VII. Основы волновой оптики

VII.1. Краткая история развития представлений о природе света

Оптика – раздел физической науки, в котором рассматриваются закономерности излучения, распространения и поглощения света. Традиционно оптику принято подразделять на геометрическую и физическую.

Геометрическая (лучевая) оптика не изучает природу света. Ее основными законами являются прямолинейное распространение света в прозрачных средах, его отражение и преломление. При этом свет рассматривается как совокупность световых лучей – линий, вдоль которых распространяется энергия.

Физическая оптика изучает вопросы, связанные с природой света и оптических явлений. Природа света двойственна. С одной стороны, свет представляет собой электромагнитную волну, с другой – поток частиц (фотонов). В связи с этим различают волновую и квантовую оптику.

Волновая оптика рассматривает оптические явления, в которых проявляется волновая природа света – явления интерференции, дифракции, поляризации и дисперсии. В основе волновой оптики лежат уравнения Максвелла и вытекающие из них соотношения для электромагнитных волн. Максвелл писал: «Едва ли мы можем избежать заключения, что свет – это поперечное волнообразное движение той же самой природы, которая вызывает электрические и магнитные явления».

Оптика – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на протяжении всего своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тысяч лет до нашей эры. Пифагор (VI в. до н.э.) высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицами. Аристотель (IV в. до н.э.) полагал, что свет представляет собой возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. В том же веке в школе Платона были сформулированы два важнейших закона геометри-ческой оптики – прямолинейность лучей света и равенство углов их падения и отражения.

Следующий важный шаг развития оптики состоял в понимании законов преломления света и был сделан лишь много веков спустя. В средние века хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемые линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В XIII в. появились очки. В 1590 г. нидерландский ученый З. Янсен построил первый двухлинзовый микроскоп. В 1609 г. Г. Галилей создал телескоп, с помощью которого первые же наблюдения привели к ряду замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь в 20-х годах XVII в. голландским ученым В. Снеллем и французским ученым Р. Декартом. Их работами был завершен фундамент построения геометрической оптики.

С конца XVII в. в оптике развернулась борьба между корпускулярной и волновой теориями света. Автор первой теории – И. Ньютон – считал свет потоком корпускул (частиц), выбрасываемых светящимся телом и летящих в пространстве прямолинейно. С этим представлением хорошо согласовывались закон прямолинейного распространения света и закон отражения. Теория Ньютона объяснила и закон преломления света, причем из нее следовало, что в более плотной среде свет распространяется с большей скоростью, чем в менее плотной.

Волновую теорию света предложил современник Ньютона голландский ученый Х. Гюйгенс. Следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Ф. Гримальди и Р. Гука, Гюйгенс исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний особой среды – эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью. Наибольшим вкладом Гюйгенса в оптику является установление принципа, согласно которому каждая точка волнового фронта может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн.

Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления, причем из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления (где и – скорости света в 1-й и 2-й средах). Однако, сформулировав фундаментальный принцип волновой оптики, Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая могла бы противостоять воззрениям Ньютона. Поэтому корпускулярная «теория истечения» сохраняла господствующее положение в оптике до начала XIX в.

Победа волновой теории света связана с работами Т. Юнга и О. Френеля. В 1801 г. Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких пленок и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Френель, используя принцип Гюйгенса, дал волновую интерпретацию прямолинейности распространения света и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют. Это дало основание Юнгу и Френелю высказать важную идею о поперечности световых колебаний. Таким образом, все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию.

Вместе с тем представление о свете как упругих поперечных колебаний эфира приводила к необходимости искусственных теоретических построений (эфир приходилось наделять свойствами твердого состояния и в то же время допускать, что в нем могут свободно перемещаться тела). Эти трудности были разрешены лишь после создания Д. Максвеллом учения об электромагнитном поле.

Первое указание на непосредственную связь электромагнетизма с оптикой было сделано М. Фарадеем в 1848 г. Последующие теоретические исследования Максвелла (1865) показали, что изменения электрического и магнитного полей не локализованы в пространстве, а распространяются со скоростью, равной скорости света. Это теоретическое заключение позднее было подтверждено опытами Г. Герца (1887). По Максвеллу свет – электромагнитная волна, распространяющаяся в среде со скоростью

где с – скорость света в вакууме; – соответственно относительная диэлектрическая и относительная магнитная проницаемости среды. При этом показатель преломления среды

Это соотношение связывает оптические, электрические и магнитные характеристики вещества. Однако из него не следует зависимость показателя преломления вещества от длины световой волны, хотя опыты показывают, что такая зависимость существует (дисперсия света). Теория Максвелла не могла объяснить этого явления. Это было сделано Г. Лоренцем (1896), создавшим электронную теорию света.

Электромагнитная теория света не только объясняла наблюдаемые оптические явления, но и позволила предсказать такое явление, как давление света, которое экспериментально было обнаружено в 1899 г. русским ученым П.Н. Лебедевым. По этому поводу английский физик Д. Томсон писал: «Я всю свою жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, а вот опыты Лебедева заставили меня сдаться». Таким образом, свет – это электромагнитные волны, которые могут распространяться как в среде, так и в вакууме.

Несмотря на успехи классической электродинамической теории света Максвелла-Лоренца, вскоре выяснилось, что она недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света. Особенно отчетливо это проявилось в парадоксальности выводов теории (противоречащих закону сохранения энергии) из анализа распределения по длинам волн излучения абсолютно черного тела. Рассматривая эту принципиальную проблему, немецкий физик М. Планк пришел к заключению (1900), что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает энергию электромагнитному полю не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями или квантами, пропорциональными частоте колебаний. Развитие идеи Планка, противоречащей классическим представлениям, не только дало удовлетворительное решение проблемы теплового излучения, но и заложило основы современной квантовой физики. Работы Планка и А. Эйнштейна (1905), который приписал квантам света – фотонам, кроме энергии, также импульс и массу, вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Квантовую теорию света в дальнейшем развивали в своих трудах Н. Бор, М. Борн, В. Гейзенберг, В. Паули, Э. Шрёдингер, П. Дирак, Э. Ферми, Л.Д. Ландау и другие выдающиеся ученые-физики.

Таким образом, на основании современных представлений свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу (корпускулярно-волновой дуализм): с одной стороны, он обладает волновыми свойствами (явления интерференции, дифракции, поляризации), с другой – представляет собой поток частиц – фотонов, обладающих нулевой массой покоя и движущихся со скоростью, равной скорости света в вакууме.

Корпускулярно-волновой дуализм есть проявление наиболее общей взаимосвязи двух основных форм существования материи – вещества и поля.