ИСТОРИЯ ФИЗИКИ - Макс Лауэ

Большую трудность представляло для старой оптики объяснение цветов. Вторым великим деянием Исаака Ньютона было данное им в 1672 г. доказательство того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый. Ничто так ярко не иллюстрирует значение этого открытия, как страстный протест против него со стороны Гете (1791-1792 и 1810). Гете ссылался на тот факт, что глаз воспринимает белый цвет как единство, в отличие от уха, которое гармонически анализирует колебания. Ньютон был вынужден заняться призмой в связи с хроматической аберрацией оптических инструментов, которую он считал неизбежной. С этим связана его конструкция зеркального телескопа (1672), в котором эта аберрация была полностью устранена. Этой точки зрения придерживались также его последователи до тех пор, пока в 1753 г. Джон Доллонд (1706-1761) не сконструировал ахроматический объектив телескопа с помощью стекол различных сортов. В 1800 г. Фридрих Вильгельм Гершель (1738-1822) указал, что границы спектра не совпадают с границами видимого света и что за красным цветом находится излучение менее преломляемое, но обнаруживаемое благодаря тепловому действию. Спустя год за фиолетовой частью спектра Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810), а также Вильям Гайд Волластон (1766-1828) обнаружили химически действующее излучение.

Проблема измерения континуума различных видов световых лучей, разделяемых призмой сообразно их природе, представляет собой проблему, аналогичную измерению времени (гл. 1). Слова «красный», «желтый» и т. д. внутри этого континуума являются слишком неточными и субъективными вехами, изменчивыми в зависимости от того или другого воспринимающего лица. Поэтому значительным шагом вперед было открытие в 1814-1815 гг. Иозефом Фраунгофером названных по его имени темных линий в солнечном спектре (он присоединил к призме спереди коллиматор, а сзади телескоп). Фраунгофер использовал эти линии как метки и смог точно измерить показатель преломления, приписав каждой линии соответствующее значение. В настоящее время так же поступают для различных технических целей. Но поставленная проблема была решена лишь в 1821-1822 гг., когда Фраунгофер получил диффракцию на решетке и Магнус Шверд (1792-1871) объяснил это явление на основе волновой теории (1835 г.). С этого времени стали измерять длину волны любого вида света по известным углу диффракции и постоянной решетки с относительной точностью до 10-7. Именно с этого времени существует спектроскопия с ее огромным значением для науки и техники. Так, например, измерения Пашеном (1865-1947) длин волн для линий водорода и гелия и особенно опирающееся на эти измерения точное определение константы Ридберга имели решающее значение для атомной модели Бора (гл. 14).

Другим дискуссионным вопросом в XVII столетии был вопрос о том, конечна ли скорость света или нет. Декарт ее отрицал, Галилей утверждал, оба без опытного обоснования. Для экспериментального решения этой проблемы не было тогда достаточно средств. Однако из наблюдений повторяющихся часто, но не строго периодически, затмений одного из спутников Юпитера Олаф Рёмер (1644-1710) вывел в 1676 г. знаменитое заключение о том, что скорость света в пустом пространстве равна 3 • 1010 см/сек. Наблюдения Джемса Брэдли (1693-1762) над аберрацией доставили в 1728 г., несмотря на сомнения картезианцев, долгожданное подтверждение того, что эта скорость в 104 раз больше скорости движения Земли вокруг Солнца. Экспериментальные измерения сделаны были впервые в 1849 г. Арманом Физо (1819-1896) при помощи вращающегося зубчатого колеса и в 1862 г. Леоном Фуко (1819-1868) посредством вращающегося зеркала. Эти измерения были повторены еще многими физиками, большей частью теми же самыми методами. Новейшее определение Альберта Абрагама Майкельсона (1852-1931), произведенное в 1925-1926 гг. на расстоянии 70 км от вершины Вильсона до вершины Антонио (Калифорния) и обратно, дало значение 2,99796 • 1010см/сек при вероятной ошибке в 4 • 105см/сек.

Для теории света решающими были открытия интерференции, диффракции и поляризации. Первые наблюдения сделаны Франческо Гримальди (1618-1663), который в появившейся посмертно работе 1665 г. подробно описывает диффракцию на стержне и решетке. Но эти наблюдения, повторенные Ньютоном, остались без влияния на дальнейшее развитие. То же относится к открытию Робертом Бойлем (1627-1691) цветных колец в тонких слоях (1663) - колец, которые носят имя Ньютона, так как он первый исследовал зависимость цвета колец от толщины слоя. Ньютон высказался за корпускулярную теорию истечения света, правда, с некоторой сдержанностью, так как он явно придавал больше значения результатам своих опытов, чем их объяснению. В предисловии к своей «Оптике» он так же отклоняет гипотезы, как в заключении к «Принципам». Но за эту теорию крепко ухватились его эпигоны, и она продержалась до XIX столетия. Например, Жан Батист Био (1774-1862) не сразу присоединился к волновой теории, хотя он ближайшим образом соприкасался с ее развитием. Робко уже Гримальди, а более определенно Роберт Гук (1635-1703) занимались волновой теорией. Однако датировать ее надо лишь со времени появления «Трактата о свете», представленного Христианом Гюйгенсом (1629-1695) в Парижскую Академию в 1678 г. и опубликованного в 1690 г. Из представления о движении продольных волн он вывел посредством построения огибающих прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления. Последний закон он установил не только для изотропных тел, но также для исландского шпата, двойное преломление которого он объяснил из образования двух волн, причем одна из них шарообразна, как в изотропных телах, а другая представляет собой эллипсоид вращения. О спектральном разложении света работа умалчивает. В противоположность механике, в теории света в XVIII столетии был некоторый застой. «Героическая» эпоха волновой теории началась в 1800 г. и продолжалась до 1835 г. Развитие ее наблюдалось преимущественно в Англии и Франции. В 1801 г. выступил Томас Юнг (1773-1829) со своей идеей интерференции и объяснил на ее основе, как известно, ньютоновские кольца. Отсюда он первый получил приблизительные численные значения длин волн света. Он также показал различие между когерентными лучами, возникающими из одного источника света, и некогерентными лучами. Он применил эту идею к объяснению диффракции, которую рассматривал как интерференцию между светом, проходящим непосредственно через диффракционную щель, и краевыми волнами; к этому мы еще возвратимся. В 1809 г. Этьен Луи Малюс (1775-1812) открыл поляризацию, которую сам исследователь считал опровержением волновой теории. Действительно, она несовместима с продольными волнами, о которых говорится в трактате Гюйгенса. В дополнение к этому в 1811 г. Доминик Франсуа Араго (1786-1853) описал явления цветов, наблюдаемые в кристаллах в поляризованном свете. В 1817 г. Юнг высказался в пользу поперечности волн света, несмотря на то, что подобное представление противоречило обычным воззрениям. В 1815 г. начал свою (увы, столь короткую!) научную деятельность гениальный Огюстен Жан Френель (1788-1827). Благодаря ему физика получила, кроме многих новых наблюдений над интерференцией и диффракцией, также теорию диффракции в форме построения зон (1818). Эта теория связывала принцип огибающих Гюйгенса с идеей интерференции. Френель и Араго (1819) показали, что лучи, поляризованные перпендикулярно друг к другу, не интерферируют, и окончательно укрепили положение теории поперечных колебаний. Кристаллооптика Френеля, объясняющая опыты Араго, сохранила свое значение до наших дней. И наконец в этот же период времени, в 1821-1822 гг., Фрауигофер произвел опыты по диффракции, отличающиеся от опытов Френеля, теоретически более простые, чем опыты Френеля. В 1835 г. их в некотором смысле завершил Шверд своим резюмирующим сочинением «Явления диффракции, аналитически развитые из основных законов волновой теории».

Идея интерференции, согласно которой налагающиеся волны, в противоположность корпускулярным лучам, не обязательно усиливаются, а могут также ослабляться до полного уничтожения, принадлежит с тех пор к числу ценнейших вкладов в физику. Когда встречается неизвестный вид излучения, всегда стараются получить интерференцию; если это удается, то тем самым доказывается его волновой характер.

Итак, было установлено, что свет является поперечным волновым движением. С течением времени по мере совершенствования экспериментального искусства все увеличивалось количество интерференционных аппаратов и опытов и все повышалась точность измерения. Македонио Меллони (1797-1854) в 1834 г. показал, что инфракрасное излучение в опытах с отражением, преломлением и поглощением ведет себя так же, как свет. Карл Герман Кноблаух (1820-1895) с помощью опытов по интерференции, диффракции и поляризации показал в 1846 г., что оно отличается от света только большей длиной волны. Генрих Мюллер (1809-1875) применил в 1856 г. новое искусство фотографирования к коротковолновому ультрафиолетовому излучению.