обычно встречающиеся отверстия и препятствия чрезвычайно велики по сравнению с длиной волны света. Свою волновую природу свет обнаруживает лишь тогда, когда применяются очень малые отверстия и препятствия.

Но история поисков теории света никоим образом не окончена. Приговор XIX столетия не был последним и окончательным. Для современных физиков вся проблема выбора между корпускулами и волнами существует вновь, теперь уже в гораздо более глубокой и сложной форме. Примем поражение корпускулярной теории света до тех пор, пока мы не обнаружим, что характер победы волновой теории проблематичен.

Глава VIII. Волновая механика 1. Основные идеи волновой механики В 1923 г. стало почти ясно, что теория Бора и старая теория квантов лишь промежуточное звено между классическими представлениями и какими-то очень новыми взглядами, позволяющими глубже проникнуть в