Антон Павлович Благин "свет небес и земли" 86. 21 Б68 Благин Антон Павлович. Свет небес и земли. Часть I: Радиоволны и свет. Взгляд философа. Мурманск: Фонд культуры, 2002, с. 156. Эта книга

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14

Антон Павлович, растолкуйте мне, пожалуйста, что стоит за словами "поляризация света".

Хорошо, Андрей, я попытаюсь объяснить Вам популярно, какой смысл вкладывают в слова "поляризация света" учёные, но Вам придётся выслушать целую историю, так что, не обессудьте.

...Когда-то давным-давно люди считали, что свет несут нашим глазам микрочастицы. И не было ни у кого сомнения в том, что свет - это явление материальное. Разнились лишь представления древних учёных о том, каким образом свет распространяется из одной точки пространства в другую, например, от Солнца до поверхности Земли. Одни учёные считали, что свет - это прямолинейно летящие сквозь пустоту сверхмалые тела, по латыни, корпускулы. Другие учёные своё представление о свете строили на убеждении, что Вселенная - это прежде всего материальная среда, эфир. Значит, говорили они, всё пространство между Солнцем и Землей тоже заполнено текучим, упругим, похожим на жидкость эфиром, который, естественно, не может не состоять из крохотных частиц, как и, к примеру, обыкновенная вода. Сквозь века до нас дошло такое космогоническое представление философов Древней Греции об океане материи, окружающем нашу планету: "...всю Землю обтекает Океан, катящий свои воды в вечном водовороте"20. Те, кто имел такое представление о Природе, были уверены, что свет - это распространяющиеся в океане эфира волны, для ощущения которых нам даны глаза...

Понятно, что учёные с таким мировоззрением постоянно спорили с учёными, у которых мировоззрение было иным. Приверженцы корпускулярной теории пытались всем доказать, что их точка зрения на природу света истинная. В то же время, приверженцы волновой теории объясняли своим оппонентам, что они не опровергают того, что свет - это движение частиц, ибо всё в Природе состоит из частиц. Просто они убеждены, что ощущения света в наших глазах вызывают не прямолинейно летящие частицы, а частицы материи, движущиеся волнообразно, колебательно. Как казалось сторонникам волновой теории света, у них были серьёзные основания отождествлять со светом именно такую форму движения частиц материи, поскольку давно было установлено, что звук, который воспринимается нашими органами слуха, это тоже движение микрочастиц, конкретно частиц воздуха, но движение не поступательное, похожее на ветер, а колебательное. И волны на воде, считали эти учёные, ведь тоже нельзя рассматривать как нечто сплошное, противоречащее теории древнегреческого учёного Демокрита, учившего, что всё во Вселенной состоит из частиц. Следовательно, волны на воде - это колебательные движения огромных ансамблей частиц воды. А раз так, почему же тогда не допустить, что ощущения света в наших глазах тоже вызываются колебательными движениями ансамблей частиц светоносной материи, непрерывно распределённой в пространстве Вселенной? - вполне справедливо вопрошали приверженцы волновой теории света.

Справка: правильное представление о распространении звука в воздухе (звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха) появилось ещё в IV веке до новой эры21. Автор этого научного представления - древнегреческий учёный Аристотель. Считается, что идея о волновой природе света более поздняя. В истории физики записано, что мысль о том, что свет разных цветов суть колебания эфира различной частоты, впервые высказал в 1648 году чешский учёный Йоханнес Маркус Марци (1595-1667). Он наблюдал дисперсию света (разложение белого света стеклянной призмой в спектр) и открыл, что световые лучи различного цвета преломляются призмой по разному и не подвергаются дальнейшему разложению при пропускании их через вторую призму. В 1666 году это явление переоткрыл Исаак Ньютон. Феномен появления цветовой гаммы со стороны выхода луча белого света из призмы он объяснял тем, что "размер корпускул для разных цветов различен".

Рис. 29

Призма из стекла

...В 1669 году в науке, изучающей свет, произошло очередное знаменательное событие: датский учёный Эразм Бартолин открыл двойное лучепреломление света в кристаллах исландского шпата. В 1678 году это явление обнаружил в кварце нидерландский учёный Христиан Гюйгенс. Суть этих открытий описана в научно-популярной литературе так. "...Возвращающиеся из Исландии моряки привозили необычные прозрачные кристаллы известкового шпата, которые часто имели форму правильного ромбоэдра. В 1669 году датский учёный Э. Бартолин сообщил о своих опытах с этими кристаллами. Он с удивлением обнаружил, что луч света при прохождении сквозь кристалл расщепляется на два луча (называемых теперь обыкновенным и необыкновенным). Бартолин провёл тщательные исследования обнаруженного им явления двойного лучепреломления, однако объяснения ему дать не смог.

Рис. 30

Через 20 лет после опытов Э. Бартолина его открытие привлекло к себе внимание нидерландского учёного Христиана Гюйгенса. Он сам начал исследовать свойства кристаллов исландского шпата и дал объяснение явлению двойного лучепреломления на основе своей волновой теории света. [Считая свет волнами, Гюйгенс определил форму волновой поверхности в кристалле. Волновая поверхность обыкновенной волны оказалась сферической, необыкновенной - эллипсоидом вращения22]. При этом он ввёл важное понятие оптической оси кристалла, при вращении вокруг которой отсутствует анизотропия свойств кристалла, т.е. их зависимость от направления (конечно, такой осью обладают далеко не все кристаллы). В своих опытах Гюйгенс пошёл дальше Бартолина, пропуская оба луча, вышедшие из кристалла исландского шпата, сквозь второй такой же кристалл. Оказалось, что если оптические оси обоих кристаллов параллельны, то дальнейшего разложения этих лучей уже не происходит. Если же второй ромбоэдр повернуть на 180 градусов вокруг направления распространения обыкновенного луча, то при прохождении через второй кристалл необыкновенный луч претерпевает сдвиг в направлении, противоположном сдвигу в первом кристалле, и из такой системы оба луча выйдут соединёнными в один пучок. Выяснилось также, что в зависимости от величины угла между оптическими осями кристаллов изменяется интенсивность обыкновенного и необыкновенного лучей. Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако, решающего шага он сделать не смог..."23

В 1801 году в науке произошло следующее знаменательное событие: английский учёный Томас Юнг представил бесспорные экспериментальные и теоретические доказательства волновой природы света. С этого момента многие сторонники корпускулярной теории начали менять свои взгляды на Природу и отказываться от своих представлений о свете, как о прямолинейно летящих сквозь пустоту частицах.

Уже почти не подвергалась сомнению и идея о существовании светоносной среды, поскольку распространение волн в пустоте никто просто представить себе не мог. Однако, теперь у учёных был повод спорить на тему, чем считать светоносную среду: космическим газом или способной пронизывать всё насквозь жидкостью.

Антон Павлович, каким же образом Томасу Юнгу удалось сделать, по сути, переворот в физике?

- Он всего лишь осуществил удачный опыт, а затем толково объяснил его. Юнг написал в своей научной работе: "...Если допустить, что свет любого, заданного цвета состоит из колебаний определённой ширины, или определённой частоты, то окажется, что эти колебания, ответственны за все те явления, которые мы раньше исследовали в случае волн на воде или звуковых импульсов. [Ниже мною] показано, что две одинаковые серии волн, исходящих из близко расположенных друг к другу центров, могут разрушить эффект каждой из них в определённых точках, а в других точках удвоить эти эффекты..."24 (В результате чего образуются светлые и тёмные полосы на экране для наблюдения).

Чередующиеся светлые

и тёмные полосы на экране,

объяснить которые можно

только наложением световых

волн друг на друга.

Рис. 31

Для желающих повторить его опыт, Юнг сделал пояснение: "Дабы действия двух частей света могли складываться таким образом, необходимо, чтобы эти части исходили из одного источника и достигали одной и той же точки разными путями, но по направлениям, не слишком отличающимся между собой..."25

Выполнить указанные Юнгом условия проще всего, если взять не два источника света, а один, и сделать его свет при помощи экрана с одной щелью однородным, а затем расщепить его на два световых пучка с помощью экрана, имеющего две щели, которые можно рассматривать как центры расхождения, откуда свет расходится по всем направлениям.

"В этом случае, - написал Юнг, - когда два вновь образованных пучка попадают на поверхность, поставленную на их пути, свет от них оказывается разделённым тёмными полосами на примерно равные части... В центре изображения всегда наблюдается светлая полоса, а другие светлые полосы по обе стороны от центра находятся на таких расстояниях, чтобы свет, идущий к ним из одной апертуры, проходил путь, больший, чем путь, проходимый светом из другой апертуры, на величину равную ширине одной, двух, трёх и более предполагаемых волн, для промежуточных же тёмных областей соответствующие различия в путях составляют половину, три вторых, пять вторых и более ширины предполагаемых волн..."26

Так, чередование тёмных и светлых полос на экране в своём опыте Юнг объяснил наложением световых волн друг на друга. А само это явление он назвал интерференцией.

Здесь уместно сказать, что это же явление возникает и в случае наложения друг на друга звуковых волн. (Явление интерференции звука Томас Юнг открыл в 1800 году). А если схожий опыт проводится с волнами, образующимися на поверхности воды, то интерференционная картина оказывается доступной взору наблюдателя во всей полноте, и в этом случае, по причине наглядной очевидности, уже ни у кого не остаётся сомнений в том, что теория Юнга верна.

Фотография интерференционной картины, получающейся на воде в случае двух точечных источников.

Рис. 32

В 1803 году Томас Юнг нашёл простой метод вычисления ширины предполагаемых колебаний светоносной среды, образующих свет различных цветов. Юнг понял, что ширину этих колебаний (сейчас учёные предпочитают говорить о длине волны) он может определять по положению тёмных полос, возникающих на экране в его опыте. Юнг нашёл, что для вычисления ширины колебаний, образующих тот или иной цвет, надо всего лишь измерить расстояние между центрами отверстий в экране с двумя щелями и угол, под которым на экране для наблюдений виден первый минимум (тёмная полоса). Значение ширины колебаний светоносной среды, образующих конкретный цвет, как установил Юнг, можно найти по формуле ? = 2d sin ?.

угол ? Рис. 33

d

Экран с двумя щелями Экран для наблюдения интерференции света

Вот что по этому поводу Юнг написал в свой работе: "Из сравнения различных экспериментов представляется, что ширина волнообразных движений, составляющих крайний красный свет, должна считаться равной в воздухе около одной 36-тысячной дюйма, а волнообразных движений, составляющих крайний фиолетовый свет, - около одной 60-тысячной; средняя [ширина] по всему спектру с учётом интенсивности света равна примерно одной 45-тысячной [дюйма]. Из этих величин следует, если вести расчёт по известной скорости света*, что за одну секунду в глаз должны попадать почти 500 миллионов миллионов самых медленных из таких колебаний..."27

* Первым человеком, сумевшим измерить скорость света (пусть и не совсем точно), был датский астроном Оле Рёмер. В 1675 году, наблюдая спутники Юпитера, он обнаружил, что затмение спутников Юпитера происходит на 11 минут раньше расчётного времени, когда Земля находится в ближайшей к Юпитеру точке, и на 11 минут позже, когда расстояние между планетами наибольшее. Рёмер связал такое поведение времени затмения с положением Земли на орбите относительно Юпитера. Рёмер рассудил: если свет распространяется от Юпитера до земного наблюдателя за конечное время, то, значит, наблюдаемое явление обусловлено тем, что, изменяется расстояние между планетами. Когда это расстояние меньше и путь света короче, мы видим затмение спутников Юпитера на 11 минут раньше, когда расстояние между планетами больше и путь света длиннее, мы видим затмение спутников на 11 минут позже. Сделав такое заключение, Оле Рёмер математически рассчитал, через известное расстояние между планетами, какой путь свет проходит в межпланетном пространстве за одну секунду. По его расчёту величина скорости света оказалась равной 214000 км/сек28.

...В 1808 году французский военный инженер Этьен Малюс повторил оптические опыты с кристаллом исландского шпата, которые более чем ста годами раньше делали Бартолин и Гюйгенс, и сделал открытие. История этого открытия в научно-популярной литературе имеет такое начало. "...Французский физик Э. Малюс, глядя сквозь кусок исландского шпата на блестевшие в лучах заходящего солнца окна Люксембургского дворца в Париже, к своему удивлению заметил, что при определённом положении кристалла было видно только одно изображение..."29

Малюс знал из работ Гюйгенса, что луч света, прошедший сквозь кристалл исландского шпата, приобретает какое-то особое свойство, благодаря которому он, попадая на второй кристалл исландского шпата с главным сечением, параллельным первому, уже испытывает не двойное лучепреломление, а обычное. Если же этот второй кристалл шпата повернуть, то вновь возникнет двойное лучепреломление, но интенсивность обоих преломлённых лучей будет зависеть от угла поворота.

Итак, глядя сквозь кристалл на окна Люксембургского дворца, Малюс спросил себя: А почему, собственно, при одном угле разворота кристалла вокруг падающего луча последний выходит из него раздвоенным, а при другом угле разворота кристалла луч выходит из него нераздвоенным?

Он начал экспериментировать с кристаллом исландского шпата и лучами света, отражёнными от различных плоских поверхностей.

В ходе опытов Малюс определил, в частности, следующее: свет, отражённый от воды под углом 52045(, обладает тем же свойством, что и свет, прошедший через кристалл исландского шпата, причём отражающая поверхность является как бы главным сечением кристалла. Это явление наблюдалось и при отражении от любого другого вещества, но требуемый угол падения менялся в зависимости от показателя преломления вещества30.

Значит, свет в процессе отражения от плоской поверхности под большим углом претерпевает какие-то качественные изменения, - сделал вывод Малюс. Это и было его первым открытием.

Здесь стоит сказать, что Малюс был большим поклонником корпускулярной теории света и не хотел признавать опыт Томаса Юнга, установившего факт интерференции световых лучей, хотя это, казалось бы, неопровержимо доказывало любому, что свет - волны. Опираясь на корпускулярную теорию создателя классической механики английского учёного Исаака Ньютона, Этьен Малюс попытался объяснить своё открытие тем, что корпускулы в солнечном свете ориентированы по всем направлениям, при прохождении же двоякопреломляющего кристалла или при отражении они ориентируются определённым образом.

Открытый им "упорядоченный" свет Малюс назвал поляризованным. Это слово с его подачи вошло в научный язык, и теперь мы все его словом пользуемся.

Этьен Малюс, кроме того, что открыл явление поляризации света при отражении, хотя и неверно понял и объяснил природу этого таинственного явления, в 1810 году ещё отрыл в оптике закон, впоследствии названный его именем. Сформулирован "Малюса закон" в современной энциклопедии следующим образом: "Интенсивность линейно поляризованного света после прохождения анализатора уменьшается пропорционально косинусу (, где косинус ( - угол, образованный плоскостями поляризации света и прибора"31.

Иллюстрация действия закона Малюса

а) Сквозь анализатор проходит

100% поляризованного света;

Рис. 34

б) Сквозь анализатор проходит

~ 70% поляризованного света;

в) Поляризованный свет

сквозь анализатор не проходит.

В качестве поляризатора и анализатора использованы две одинаковые пластины, вырезанные из кристаллов турмалина.

Далее события в науке развивались так. В 1816 году другой французский учёный Огюст Френель решил повторить опыт Томаса Юнга и удостовериться в том, что свет, это всё-таки волны. Только в своём опыте он применил не экран с двумя прорезями, а два зеркала. Однако, результат Френель получил тот же. Почему, собственно, результат получился у него таким же, как у Юнга, хорошо объясняет нижеприведенная схема.

Рис. 35

В том же году Огюст Френель вместе с другим французским учёным Домиником Араго занялся изучением поляризации света. И Френель и Араго уже знали, например, то, что "если скомбинировать кристалл исландского шпата с кристаллом турмалина, то окажется, что в определённом положении турмалин пропускает только один из лучей, а будучи повернут на 90 градусов, - другой. Создаётся впечатление, что два преломлённых луча [обыкновенный и необыкновенный] обладают различными свойствами и что кристалл турмалина ведёт себя подобно прорези, пропускающей один луч в одном положении и другой, когда прорезь поворачивается на 90 градусов" 32.

Френель и Араго решили проверить, что получится, если создать все условия для интерференции обыкновенного и необыкновенного лучей, выходящих из одного кристалла исландского шпата. Оказалось, что эти лучи не интерферируют друг с другом! "Каждый из этих лучей, расщеплённый с помощью какого-нибудь оптического метода, интерферирует сам с собой, но два преломлённых луча, исходящих из одного источника, не интерферируют друг с другом"33. У обеих учёных складывалось представление, что свет как будто бы состоит из двух независимых компонент, разделённых благодаря какому-то удивительному свойству кристаллов турмалина и исландского шпата.

"Френель обсуждал это явление с Ампером, и последний выдвинул предположение, что система световых волн может состоять из двух взаимно перпендикулярных колебаний. Френель развил эту идею, предположив, что волна, связанная со светом, носит характер смещения, перпендикулярного направлению распространения света"34.

Позже Френель сделал вывод, что "явление поляризации проявляется, таким образом, в том, что кристаллы исландского шпата и турмалина благодаря своему строению разделяют луч света на две его перпендикулярные составляющие. Далее, так как эти составляющие независимы, они не могут интерферировать. Горизонтальное смещение в сумме с вертикальным не могут взаимно уничтожаться"35.

Слова Френеля о том, что кристаллы исландского шпата и турмалина благодаря своему строению разделяют луч света на две его перпендикулярные составляющие, можно прокомментировать следующим образом. Сегодня каждый физик знает, что излучение макроскопического источника света (Солнца, электрической лампочки, свечи...) является суммой излучений огромного числа электронов. Световой луч, каким бы тонким мы его ни сделали, тоже можно считать макроскопическим источником света. Если допустить, что электроны порождают свет с различной поляризацией, то даже в очень тонком пучке света будут находиться волны, плоскость поляризации которых имеет самые разные направления. По этой причине в естественном свете все эффекты, связанные с поляризацией, усредняются, и такой свет, как правило, является неполяризованным (исключением являются редкие случаи, когда естественный свет оказывается поляризованным из-за аномалий в атмосфере). При пропускании неполяризованного света через кристалл исландского шпата, сквозь него проходят лишь те волны света, которые имеют плоскости поляризации, совпадающие с осями поляризации кристалла. Энергия волн света с любым другим направлением поляризации поглощается в кристалле, и поэтому эти волны гасятся.

Интуитивно Огюст Френель это, видимо, понимал, однако, к тому моменту он пока ещё не решался сказать кому бы то ни было, что следует понимать под словами: "волна, связанная со светом, носит характер смещения, перпендикулярного направлению распространения света".

В 1817 году это сделал Томас Юнг, внимательно следивший за успехами Френеля и Араго. В письме, адресованном Араго36, Юнг открыто сказал о том, что свет, исходящий из кристалла исландского шпата, следует рассматривать не как продольные, а как поперечные волны37.

Кристалл исландского шпата

Рис. 36 Луч, имеющий

вертикальную

поперечную

компоненту

Луч, имеющий

Неполяризованный Поляризованный горизонтальную

свет свет поперечную

компоненту

В современных учебниках по физике эту мысль Томаса Юнга принято объяснять школьникам и студентам с помощью опыта, в котором используются обыкновенный бельевой шнур и деревянный ящик с проделанной в нём узкой щелью. Ящик имитирует кристалл исландского шпата, а шнур - это как бы узкий луч света.

Итак, "пусть по шнуру бежит поперечная волна, которая проходит через ящик, имеющий вид узкой щели. Ясно, что такая волна пройдёт через ящик только в том случае, когда колебания в ней происходят по направлению, параллельному щели в ящике.

Рис. 37

Воспользуемся теперь двумя ящиками, расположенными один за другим по направлению распространения поперечных волн. Если ящики расположить так, чтобы их щели были параллельны, то поперечная волна пройдёт через оба ящика и будет распространяться дальше только в том случае, когда колебания в ней происходят параллельно щелям в ящиках. Если же ящики скрестить, то есть повернуть так, чтобы их щели оказались взаимно перпендикулярными, то поперечная волна ни при каких условиях через них не пройдёт. Очевидно, что всё это относится только к поперечным волнам, так как продольная волна будет проходить через ящики при любом повороте щелей ящиков. Итак, с помощью двух описанных ящиков, поставленных друг за другом на пути распространения волны, поперечную волну всегда можно погасить поворотом одного ящика вокруг луча, а продольную волну - нет" *.

Blog