Развитие представлений о природе света

Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением природы света, закономерностей его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.

На протяжении 25 веков, начиная с Пифагора (YI в. до н.э.) и до начала ХХ века, в воззрениях на природу света противоборствовали два направления: одни считали, что свет — это поток частиц (корпускул), другие — что это распространение волн. К началу ХХ века эти разногласия во взглядах на природу света были разрешены. Было достоверно установлено, что свет, как и всякое электромагнитное излучение, имеет двойственную природу, т. е. обладает свойствами и частицы, и волны. В настоящее время эволюция во взглядах на природу света представляет скорее лишь исторический интерес.

Пифагор считал, что предметы становятся видными благодаря мельчайшим частицам, испускаемым ими и попадающими в глаз наблюдателя. Декарт полагал, что свет — это сжатие, распространяющееся в упругой среде — эфире (т.е. волны). Гук (XYII в.) также считал, что свет представляет собой импульсы сжатия. Марци и Гримальди (XYII в.) также пришли к мысли, что свет представляет собой быстро распространяющиеся волны. Подобные отрывочные сведения были систематизированы в теорию Гюйгенсом и Ньютоном (XYII в.). Гюйгенс отстаивал волновую природу света. Он исходил из аналогии между многими оптическими и акустическими явлениями и считал, что свет — это упругие волны, распространяющиеся в особой среде — «эфире», который заполняет все мировое пространство.

Ньютон, опираясь на громадные успехи, достигнутые в механике, создал теорию света, как истечение световых частиц, летящих прямолинейно согласно законам механики. Наблюдение за движением планет и других небесных тел показывали, что их движение происходит без заметного сопротивления и тем самым ставилось под сомнение наличие «эфира». Это было одним из главных аргументов теории Ньютона против воззрений Гюйгенса. Тем не менее, Гюйгенс создал стройную теорию волновой оптики, в основу которой положил принцип Гюйгенса, который будет рассмотрен позднее.

Ньютоновская корпускулярная теория света господствовала в течение полутора веков вплоть до 1818 г., когда Френель на заседании Парижской Академии наук объяснил прямолинейность распространения света с волновых представлений о его природе. Из теории Френеля вытекал «нелепый» вывод: в центре тени отбрасываемой небольшим круглым диском, должно находиться светлое пятно. Тут же был произведен опыт и оказалось, что такое пятно действительно есть. Это принесло победу и всеобщее признание волновой теории света.

Фарадей в 1846 г. открыл явление вращения плоскости поляризации в магнитном поле. Это указывало на связь между магнитными и оптическими явлениями. Совпадение скорости света в вакууме с электродинамической постоянной:

.

установленные Вебером и Кольраушем в 1856 г., подтверждало наличие такой связи и с электрическими явлениями. Теоретические исследования Максвелла (1865 г.) показали, что изменения электрического и магнитного полей распространяются в пространстве со скоростью света. Это теоретическое заключение было подтверждено в опытах Герца (1888 г.).

Распространяющаяся в среде по Максвеллу свет — это электромагнитная (э/м) волна со скоростью:

где с — скорость света в вакууме, v — скорость в среде с относительной диэлектрической проницаемостью е и относительной магнитной проницаемостью м. По определению показатель преломления:

.

Это соотношение связывает оптические (n), электрические (е) и магнитные (м) характеристики вещества.

Из этого соотношения не следует зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны л, а опыты показали, что такая зависимость существует. Это явление носит название дисперсии света n = f (л). Теория Максвелла не могла объяснить этого явления.

Это сделал Лоренц, создавший электронную теорию дисперсии. Однако, как выяснилось, при помощи электронной теории не все опытные факты могут быть истолкованы. Эти затруднения были объяснены теорией света, выдвинутой в 1900 г. М. Планком, которая основывается на идее дискретности всех процессов, в том числе оптических, испускания света, и позволила объяснить явления, противоречащие теории Лоренца. Квантовая теория света развивалась в трудах Эйнштейна, Бора, Гейзенберга, Шредингера, Дирака и др., совершенствуя представления о свете.

На основании современных представлений свет имеет двойственную корпускулярноволновую природу (корпускулярно-волновой дуализм). Свет обладает волновыми свойствами, которые проявляются в явлениях интерференции, дифракции, поляризации, дисперсии. С другой стороны, свет представляет собой поток частиц — фотонов, движущихся со скоростью света. Эти свойства проявляются в явлениях фотоэффекта и др.

Корпускулярно-волновой дуализм есть проявление наиболее общей взаимосвязи двух основных форм материи, изучаемых физикой — вещества и поля. Развитие представлений о природе света являет собой противоборство мнений (как проявление закона единства и борьбы противоположностей), вследствие чего рождается истинное представление. Оно рождается как достоверное на основе экспериментальных данных, исходя из материалистических представлений о мире.