Полная версия

Главная arrow Философия arrow ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ: ФИЛОСОФИЯ МАТЕМАТИКИ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Общий обзор эфирной оптики

«Электромагнитная теория света Максвелла — или, лучше сказать, его новая теория, рассматривающая свет и электричество как проявления одного и того же агента, — возникла из стремления математически истолковать идеи Фарадея о едином значении наполняющего пространство эфира — идеи, которую сам Фарадей развивал лишь в очень неопределенной форме»1.

В вышеописанные уравнения Максвелла входит константа, равная скорости света. И общий вывод Максвелла, сделанный на основании этих уравнений, заключался в том, что свет следует считать электромагнитной волной. Но перед тем как описать максвелловскую теорию света, сделаем общий обзор эфирной оптики. Максвелловская теория света была логическим завершением развития оптики начиная с Нового времени.

Начиная с Декарта эфир стали представлять как среду, которая является переносчиком света. По Декарту, свет — эго статическое сжатие этой среды, которое передается мгновенно. Но Декарт использовал модель абсолютного жесткого эфира, поэтому свет в таком эфире распространялся мгновенно. Гук следовал другой эфирной модели — модели упругого колеблющегося эфира. Поэтому Гук представил свет не как статическое сжатие, а как быстрое колебательное движение эфира с малой амплитудой. Он основывался на исследовании излучения света каким-нибудь телом. По его мнению, приграничные частички эфира выходят из тела и возвращаются в него, заставляя также колебаться и соседние с ними слои эфира. Такое колебательное движение подразумевало уже конечную скорость распространения света за счет возвратного движения.

Далее Гюйгенс поддержал идеи Гука, представляя свет как возмущения, которые с высокой скоростью распространяются в высокоупругой среде. Эта среда и является эфиром как тонкой материей. «Процесс волнового распространения света Гюйгенс рассматривает, используя принцип, который был впервые введен именно в то время (с тех пор этот принцип носит его имя). Принцип можно сформулировать следующим образом: рассмотрим фронт волны, или геометрическое место точек возмущения, существующее в определенный момент времени t. Тогда каждый элемент поверхности фронта волны можно рассматривать как источник вторичной волны, которая в однородной изотропной среде будет распространяться наружу от элемента поверхности фронта волны в форме сферы, радиус которой в любой последующий момент времени tf пропорционален {tf - t). А фронт волны, который представляет полное возмущение в момент времени tf, является огибающей вторичных волн, которые возникают из различных элементов поверхности исходного фронта волны. Введение этого принципа позволило Гюйгенсу объяснить явления преломления и отражения, тогда как Гуку и Парди это не удалось. Метод Гюйгенса заключался в объединении его собственного принципа с принципом Гука о последовательном прохождении правой и левой сторон фронта волны в тот момент, когда он достигает поверхности раздела двух сред»1.

В XVIII в. теорию эфира поддержали два последователя Лейбница: И. Бернулли младший и Эйлер. Согласно Бернулли, все пространство пронизано жидким эфиром, частицы которого закручиваются в чрезвычайно маленькие вихри. Именно эти вихри и порождают упругость эфира, посредством которой и распространяются колебания. Вихри все время стремятся расшириться и давят друг на друга. Источник света сгущает ближайшие к нему вихри, а те в свою очередь давят и сгущают соседние с ними вихри. Так давление распространяется по всему эфиру. Но колебания продолжают пониматься как продольные. И это является слабым местом всей волновой теории света. Одним из самых известных защитников эфирной теории в XVIII в. был Эйлер. Он сравнил распространение света в эфире с распространением звука в воздухе. Эйлер связывал цвета с частотой колебания эфира.

Ситуация с признанием волновой теории света стала кардинально меняться в первой половине XIX в. Первые серьезные удары по корпускулярной теории были нанесены Юнгом. Он выдвигал против корпускулярной теории следующий аргумент. И огромное Солнце, и маленькая искра, высеченная из гальки, порождают световые корпускулы одинаково огромной скорости, хотя энергия Солнца и трение двух камешков несопоставимы.

По мнению Юнга, у волновой теории проблемы с объяснением этого примера не существует, так как все возмущения передаются через упругую жидкость с одинаковой скоростью. Юнг пытается дать более вразумительное объяснение явлению преломления. В корпускулярной теории нельзя понять, почему одна часть луча отражается, а другая преломляется. Для волновой теории Юнг приводит аналогию с отражением звука от облаков, причем преломление объясняется тем, что преломляющие среды с помощью притяжения удерживают большее количество эфира, делая его более плотным по сравнению с эфиром в вакууме.

Пытаясь объяснить так называемые кольца Ньютона, описанные им в 1675 г., Юнг пришел к новому волновому объяснению явления интерференции. «Допустим, — говорит он, — что некоторое количество равных волн движется по поверхности озера со стоячей водой с определенной постоянной скоростью и входит в узкий канал, выводящий из озера. Затем допустим, что какая-то иная подобная причина вызвала другой равный ряд волн, который подходит к тому же каналу с той же скоростью и в то же время, что и первый. Ни один из рядов волн не разрушит другой, но их воздействия будут суммированы: если они войдут в канат так, что максимум одного ряда волн совпадет с максимумом другого, то вместе они создадут ряд волн с большим максимумом, полученным сложением максимумов этих волн, но если максимумы одного ряда волн соответствуют минимумам другого ряда волн, то они должны в точности заполнить эти минимумы, и поверхность воды должна оставаться ровной. Я считаю, что нечто подобное происходит, когда таким образом смешиваются две части света, и эго я называю общим законом интерференции света»[1].

На этой основе Юнг объяснил цвета тонких пластинок, видимые при отражении. По Юнгу, падающий свет порождает два луча. Один луч отразится от первой пластины, другой луч — от второй пластины. Затем оба луча при интерференции дадут соответствующие цвета. Центральное пятно при интерференционной картине Юнг объяснил отставанием одного луча от другого на половину волны.

Юнгу принадлежит заслуга объяснения аберрации, которая изначально была открыта на основе корпускулярной теории. «Относительно явлений аберрации звезд, — писан он, — я склонен полагать, что световой эфир проникает в вещество всех материатьных тел, встречая небольшое сопротивление или вообще не встречая такового, возможно также свободно, как ветер проходит через рощу. Действительно, если допустить, что эфир, окружающий Землю, находится в состоянии покоя и движение Земли никак на него не влияет, световые волны не примут участия в движении телескопа, который, как мы можем допустить, направлен к истинному месту нахождения звезды, а следовательно, изображение звезды сместится от центральной линии, проходящей через точку фокуса, на расстояние, равное тому, которое пройдет Земля, пока свет перемещается по телескопу. Это соответствует действительным наблюдениям»[2].

Объяснения дифракции, которые Юнг дал на основе интерференции, оказались не столь удачными. Но уже близился 1818 г. — год начала торжества волновой теории света. Именно в этот год Френель представил Французской академии наук новое волновое объяснение дифракции. Дифракцию Френель объяснил через интерференцию вторичных волн, которые испускают части исходной волны, не загораживаемые дифракционной решеткой. При этом Френель частично использовал результаты Гюйгенса и Юнга.

Не менее важную мысль Френель заимствовал от того же Юнга. Это были предположения Юнга о поляризации и поперечном распространении света в эфире, причем эти мысли возникли у Юнга после размышлений над опытами как раз Френеля и Лраго. «Я размышлял, — писал он, — о том, что невозможно дать совершенное объяснение влияния света, создающего поляризацию, если не отойти от классической теории волн.

Принцип этой теории состоит в том, что все световые волны просто распространяются через однородные среды в виде концентрических сферических поверхностей, как и звуковые волны. Они просто состоят из прямых и обратных движений частиц в направлении радиуса с сопровождающими эти движения сгущениями и разрежениями. И тем не менее в этой теории можно объяснить поперечные колебания, которые также распространяются в направлении радиуса и с равной скоростью, причем все частицы движутся в определенном неизменном направлении относительно этого радиуса; это и есть поляризация»[3].

Френель сразу понял революционность мысли Юнга о поперечном характере световых колебаний в эфире и о их принципиальном отличии от продольных звуковых колебаний. Именно этой мысли, этого кирпичика не хватало волновой теории для победы над теорией света атомизма. Френель совместно с Араго в 1819 г. провел опыты, которые должны были дать волновое объяснение поляризации, остававшейся пока неприступной для новой волновой оптики.

Суть опытов заключалась в следующем. При отражении возможно получить плоско поляризованные лучи. При этом если два луча поляризованы взаимно перпендикулярно, то их яркости все время складываются, нигде не давая темноты. Если угол между плоскостями меньше 90°, то имеет место частичная интерференция. Когда же плоскости поляризации совпадают, то имеет место обычная классическая интерференция, т.е. две волны и более складываются и при этом в пространстве в разных его точках происходит усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Отсюда следует, что волны света поперечны, и практически однозначно можно сделать вывод, что корпускулярная теория Ньютона более не подходит для объяснения новых оптических фактов.

Но теперь надо было предположить, что эфир обладает жесткостью, как любое твердое тело. Эта жесткость обеспечивала бы деформацию при сопротивлении сжиманию и образование поперечных колебаний. И здесь принципиально меняется сущность эфира, который более не рассматривается как жидкость, ибо, согласно Юнгу и Френелю, эфир противодействует, сопротивляется деформации, создавая поперечные колебания. Жидкость же по определению не сопротивляется деформации.

С этой точки отсчета начал свои физические исследования Коши. Необходимо было исследовать свойства объемного упругого твердого тела. Здесь было достаточно сложностей. Так, одну из этих сложностей разрешил Дж. Стокс. Еще Ньютон критиковал эфир за то, что он «создает» проблемы для движения планет и комет. А тут эфир перестал быть жидкостью, став твердым телом. Естественно встал вопрос о движении сквозь него небесных тел. Стокс предложил аналогию с воском и смолой, которые считаются упругими телами, но одновременно способны пропускать медленно движущиеся более твердые тела. Но самая большая сложность состояла в создании стройного математического аппарата, описывающего поперечные колебания в эфире как упругом твердом теле. Коши исходил из того, что колебания в эфире происходят перпендикулярно плоскости поляризации света.

В это же время стали появляться факты, которые очевидно указывали на связь электромагнитных явлений и новой волновой оптики, противоречащей Ньютону. В 1848 г. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле, что явно говорило о наличии связи между магнетизмом и оптикой. Кроме того, была обнаружена связь между размерностями скорости света и отношения электромагнитных и электростатических единиц силы тока. Эти исследования были проведены в 1856 г. Р. Кольраушем и В. Вебером. Не менее важным было открытие факта зависимости скорости света в прозрачной среде от диэлектрической и магнитной проницаемости среды.

Теперь снова вернемся к Максвеллу. Начиная уже с 1857 г. Максвелл размышлял о том, является ли скорость распространения магнитного действия однопорядковой величиной со скоростью распространения света. Максвелл выяснил, что сила распространения возмущения в электродинамике такая же конечная, как и скорость распространения света. И это оказалось одним из фундаментальных оснований электродинамики. Максвелл писал, что он «рассматривал как подлинный ключ электродинамики, а именно, выведение силы, действующей между движущимися электрическими частицами, рассматривая эту силу не в качестве мгновенного действия на расстоянии, но действия, распространяющегося во времени таким же образом, как распространяется свет»[4].

После построения электромагнитной теории оказалось, что уравнения, которые отвечают за скорость распространения возмущения в магнитных и электрических процессах, оказались такими же, как уравнения, отвечающие за скорость распространения света в среде. А раз магнитное и электрическое возбуждение передается волнами, то свет должен быть подобной же волной. Более того, экспериментально и теоретически удалось показать, что скорость света и электрическое отношение с в уравнениях Максвелла удивительным образом совпадают. Максвелл писал: «Вряд ли можно избежать вывода о том, что свет состоит из поперечного волнового движения той же среды, которая вызывает электрические и магнитные явления»[5].

Чтобы окончательно доказать электромагнитный характер скорости света, Максвелл описал распространение света в изотропных сферах, кристаллах и металлах на основе своих уравнений электродинамики. Это вполне удалось, что стало еще одним доказательством единства оптики и электромагнетизма. Еще одним выводом, следующим из теории Максвелла, было признание давления света. Причем это вызвало серьезные сомнения у современников, например у лорда Кельвина. Но русский физик Столетов в работах 1899—1901 гг. вполне доказал существование такого давления.

Окончательное признание электродинамики Максвелла получило только после опытов Герца в 1886—1889 гг. Но это всеобщее признание продлилось недолго. Очень скоро выявились проблемы внутри этой физической теории. Первая проблема была связана с максимальностью и предельностью скорости света. Другой проблемный в скором будущем вывод следует из признания электродинамикой привилегированной системы отсчета, связанной с покоящимся эфиром.

  • [1] Уиттекер Э. Указ. соч. С. 129.
  • [2] Там же. С. 137.
  • [3] Там же. С. 143-144.
  • [4] Максвелл Дж. К. Указ. соч. С. 628.
  • [5] Уиттекер Э. Указ. соч. С. 303.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>