Освещение искусственное и естественное, светотехника. Волновая теория
На протяжении целого столетия в области оптики господствовал всеми признанный авторитет Ньютона. Лишь в 1801 г. на научной арене появился замечательный ученый Томас Юнг. Это был необыкновенный человек. Он был ученым, врачом и литератором. В физику он внес большой вклад: широкую известность он приобрел своими исследованиями упругих свойств твердых тел (модуль Юнга есть мера упругого напряжения), своей теорией механизма цветного зрения, тем, что он первым записал колебания звучащего Камертона и сверх всего этого изложил волновую теорию света. Его любознательность была настолько безграничной, что в 1814 г. он заложил правильные основы для расшифровки египетских иероглифов; его подход к этому вопросу и методика были полностью подтверждены более поздней расшифровкой надписей на знаменитом Розеттском камне Шампольоном. Юнг был тем человеком, который опроверг ньютоновскую корпускулярную теорию распространения света и успешно поставил на ее место волновую теорию.
В 1801 г. Юнг описал очень простой опыт, который убедил ученый мир, что свет распространяется в виде волн. Начав с предположения, что свет — это волны, Юнг утверждал, что две световые волны можно заставить интерферировать друг с другом, если только они когерентны. Позднее мы вернемся к понятию когерентности. Здесь же достаточно, если мы будем знать, что все части фронта волны, выходящей из налог о отверстия, можно рассматривать как почти когерентные. Если волна, исходящая из достаточно малого отверстия, расходится в виде сферы, то в любой данный момент времени все участки волнового фронта, отстоящие на одинаковых расстояниях от малого отверстия (т. е. на поверхности сферы), участвуют в одном и том же колебательном движении. Если мы нарисуем сферическую поверхность с упомянутым выше отверстием в центре сферы, то всякий раз, когда на одной части поверхности
сферы будет гребень волны, он одновременно будет и на всех других ее частях. Такая же согласованность имеет место, когда появляется впадина. Говорят, что каждая часть поверхности сферы находится ъ фазе с любой другой частью ее поверхности.
Простой опыт Юнга показан на рис. 4. Небольшое отверстие О освещено. Так как отверстие очень мало, свет, выходя из него, загибается (дифрагирует), расходясь под значительным углом в виде конуса. Все колебания волнового фронта происходят в фазе. Пусть те-
перь свет падает на два близких друг к другу небольших отверстия — апертуры (Р, Q), и из каждой апертуры также дифрагируют расходящиеся волны, особым свойством которых является теперь их когерентность и то, что они находятся в фазе друг с другом просто потому, что колебания, пришедшие в Р и Q, были в фазе. На пути света поставлен экран XY. Там, где два расходящихся из Р и Q конуса пересекают экран, возникает интерференция волн. До центра симметрии системы световые лучи, выходящие из Р и Q, проходят одинаковые расстояния; гребни волн при наложении усиливаются, и появляется яркая область. Немного выше и ниже этой области имеются такие места, для которых разность расстояний от Р и Q отличается на половину волны. Вследствие этого гребень одной волны совпадает с впадиной другой волны и они взаимно компенсируются: следовательно, никакого света в этих точках не будет. Таким путем возникают темные интерференционные полосы. Последовательность чередующихся светлых и темных полос создается в тех местах, где последующие разности пройденных светом путей составляют четное или нечетное число полуволн.
Юнг осуществил простой опыт: если закрыть одно из отверстий Р или Q, интерференционные полосы исчезают. И просто нет никакого иного пути для объяснения этих опытов, если не принять волновую теорию распространения света. Юнг пошел еще дальше: он не только вычислил длину волны световых колебаний по расстоянию между интерференционными полосами, но еще и высказал предположение о том, что различие между спектральными цветами — не что иное, как различие в длинах волн. Развивая свои волновые представления, Юнг объяснил также некоторые особенности ньютоновских колец.
назад к пеялуциду Аристотеля
Наступила пора волновой теории света. Под ее натиском рухнула ньютоновская корпускулярная теория, и вскоре она была низведена до роли исторической достопримечательности.
XIX в. дал целый ряд быстро следовавших одно за другим значительных открытий в оптике, и каждое из них получило объяснения в рамках волновой теории света Юнга. В 1817 г. Давид Брюстер описал несколько новых интерференционных эффектов, позднее послуживших основой важных измерений; после его работ появились сообщения о некоторых других интерференционных явлениях. В 1849 г. французский физик Физо осуществил первое лабораторное измерение скороети света, и величина ее не очень отличалась от той, кото» рую нашел за двести лет до этого Рёмер. Согласно существующим теориям распространения волн, скорость волн в среде зависит от упругих свойств и от плотности среды. Очень большая величина скорости света означает, что среда, через которую распространяются волны, обладает очень большой упругостью или крайне низкой плотностью. Здравый смысл говорит в пользу последней точки зрения, откуда и возникло предположение, что все пространство (и вся материя) заполнено очень разреженной средой, которая был названа эфиром. Полагали, что световые волны передаются именно через эфир. О нем было известно не слишком-то много, и, как это заметилодя» остряк,» слово «эфир» являлось всего лишь подлежащим к сказуемому «колебаться».
Позднее с концепцией эфира мы откатились назад к пеялуциду Аристотеля с единственной дополнительной информацией: теперь мы знали, что через эту среду — называйте ее, как хотите, — проходят поперечные волны, и, кроме того, мы узнали скорость распространения этих волн.