Вилен Барабой - Солнечный луч
Есть еще одна важная характеристика света, на которую свойства вещества не влияют. Это так называемая частота колебаний. Чем меньше длина волны, тем больше ее частота, т. е. количество колебаний в единицу времени. Частота световых колебаний , где с — скорость света; — длина волны. Для оранжевого цвета, например, с длиной волны 6000 А имеем: = 0,5·1015 гц. Очевидно, именно частота в наибольшей степени характеризует то качество лучей, которое воспринимается человеком как ощущение цвета.
Воззрения на природу света развивались по мере прогресса науки. Первое общее представление о свете пытался сформулировать Декарт. Описывая общую механическую картину мира, Декарт предположил, что свет представляет собою мгновенную передачу давления от источника света через эфир — среду тонкого строения, заполняющую все мировое пространство. В отличие от Декарта, голландский ученый X. Гюйгенс представлял себе распространение света как процесс упругих колебаний мирового эфира, без быстрого перемещения его частиц. Однако волновая теория света Гюйгенса была недостаточно разработана. Ее дальнейшему развитию помешала популярность выдвинутой Ньютоном теории корпускулярной природы света.
Ньютон предполагал, что в процессе излучения света нагретое тело отдает часть своего вещества, частицы которого (корпускулы) несутся прямолинейно во все стороны с огромной скоростью, вызывая попеременные разрежения и сжатия эфира. Этим он пытался объяснить образование описанных выше колец. Ньютон не противопоставлял свою теорию волновой, но его последователи и ученики превратили корпускулярную теорию в антипод волновой. На протяжении почти 200 лет в науке господствовала корпускулярная теория света. Однако к концу XIX в. в физике накопилось немало фактов, объяснить и понять которые можно было только исходя из признания волновой природы света.
Прежде всего это относится к явлению дифракции света. Встречающиеся в природе волны способны при определенных условиях огибать препятствие, заходить в область тени. При этом, чем меньше размер препятствия, тем легче огибает его волна. Когда длина волны и размер препятствия становятся соизмеримыми, волна как бы «не замечает» преграды. Способность волн огибать препятствия и получила название дифракции волн. Отсутствие дифракции света в обыденных наблюдениях может иметь следующее объяснение: либо свет — процесс не волновой, а корпускулярный (частицы, как известно, движутся прямолинейно), либо длина волны света столь мала, что наблюдаемые предметы неизмеримо велики по сравнению с нею.
Эту проблему можно решить лишь опытным путем. Глаз человека перестает различать предметы, если величина их меньше десятых долей миллиметра. Лупа, а затем микроскоп в десятки, сотни раз повысили возможность глаза различать предметы. Однако увеличение больше, чем в 1 — 1,5 тыс. раз, уже не повышает разрешающую способность глаза. Наличие предела разрешения — это и есть искомое нами доказательство дифракции света и, следовательно, его волновых свойств.
Другое доказательство волновой природы света связано с опытом Ньютона — образованием радужных колец. Если от двух источников колебаний бегут волны, то частицы колеблющегося тела участвуют в обоих колебательных процессах. Если частота колебаний и, следовательно, длина волны одинаковы, происходит странное на первый взгляд явление: на поверхности среды, например воды, в некоторых местах частицы колеблются особенно сильно. Между этими местами волнение частиц ослаблено или совершенно отсутствует. Это явление, получившее название интерференции, происходит в результате наложения волн друг на друга. В точках встречи волн в одинаковых фазах (например, двух гребней или двух впадин) они взаимно усиливают друг друга, дают максимум эффекта. Между областями максимумов, где сталкиваются волны, находящиеся в противоположных фазах (например, гребень и впадина), из-за взаимного уничтожения волн образуются минимумы эффекта. Кольца Ньютона, радужная окраска пленок бензина или масла, мыльных пузырей — все это частные случаи интерференции световых волн.
В начале XIX в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель в своих работах доказали волновую природу света. Юнг истолковал явление цветных пленок с позиций интерференции, высказав мысль о том, что свет представляет собой поперечные колебания. Френель разъяснил сущность дифракции. Учитывая явления дифракции и интерференции, ученые сумели точно вычислить длину волн лучей разного цвета, их частоту и дать строго математическую и физическую характеристику цвета.
Волновая природа света проявляет себя еще в одном интереснейшем физическом явлении. Его в отличие от других свойств света невозможно непосредственно увидеть или измерить. Узнали о его существовании, изучая прохождение света через прозрачные кристаллы некоторых минералов. Это свойство — поляризация света.
В 1678 г. Гюйгенс писал: «Из Исландии... был привезен кристалл или прозрачный камень, весьма замечательный по своей форме и другим качествам,— но более всего по своим странным преломляющим свойствам» [Цит. по: У. Брэгг. Мир света. Мир звука. М., «Наука», 1967, с. 131.]. Гюйгенса поразило, что, за исключением особых случаев, каждый луч, входящий в кристалл, разделяется на два луча, которые внутри кристалла распространяются по разным направлениям. По выходе из кристалла лучи принимают прежнее направление, но остаются двумя самостоятельными лучами, идущими параллельно друг другу. Если через кристалл шпата взглянуть на точку или букву, видны две точки или буквы (рис. на вклейке). Гюйгенс установил, что при вращении кристалла исландского шпата одно из изображений остается на месте, а второе вращается вокруг первого; его положение зависит от формы и положения кристалла. Иначе говоря, один луч ведет себя нормально, следуя законам преломления. Второй — необычно: его преломление зависит от положения кристалла, т. е., очевидно, скорость распространения этого луча в веществе кристалла различна в разных направлениях.
Явление поляризации света нашло полное и убедительное объяснение с позиций представления о свете как поперечных колебаниях эфира. В каждом конкретном случае, в каждом элементарном акте излучения колебание распространяется в одной определенной плоскости. Но в обычном потоке излучения плоскости колебаний не совпадают, а распределяются хаотически. Так происходит потому, что в нагретом теле отдельные элементарные акты излучения совершаются независимо друг от друга. Свет таких источников не поляризован. В поляризованном же свете плоскости колебаний лучей совпадают или близки.
Наиболее близкую аналогию явлению поляризации представляет распространение колебаний по шнуру, один конец которого закреплен, а другой — в руке. Встряхивая шнур, можно имитировать поперечные колебания в любой плоскости. Если два колышка забить близко друг к другу таким образом, что шнур окажется между ними, то условия для распространения волн в разных плоскостях, проходящих через шнур, станут неодинаковыми. В плоскости, параллельной колышкам, колебания смогут распространяться по-прежнему беспрепятственно. В направлениях, значительно отличающихся от этого, волны распространяются лишь до колышков, а далее гасятся.
Нечто подобное происходит в кристаллах исландского шпата и некоторых других минералов. Оптические свойства этих кристаллов неодинаковы в разных направлениях. Это явление называется оптической анизотропией. Кристаллическая решетка их атомов, подобно колышкам в нашей модели, пропускает лучи, электромагнитные колебания, распространяющиеся лишь в определенных плоскостях. В кристалле исландского шпата гасятся все световые колебания, кроме распространяющихся перпендикулярно его оси,— это так называемый обыкновенный луч. Световые колебания, плоскость которых перпендикулярна плоскости обыкновенного луча, образуют второй луч, отличающийся некоторыми особенностями. Оба луча оказываются поляризованными.
Свет поляризуется не только при прохождении через анизотропные прозрачные кристаллы, но и при отражении от поверхности прозрачных тел. Лучше всего отражается свет, колебания которого параллельны поверхности стекла.
Глаз человека не в состоянии отличить поляризованный свет от неполяризованного. Однако свойства поляризованного света нашли довольно широкое и разнообразное применение в технике. При пропускании поляризованного света через прозрачные (например, пластмассовые) модели промышленных изделий удается обнаружить распределение в них напряжений: при механическом сжатии или растяжении изменяются условия и скорость распространения волн, и поляризованный свет позволяет обнаружить участки, подвергающиеся наибольшей деформации, и оценить заранее поведение изделия, внести, если нужно, поправки в технологию.
