Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света

  Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству», озаглавленной «Намагничивание света и освещение магнитных силовых линий». Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многими раскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовых линий». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобы пояснить и оправдать это выражение:

  «Я  полагаю, что в опытах, описываемых  мною в настоящей статье, свет испытал  на магнитное действие , то есть что магнитному действию подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее в свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в силе света»

  Иначе говоря, Фарадей считал, что в  свете присутствует некий магнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более непонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо по теории Френеля, которая тогда глубоко укоренилась, свет не имел ничего общего с магнетизмом.

  Максвелл  придерживался взглядов Фарадея относительно природы света.

  «В  различных местах этого трактата, - пишет Максвелл, приступая в  ХХ главе четвертой части  своего «трактата о электричестве и  магнетизме» к изложению электромагнитной теории света, - делалась попытка объяснения электромагнитных явлений при помощи механического действия, передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей пространство между этими телами. Волновая теория света также допускает существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды…

  Мы  можем получить численное значение некоторых свойств  среды, таких, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее, которая  может быть вычислена из электромагнитных опытов, а также наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и скорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах, мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать свет электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и электромагнитной очевидности даст такое же доказательство реальности среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании совокупности свидетельств наших органов чувств».

  Максвелл  исходит из своих уравнений и  после ряда преобразований приходит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещения распространяются с той  же скоростью, что и свет, что и  «представляет собой подтверждение  электромагнитной теории света», - уверенно заявляет Максвелл. Затем Максвелл изучает более детально свойства электромагнитных возмущений и приходит к выводам, сегодня уже хорошо известным: колеблющийся электрический заряд создает переменное электрическое поле, неразрывно связанное с переменным магнитным полем. Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во времени в любой точке пространства возникают электрические и магнитные колебания, т.е. интенсивность электрического и магнитного полей периодически изменяется; эти поля  неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно перпендикулярно. Эти колебания распространяются в пространстве с определенной скоростью и образуют поперечную электромагнитную волну: электрические и магнитные колебания в каждой точке происходят перпендикулярно направлению распространения волны. 
 
 

8. ДАВЛЕНИЕ  СВЕТА.

  В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент Гельмгольца, приступил  к изучению теории Максвелла. В 1887 г. он повторил опыты Гельмгольца с  двумя индукционными катушками. После нескольких попыток ему удалось поставить свои классические опыты, хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герц экспериментально доказал (способом, который сегодня описывают во всех учебниках), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны, состоящие из двух колебаний – электрического и магнитного, поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил также отражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опыты полностью объяснимы теорией Максвелла.

  По  пути, открытому Герцем, устремились  многие экспериментаторы, но им не удалось  многого прибавить у уяснению сходства световых и электрических  волны, которую брал Герц  (около 66 см.), они наталкивались на явления  дифракции, затемнявшие все другие эффекты. Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров, которые практически в те времена были нереализуемы. Большой шаг вперед сделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощью созданного им нового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Таким образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих оптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное преломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. и время от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся в научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в 1897 г., одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи в истории физики.

  В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев  начал работать в Московском университете в должности лаборанта. Но у Петра Николаевича был уже большой план научной работы.

  Основные  физические идеи этого плана были напечатаны П.Н. Лебедевым в Москве, в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел». Начиналась она словами: «Максвелл показал, что световой или тепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него давление в направлении падения…» Исследование светового давления стало делом всей, к сожалению короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченная работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению света.

  Из  теории Максвелла следовало, что  световое давление на тело равно плотности  энергии электромагнитного поля. (При полном отражении давление будет  в два раза больше.) Экспериментальная  проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно  тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку – систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности температур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

  Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное  сообщение о давление света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в 1901 г. в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа «Опытное исследование светового давления». Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла. В. Томсон, например, узнав о результатах опытов Лебедева, в беседе с К.А, Тимирязевым сказал: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами». Ф. Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы».

  К впечатляющим словам этих физиков можно  добавить еще то, что доказательство существования светового давления имело огромное философское и мировоззренческое значение. Ведь из факта существования давления электромагнитных волн следовал очень важный вывод о том, что они обладают механическим импульсом, а значит, и массой. Итак, электромагнитное поле обладает импульсом и массой, т.е. оно материально, значит, материя существует не только в форме вещества, но и в форме поля. 

9. ПОЛЯРИЗАЦИЯ.

  В свободно распространяющихся электромагнитных волнах происходят как электрические, так и магнитные колебания. Колебания всегда направлены строго перпендикулярно лучу, указывающему направление распространения волны. В свою очередь векторы электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу. Таким образом, электромагнитные волны являются волнами поперечными. Во всех случаях первоначальное направление колебаний сохраняется неизменным для всего цуга волн. Образно выражаясь, электрическая компонента волны как бы «прибита» к стенке, которая перемещается в пространстве параллельно самой себе со скоростью света. Ввиду наличия строго определенного и неизменного направления колебаний такие волны называют линейно поляризованными. Однако говорить о поляризации имеет смысл лишь в случае поперечных волн. Например, в воздушных звуковых волнах, где частицы движутся лишь вдоль направления распространения, возможно лишь одно-единственное направление колебаний.

  Сегодня ясен механизм возникновения поперечных волн и связанное с ним явление  поляризации, но раньше все это представляло очень серьезную проблему. Особенно долго ученые ломали голову над явлением поляризации света, и только открытия Максвелла и Герца дали ему соответствующее объяснение. Причина заложена в природе любого реального источника света. Начиная с Солнца и заканчивая современными ртутными лампами высокого давления, все без исключения источники света содержат бесчисленное множество совершенно беспорядочно колеблющихся друг относительно друга атомов. Согласно изложенной выше теории, свет, излучаемый каждым отдельным атомом, строго поляризован. Однако в целом направления векторов поляризации света от всех атомов определяется чисто случайными причинами и потому не имеют выделенной ориентации в пространстве. В плоскости, перпендикулярной лучу, они образуют друг с другом всевозможные углы. Таким образом, луч можно уподобить нити , состоящей из множества свитых волнистых волокон.

  Если  мы хотим поляризовать световой луч, мы должны внести порядок в этот хаос. Для нити с этой целью можно  было бы использовать гребень; для доказательства наличия поляризации исследуемых  им волн Генрих Герц использовал решетку из параллельных проволочек. Если, как это теперь общепринято, под направлением поляризации понимать направление колебаний именно электрического вектора волны, то волна лишь тогда пройдет сквозь решетку, если колебания происходят перпендикулярно проволочкам; в противном случае волна отразится.

  В настоящее время для исследования света применяется преимущественно  поляризованные фильтры. По строению составляющих их молекул они принадлежат к  группе так называемых веществ с  двойным лучепреломлением (к их числу относятся, например, естественные кристаллы исландского шпата, кварца и др.). принцип действия этих фильтров основан на том, что произвольно ориентированный вектор колебаний в световой волне можно разложить на две взаимно перпендикулярные компоненты. В двоякопреломляющем кристалле каждая из двух взаимно перпендикулярных компонент имеет свой показатель преломления, а следовательно, и свою скорость распространения. В некоторых веществах (в частности, в уже упоминавшихся фильтрах) одна из компонент полностью поглощается и пропускается лишь вторая, которая оказывается таким образом поляризованной в строго определенном направлении.

  При входе в кристалл оба компоненты находятся в одинаковой фазе, однако по мере продвижения по кристаллу  они все более сдвигаются относительно друг друга. Выйдя с противоположной стороны кристалла, волны снова приобретают прежнюю дину, соответствующую воздуху, однако возникший сдвиг фаз сохраняется. Таким образом, совершенно незаметно для человеческого глаза свет внутри кристалла существенно изменяется.

  В любой точке луча две взаимно  перпендикулярные компоненты дают результирующую.

  Несмотря  на такое серьезное отличие от обычного света, циркулярно поляризованный свет при прохождении через кристалл не обнаруживает никаких особенностей. Вектор электрической напряженности вращается с частотой света, то есть с такой скоростью, что заметить это вращение простым глазом невозможно. 

10. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ  СВЕТА. 

  Несмотря  на блестящие успехи электродинамики  Максвелла- Герца,  в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь идет об излучении, испускаемом нагретым телом, - мы можем наблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа не останавливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов, рассмотрим тепловое излучение черного тела. Под этим термином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Однако черное тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и любое другое тело (и даже в большей степени), оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела. Абсолютно черное тело обладает также наибольшей по сравнению со всеми другими телами излучательной способностью.