Освещение искусственное и естественное, светотехника. Поперечные волны.
К 1704 г., когда Исаак Ньютон опубликовал свой знаменитый трактат «Оптика», наука о свете стояла уже на прочном фундаменте. В особенности во второй половине XVII в. открытие следовало за открытием. Уже был установлен основной закон, связывающий фокусное расстояние линзы или сферического зеркала с расстояниями предмета и изображения от линзы (или зеркала). Датский астроном Рёмер из наблюдений моментов затмения спутников планеты Юпитер пришел к выводу, что свет проходит 307 200 км/сек—величина, очень близкая к той, которую мы знаем теперь для скорости света (300 000 км/сек). В 1665 г. в Лондоне выдающийся экспериментатор Роберт Гук опубликовал трактат о микроскопе, озаглавленный «Микрография», в котором он описал конструкцию и применение отличного микроскопа. Здесь же он сообщил о своем открытии: если линзу положить на стеклянную пластинку, то при отражении от нее света появляется система цветных колец. Позднее эти кольца были тщательно изучены Ньютоном, и с тех пор (что несправедливо по отношению к Гуку) их называют кольцами Ньютона. В самом начале XIX в. лондонский физик Томас Юнг объяснил причину появления этих колец, что сыграло важную роль в появлении волновой теории света.
Ведь Гук не тошгко предположил, что свет распространяется в виде волн, но он также догадался, что колебания волн поперечные. Поскольку представление о поперечности волн играет решающую роль в оптической теории, давайте отвлечемся на некоторое время от истории вопроса и выясним смысл этого понятия.
Поперечные волны — это волны, колебания которых происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волн. В качестве грубой аналогии: для иллюстрации поперечных волн можно привести пример с движением «дворников» на переднем стекле автомашины, совершающих свои колебательные движения под прямым углом к направлению движения автомобиля. Несколько лучшей аналогией, пожалуй, может служить такой пример: представим себе длинный ряд солдат, стоящих в затылок друг другу, и предположим, что офицер быстро идет вдоль этого ряда. Если каждый солдат будет быстро приветствовать проходящего мимо офицера поднятием руки к козырьку, то по ряду пройдет поперечная волна из движений рук. Скорость раснространения волны есть скорость движения офицера. Волновое же движение поднимающихся и опускающихся рук является поперечным, так как движение рук происходит перпендикулярно направлению распространения волны.
В случае обыкновенного света, если мы рассматриваем его как поперечную волну, колебания происходят во всех возможных направлениях, как это показано на рис. 1. Однако очень правильная расстановка атомов, существующая в определенных кристаллах, может воздействовать на световые волны в смысле ограничения возможных колебаний. Она позволяет проходить волнам, совершающим колебания только в одном направ-
лении. В качестве грубой аналогия представай себе щ большом масштабе случайную группу крупномасштабных поперечных колебаний, совершающихся во всех направлениях в поперечной плоскости. Пусть на пути этой группы поставлено нечто вроде системы из равноотстоящих полосок, образующих открытый забор. Сквозь этот забор пройдут только вертикальные колебания. В отношении поперечных световых волн кристалл ведет себя, как забор
Он позволяет колебаниям проходить только в одном направлении. Тогда говорят, что такой свет плоско поляризован. Ясно, что второй забор, поставленный параллельно первому, также пропустит сквозь себя эти колебания, но если заборы скрестить, через них не пройдет ничего.
Некоторые кристаллы обладают способностью к двойному лучепреломлению, которое создает из одного падающего луча д в а, причем каждый из этих лучей плоско поляризован, но направления их колебаний взаимно перпендикулярны. Приняв такую картину поляризованных волн, можно вполне разумно объяснить наблюдения, сделанные Гюйгенсом на кристаллах кальцита. И тем не менее как раз здесь Ньютон столкнулся с трудностями, хотя с идеей о распространении волн он был согласен. Он уже знал, как вычислять скорость звуковых волн в воздухе. Оказалось, однако, что Ньютон был знаком только с волнами того типа, которые движутся в результате продольного попеременного сжатия и разрежения в направлении движения, т. е. со звуковыми волнами. Но он не знал в существовании поперечных волн, проглядев богатую содержанием пророческую догадку Гуна. Поэтому Ньютон не мог примирить привычную ему идею о продольных волнах с «односторонним поведением», как он говорил, света. Он был вполне прав, отказываясь признать существование возможных поляризационных эффектов у волн сжатия — разрежения. Именно поэтому Ньютон, правда лишь после тщательного рассмотрения альтернатив, отверг возможность распространения света в виде волн.
«приступы» легкого отражения и легкого прохождения
Зато он придумал свою «корпускулярную» теорию распространения света и с ее помощью, проявив при этом немалую изобретательность, преуспел в объяснении большинства известных свойств света. Чтобы преодолеть трудность с цветными кольцами между линзой и пластинкой (так называемыми кольцами Ньютона), он предложил следующее объяснение. Свет, как утверждал Ньютон, состоит из корпускул, или частиц, движущихся со скоростью, установленной Рёмером. Вдобавок эти частицы демонстрируют своего рода колебания или свойства периодичности. Эта периодичность начинает действовать, когда < частицы встречаются с какой-либо поверхностью и отражаются или проходят сквозь нее. Ньютон предположил, что по достижении поверхности взаимодействия частицы испытывают попеременно «приступы» легкого отражения и легкого прохождения. По диаметрам цветных колец он мог выяснить расстояние, которое корпускула преодолевала между двумя такими «приступами». Он пришел как раз к той самой величине, которую мы теперь называем длиной волны; тот факт, что определенное им между «приступами» оказалось очень близким К нашим современным длинам волн, делает честь его гению.