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

Рис. 38

Считаю важным сказать, что данное здесь предельно примитивное представление о сущности поляризации волн света (волна света колеблется подобно бельевой верёвке) является не более чем предположением, так сказать, гипотезой. Однако, основываясь именно на этом до сих пор ничем не доказанном логическом допущении, создатели так называемой современной физики сформулировали не выдерживающее никакой критики определение, которое ныне употребляют многие учёные именно при объяснении явления поляризации волн света: если колебания всех точек в поперечной волне, расположенных на одном луче, происходят в одной плоскости, то эту волну называют плоскополяризованной, а плоскость, перпендикулярную к направлению колебаний, называют плоскостью поляризации волны**.

Какие такие точки в реальной волне поляризованного света совершают поперечные колебания? В силу каких причин эти абстрактные точки могут колебаться в пространстве, и относительно чего они могут колебаться? На эти вопросы никто из учёных, уцепившихся за данное представление как за спасительную соломинку, по сей день внятного ответа не смог дать.

Кроме того, что Юнг выразил неожиданную мысль о поперечности волн света, он ещё высказал две гипотезы: "Вселенную наполняет светоносный эфир малой плотности и в высшей степени упругий"; "волнообразные движения возбуждаются в этом эфире всякий раз, как тело становится светящимся".

Сам Френель смог прийти к убеждению, что свет следует рассматривать как поперечные волны, только в 1819 году38.

Что касается Араго, то он оказался не в состоянии признать поперечность световых волн39 по причине чисто психологической. Дело в том, что учёным во всём мире было известно, во-первых, что волны - это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию, и, во-вторых, что волны могут различаться по тому, как возмущения ориентированы относительно направления их распространения. Так, например, звуковая волна распространяется в газе (или в воде) в том же направлении, в каком происходит смещение частиц газа (воды).

Волна в газе или жидкости

Рис. 39

В волне, распространяющейся, например, вдоль струны музыкального инструмента, смещение точек струны происходит в направлении, перпендикулярном струне. То же можно сказать и о волне, возникающей и распространяющейся на поверхности воды или какой-либо жидкости. Смещение молекул жидкости в такой волне происходит в направлении, перпендикулярном направлению её перемещения.

Рис. 40

На основании этих представлений волны первого получили название продольных, а второго типа - поперечных.

Доминик Араго был не в состоянии соотнести волны света ни с волнами, возникающими в струнах музыкальных инструментов, ни с волнами в бельевой верёвке, ни с волнами, возникающими на поверхности воды. Признать поперечность световых волн означало для него войти в противоречие с известными законами Природы. А этого он, как учёный, сделать не мог.

Френель же полагал, что ещё не все секреты и законы Природы открыты учёными, и поэтому он всецело верил результатам опытов, которые ставил с целью изучения явления поляризации света. А результаты его опытов красноречиво говорили о том, что ощущения света в наших глазах вызываются именно поперечными волнами (или поперечными колебаниями). Поэтому невероятной сложности проблема, стоявшая перед Френелем, как учёным, заключалась в том, как объяснить себе и другим учёным, вследствие чего могут происходить смещения частиц светоносной материи, перпендикулярные направлению распространения света.

Он понимал, что если даже допустить, что волны света распространяются в океане не газообразного, а жидкого эфира, скрытой от наших глаз всепроникающей жидкой материальной среды, то по всем известным законам Природы в жидкой среде, не имеющей во Вселенной ни верха, ни низа, могут распространяться только продольные волны (с продольным смещением частиц среды относительно некоего положения покоя). Поперечные же волны, бесспорно, могут возникать только на границе двух сред (например, воды и воздуха) либо в твёрдых (упругих) телах (в металлических стержнях, например, или в натянутых струнах).

"Предвосхищая многие идеи теории упругости, Френель смог благодаря своей физической интуиции дать теорию явлений отражения, преломления и полного внутреннего отражения, объяснить эмпирически найденные законы Малюса и Брюстера. Он выдвинул фундаментальные идеи в области кристаллооптики, не потерявшие своего значения и сегодня и получившие лишь более строгое математическое обоснование"40.

Кроме того, Френель построил теорию, раскрывающую секрет, каким образом свет, будучи волновым колебанием, может распространяться прямолинейно, узким пучком. Однако, он всё-таки не смог объяснить ни себе, ни другим учёным, вследствие чего в пространстве могут происходить смещения частиц светоносной материи, перпендикулярные направлению распространения света. Поперечность световых волн - то единственное, что объясняло явление поляризации света - продолжала оставаться неразгаданной тайной Природы.

Теперь, Андрей, слушайте меня ещё более внимательно и проводите параллели и аналогии между всем, что Вы уже узнали, не выпуская из виду хронологию событий.

Итак, в 1819 году Френель пришёл к убеждению, что явление поляризации света может быть связано с поперечной компонентой световых волн. А в 1820 году Ганс Эрстед открывает, благодаря способности стрелки компаса чувствовать магнетизм, что электрический ток "образует вихрь вокруг проволоки. Иначе, - объясняет Эрстед, - было бы непонятно, как один и тот же участок проволоки, будучи помещён над магнитным полюсом [стрелки], относит его к востоку, а находясь под полюсом, увлекает его к западу. Именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра... Вращательное движение вокруг оси, сочетающееся с поступательным движением вдоль этой оси обязательно даёт винтовое движение..."

Надеюсь, Андрей, Вы помните эти слова учёного. А помните, что Эрстед сказал далее?

- Антон Павлович, я всё помню. Он сказал: "Я убеждён, что в этих движениях будет найдено объяснение явлений, известных под названием поляризации света" 6.

Очень хорошо, Андрей. Теперь вспомните, пожалуйста, какой опыт сделал в 1845 году Майкл Фарадей, и к какому выводу он пришёл, на основании полученных результатов.

- Насколько мне известно, он открыл вращение плоскости поляризации света в прозрачном теле, помещённом в вихревое магнитное поле электромагнита, обнаружив тем самым связь между магнетизмом и светом, предсказанную Эрстедом.

А знаете, какие мысли не давали покоя Майклу Фарадею, когда он сделал это открытие?

- Какие?

В своей работе "Экспериментальные исследования по электричеству", в главе "Действие магнитов на свет", Фарадей написал: "Я давно уже придерживался мнения - и оно почти достигло степени убеждения, - и того же мнения, как мне думается, придерживаются многие другие любители естествознания, а именно, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или, другими словами, настолько близко родственны друг другу и взаимно зависимы, что они могут как бы превращаться друг в друга и обладают в своём действии эквивалентами силы. В новейшее время доказательства их взаимной превращаемости в весьма заметной степени умножились и положено начало определению их эквивалентных сил..."41

В частности, итальянский физик Мачедонио Меллони в 1835 году высказал мысль, что тепловые и световые лучи имеют одну природу и отличаются лишь длиной волны.

Теперь, Андрей, когда Вы получили дополнительную информацию к размышлению и узнали, что стоит за словами "поляризация света", мы можем вернуться к теоретическим изысканиям Джеймса Максвелла и к его гениальным предсказаниям.

...Когда Максвелл вник в суть явления магнитоэлектрической индукции, открытой Фарадеем, ему пришла в голову мысль: если вихревое магнитное поле перемещаемого рукой взад-вперёд стержневого магнита наводит в неподвижном проводе переменный электрический ток (первый опыт Фарадея), то, по всей вероятности, текущий по проводнику переменный электрический ток должен порождать в пространстве вихревое магнитное поле разных направлений вращения, перемещающееся во все стороны от проводника с какой то конечной скоростью!

Интуиция подсказывала Максвеллу, что ощущения света в наших глазах вызываются переменными магнитными полями, вероятно, обладающими возможностью распространяться в пространстве со скоростью, которую с некоторых пор все учёные называют скоростью света.

Я полагаю, что Вы, Андрей, помните, как Максвеллу удалось экспериментально определить скорость, с которой магнитное поле перемещается в пространстве относительно провода, когда по этому проводу течёт ток переменной силы. (Об этом учёный рассказал в своей работе "Электромагнитная теория света"). Во время опыта Максвелл брал заряженный электрический конденсатор и разряжал его через проволочную катушку гальванометра. Затем, учитывая значение емкости конденсатора, величину напряжения, до которого этот конденсатор был ранее заряжен, а также учитывая время разрядки конденсатора через гальванометр и показания шкалы гальванометра, Максвелл на основе им же выведенных математических уравнений сделал расчёт и определил, что скорость движения в пространстве магнитного поля, возникающего вокруг провода, по которому течёт ток убывающей или нарастающей силы, приблизительно равна 300000 км/сек. Но ведь с такой же скоростью в пространстве распространяется и свет!

"Совпадение результатов, - написал Максвелл в той же работе, - по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции и что свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма"42. "Другие уравнения, - сделал вывод Максвелл, - дадут то же самое значение скорости, так что волна будет распространяться в любом направлении со скоростью света. Эта волна состоит полностью из магнитных возмущений, причём направление намагничения находится в плоскости волны. Никакое магнитное возмущение, направление намагничения которого не находится в плоскости волны, вообще не может распространяться как плоская волна. Отсюда магнитные возмущения ... сходятся со светом в том отношении, что возмущения в любой точке поперечны к направлению распространения и такие волны могут обладать всеми свойствами поляризованного света"43.

Фронт Провод, по которому с нарастающей

волны, силой ток течёт по направлению

образованной от листа к нам

нарастающим вихревым

магнитным полем

Вихревое магнитное поле,

возмущения которого в любой точке

поперечны к направлению

Рис. 41 распространения волны

Таким был главный вывод Максвелла в его электромагнитной теории света. И как Вы, Андрей, видите, величайший из теоретиков 19 века в области электричества и магнетизма, нашёл свой подход к объяснению тайны поляризации света.

Своим мысленным взором Максвелл увидел, что свет - это вовсе не поперечные колебания, как это представлялось Томасу Юнгу и Огюсту Френелю; и не прямолинейное движение, как это представлялось Исааку Ньютону и другим поклонникам корпускулярной теории; свет - это вихревые движения!

Антон Павлович, что же тогда, выходит, многие учёные и по сей день дают в учебниках неправильное представление о поляризации волн света, изображая свет как поперечное колебание какой-то воображаемой линии, на манер того, как это представляли себе Томас Юнг и Огюст Френель?

Выходит, что так. Прийти к ясному пониманию явления поляризации света через представление о вихре материи нам с Вами, Андрей, сегодня позволяет очень простой опыт. Возьмём с Вами две одинаковые проволочные катушки и расположим их рядом, причём, параллельно друг другу. Концы первой катушки мы подключим к источнику переменного электрического тока, а к концам второй катушки подключим маломощную лампочку накаливания. Как только по первой катушке начинает протекать электрический ток, вокруг неё возникает вихревое магнитное поле, которое распространяется в пространстве, как установил Максвелл, со скоростью света. Достигнув второй проволочной катушки, вихревое магнитное поле вызывает в ней появление индукционного тока. Как следствие, мы наблюдаем беспрестанное свечение лампочки. Если теперь мы начнём поворачивать одну катушку относительно другой, не изменяя при этом расстояния между катушками, то заметим, что яркость свечения лампочки станет уменьшаться. А когда угол между осями катушек составит 90 градусов, никакого свечения лампы мы уже не увидим - индукционный ток во второй катушке перестаёт возникать.

а)

Рис. 42

б)

в)

Лампочка

Сравните, Андрей, эти схематичные изображения, и скажите, отличается ли чем-то наш опыт с двумя катушками от опыта, демонстрирующего действие закона Малюса?

Абсолютно ничем, Антон Павлович!

А ведь, я подчёркиваю, никакого поперечного колебательного процесса в промежутке между двумя катушками в нашем опыте не происходит. Мы имеем дело только с вихревым образованием - магнитным полем, но при этом наблюдаем эффект поляризации!

Теперь, Андрей, если Вы всё поняли, снова возвращаемся к Джеймсу Максвеллу.

...Прошло совсем немного времени, и представление учёного о направлении силовых линий магнитного поля вокруг провода, по которому течёт ток нарастающей или убывающей силы, однажды изменилось. Но оно изменилось всего на самую малость. Просто Максвелл вдруг понял, что силовые линии магнитного поля можно рассматривать как правильной формы окружности, отстоящие от провода на разном удалении, только в одном случае: когда по проводу течёт ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени. В случае же, когда по проводу течёт переменный электрический ток, конфигурация магнитных возмущений должна непременно иметь иной вид.

На приведенном ниже рисунке изображены два вертикально расположенных прoвода, по которым течёт электрический ток нарастающей силы. По проводу слева ток течёт от листа к нам. По проводу справа ток течёт в противоположном направлении, от нас к листу. Изогнутыми стрелками обозначены траектории движения частиц (тонкой материи), образующих вокруг провода вихревое магнитное поле нарастающей силы. Как Вы понимаете, в этих траекториях поперечная компонента, объясняющая поляризацию световых волн, тоже присутствует, но..! Обратите внимание на интересное явление: в какую бы сторону ток ни тёк по проводу, движение частиц тонкой материи, создающих вихревое магнитное поле, всегда направлено от провода.

Ток течёт к нам Ток течёт от нас

Рис. 43

Провод

Магнитное поле

нарастающей силы

Продолжая размышлять над своей электромагнитной теорией света и пытаясь постигнуть саму структуру той среды, в которой возникают возмущения с различными свойствами, Максвелл набрасывал в своих рабочих тетрадях рисунки, похожие на эти, один за другим, и они наводили его на мысль, что переменный электрический ток должен создавать вокруг провода магнитные возмущения переменного направления вращения, вектор силовой характеристики которых всегда направлен от провода! А если свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции, и между ними можно поставить знак равенства, то, значит, "в среде, в которой распространяются волны, существует давление в направлении, нормальном к волнам, численно равное энергии в единице объёма"!!!44

Максвелл пишет, что если получить концентрированный пучок световых лучей электрической лампы, то такие лучи, "пaдая на тонкий металлический диск, весьма чувствительным образом подвешенный в безвоздушном пространстве, возможно, произвели бы могущий быть наблюдаемым механический эффект"45.

Спустя короткое время Максвелл вывел математическую формулу, по которой можно определить механическое давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет. В соответствии с этой формулой Максвелла, давление света есть результат передачи телу механического импульса поглощаемых или отражаемых им частиц светоносной материи, образующих световой поток и обладающих определённой скоростью и определённой массой.

Величина силы, действующей на тело, определяется изменением количества движения за единицу времени. Если на какое-то тело за время ?t падает световое излучение, обладающее массой m, то оно передаёт этому телу импульс ?(mc); где с - скорость распространения света. Это означает, что световой поток действует на тело с силой F = ?(mc)/?t. Если поверхность тела полностью поглощает падающий на него свет (является абсолютно чёрной), то изменение импульса светового излучения ?(mc) будет просто равно импульсу mc, то есть F = mc/?t. Отсюда получаем, что давление света P = F/S = mc/S?t; где S - площадь облучаемой поверхности46. Для полностью отражающей свет поверхности P = 2mc/S?t.

С выводами Максвелла, в отношении того, что свет оказывает механическое воздействие на тела, первыми согласились астрономы.

- Антон Павлович, а почему именно астрономы?

Потому что, ещё в средние века, наблюдая за кометами, астрономы установили, что при приближении кометы к Солнцу, у неё часто образуется газовый или газо-пылевой хвост, всегда направленный от Солнца. В 1611 году немецкий учёный Иоганн Кеплер не нашёл этому феномену никакого иного объяснения, кроме того, что образование кометных хвостов вызвано давлением солнечного света.

Рис. 44

Положение хвоста кометы относительно Солнца

В 1873 году Максвелл смог найти все необходимые числовые значения для своей формулы и определить, что на Земле солнечный свет непрерывно давит на квадратный метр чёрной поверхности, расположенной перпендикулярно лучам, с силой 0,0000045 Ньютона.

Сухая строчка из "Биографии физики": "При жизни Максвелла его теория не получила всеобщего признания: она считалась непонятной, математически нестрогой, логически необоснованной. Лишь после работ Генриха Герца, доказавшего существование электромагнитных волн, и опытов П.Н. Лебедева, в которых было измерено давление света, предсказанное Максвеллом, его теория завоевала признание среди учёных"47.

Антон Павлович! Расскажите, пожалуйста, каким образом Петру Лебедеву удалось на практике измерить столь малую величину давления света?

- Обнаружить и измерить такую силу на опыте действительно было очень трудно, так как одностороннее нагревание поверхности тела лучами вызывает увеличение давления окружающего воздуха на эту поверхность, превышающее во много раз световое давление. В 1900 году русский физик Пётр Лебедев сумел преодолеть все трудности этого эксперимента и измерить величину светового давления на тела. Схема его установки48 выглядела следующим образом.

Рис. 45

Вот суть устройства и работы установки Лебедева. Свет от источника S после ряда отражений падает на тонкий лёгкий кружок R, укреплённый на подвеске. Подвеска (показана справа) висит на тончайшей кварцевой нити в герметичной камере К, из которой откачен воздух. По углу закручивания подвески определяется сила давления света на кружок R. Пластинка П направляет определённую часть света на термоэлемент Т для измерения энергии излучения. Передвижением зеркал З1 и З2 можно менять ход световых лучей, направляя их на другую сторону кружка R.

На основе результатов, полученных в ходе эксперимента, Пётр Лебедев сделал следующие выводы: 1) Падающий пучок света производит давление как на поглощающие, так и на отражающие поверхности. 2) Силы давления света прямо пропорциональны энергии падающего луча и не зависят от цвета. 3) Теория Максвелла и его расчёты по определению давления света верны.

- Я думаю, что Вам, Андрей, будет интересно узнать ещё об одном открытии в этой же области физики, сделанном тремя годами ранее. В 1887 году, немецкий физик Генрих Герц, открыл оптико-механическое явление, которое можно было объяснить только тем обстоятельством, что ансамбли движущихся частиц эфира, образующие вихревые волны, в частности, ультрафиолетового света, оказывают на тела столь высокое механическое воздействие, что выбивают из этих тел несущие электрический заряд частицы химических элементов!

Изучавший индукционное действие незамкнутых токов и подбиравшийся таким образом вплотную к открытию радиоволн немецкий учёный Генрих Герц обнаружил, что при облучении ультрафиолетовыми лучами искрового разрядника, находящегося под высоким напряжением, облегчается искровой разряд через воздух, то есть разряд возникает при таком расстоянии между электродами, при котором в отсутствии облучения ультрафиолетовым светом он не происходит. На основании увиденного Герц сделал вывод, что ультрафиолетовый свет способствует возникновению искрового пробоя. Новое явление было названо фотоэффектом. В 1888 году исследованиями фотоэффекта занялись немецкий физик Вильгельм Гальвакс, итальянский физик Аугусто Риги, русский физик Александр Столетов, и многие другие учёные.

В частности, Александру Столетову удалось обнаружить, что высокое напряжение для фотоэффекта не существенно, так как он возникает и при очень небольшом напряжении между электродами. Учёный создал установку49, позволяющую благодаря фотоэффекту получить непрерывный электрический ток в воздушном зазоре между двумя металлическими электродами и исследовать его зависимость от интенсивности и длины волны падающего светового излучения.

Рис. 46

Движение выбитых светом электронов

Гальванометр

Свет

Батарея

Установка Столетова работала таким образом. Свет от вольтовой дуги, сконцентрированный в узкий пучок, свободно проходил сквозь сетчатый электрод и, падая на отрицательно заряженную цинковую пластину, на поверхности которой находился избыток отрицательно заряженных частиц, выбивал из пластины некоторое их количество. Отрицательно заряженные частицы устремлялись к сетчатому электроду, заряженному положительно (он подключен к плюсу батареи), и таким образом в воздушном промежутке возникал (!) электрический ток, величину которого можно было определять по гальванометру.

Blog