Развитие оптики в XVII—XIX веках

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • исторические этапы развития оптики в XVII—XIX вв.;
• • физическую сущность принципов Ферма, интерференции Юнга, Гюйгенса — Френеля;
• • основные направления развития оптики в XX в.;
• • основополагающие идеи волновой теории света, историю установления законов отражения и преломления света, открытия явлений дисперсии, дифракции, интерференции и поляризации света;

уметь

• • оценивать исторические опыты Т. Юнга, О. Френеля, И. Физо, Л. Фуко, вклад П. Бугера и И. Г. Ламберта в развитие фотометрии, значение оптических работ И. Ньютона, X. Гюйгенса, Т. Юнга, О. Френеля, Й. Фраунгофера;
• • обсуждать биографии крупнейших ученых, работавших в области оптики;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями оптики.

Ключевые термины: принцип Гюйгенса, принцип Ферма, волновая теория света, фотометрия, принцип Гюйгенса — Френеля, интерференция, дифракция и поляризация света, дифракционная решетка, скорость света, нелинейная оптика.

Оптические исследования уходят корнями в седую древность. Это связано с тем, что подавляющую часть информации человек получает с помощью зрения.

Первые работы по оптике восходят к ученым Античности (Евклиду, Архимеду, Аристотелю и др.). Основным объектом их изучения была геометрическая оптика, причем в процессе исследований постепенно осуществился переход от теории зрительных лучей, исходящих из глаза, к теории, в которой глаз воспринимается как оптический инструмент, принимающий прямолинейно распространяющиеся лучи света. Результатом этих работ было установление понятий прямолинейного распространения света, его отражения, объяснение функционирования простейших оптических приборов (плоских и криволинейных зеркал, линз и др.).

Средневековые ученые во многом повторяли достижения Античности. Они (в частности, Альхазен) вплотную подошли к формулировке закона преломления. Однако по-настоящему оптика стала развиваться только в XVII в. Огромная роль здесь принадлежит И. Кеплеру, который был не только великим астрономом, но и выдающимся оптиком. Систематизировав и в целом ряде случаев исправив оптические труды средневековых ученых, он стал одним из зачинателей современной оптики, особенно теории и практики создания оптических инструментов (труба Кеплера). В этом отношении компанию Кеплеру составил великий Галилей. При этом оба они еще не знали закона преломления света. Его установил в 1621 г. голландский математик Виллеброд Снеллиус (1580—1626), так и не обнародовавший своего открытия.

Немало оптических исследований и в научном наследии Р. Декарта. В частности, ему принадлежит первая публикация и обоснование закона преломления света. В книге «Диоптрика», ставшей одним из приложений к его главному труду «Рассуждения о методе», Декарт обосновывает этот закон с помощью модели, предполагающей переход частиц из одной среды в другую. Это достижение ученого было связано с прикладными задачами, потребовавшими упрощения разработки и изготовления стекол, линз и зеркал. Другим важным достижением Декарта в области оптики было объяснение природы радуги.

После Галилея и Декарта оптика продолжала свое успешное развитие. Ученик Галилея математик Бонавентура Кавалъери (1598—1647) первым установил формулу линзы, справедливую, правда, лишь для линз, изготовленных из материала с показателем преломления п = 1,5. Общая формула линзы была получена в 1693 г. Эдмундом Галлеем (1656—1742).

Особую роль в развитии оптики в XVII в. сыграл X. Гюйгенс. В 1690 г. вышел французский перевод его «Трактата о свете», который ранее был опубликован на латыни. В нем сформулирован принцип распространения световых волн, который принято называть принципом Гюйгенса. С его помощью были выведены законы преломления и отражения, развита теория двойного лучепреломления. В основе принципа Гюйгенса лежит представление о том, что скорость распространения световых волн в кристалле различна в разных направлениях. Это замечательное достижение ученого. Кроме того, Гюйгенс первым из физиков установил факт поляризации света.

Теория Гюйгенса сначала не получила признания в ученой среде, хотя некоторые крупные ученые (например, Л. Эйлер и М. В. Ломоносов) поддерживали ее. Причиной тому послужила невозможность доказать с помощью принципа Гюйгенса прямолинейность распространения света. Кроме того, в своем сочинении Гюйгенс не рассматривает дифракцию и теорию цветов, ограничиваясь исследованием отражения и преломления (в том числе двойного). Такое построение книги создало у современников впечатление, что возможности теории ограничены. «Воскрешение» принципа Гюйгенса связано с именем выдающегося ученого XIX в. О. Ж. Френеля, о чем речь впереди.

Щедрую дань оптике отдал и гениальный Ньютон. Напомним о его исследованиях в области дифракции света, телескоперефракторе и других достижениях, которые были рассматрены выше. Очень важным для истории физики является тот факт, что Ньютон оказался в самом центре полемики о природе света (волновой или корпускулярной). Живя в эпоху, когда большинство ученых склонялось к волновой теории, Ньютон видел дальше и шире своих современников. Уже говорилось о том, что соответствующие представления Ньютона — это стихийный корпускулярно-волновой дуализм, значительно опережающий представления своего времени.

Волновая оптика Гюйгенса и оптика Ньютона (в основном корпускулярная) при всем их различии обладают существенными общими особенностями. Они описывают оптические явления в рамках сугубо механистических представлений. Оба ученых стремятся свести световые эффекты к явлениям механики. Однако посленьютоновская физика постепенно вырастает из рамок механики, и это в значительной мере относится к исследованиям в области оптики.

В XVIII в. ученые-физики были увлечены гипотетическими «флюидами», по сути дела корпускулярная «вещественная» природа света стала общепризнанной. В это же время все большее значение стали приобретать количественные измерения свойств света. Возникла фотометрия, основателем которой стали француз Пьер Бугер (1698—1758) и немец (эльзасец) Иоганн Генрих Ламберт (1728—1777). Первый из них опубликовал в 1729 г. «Опыт о градации света»; в 1760 г. (уже после смерти этого французского ученого) вышел «Оптический трактат о градации света». В том же году Ламберт издал книгу «Фотометрия».

Бугеру принадлежит приоритет во введении общепризнанных фотометрических единиц (яркость, сила света, освещенность и др.). Правда, у него они носят несколько иные названия, изменившиеся по ходу развития науки. Бугер также сконструировал простой фотометр, принцип работы которого основан на уравнении освещенностей, создаваемых разными источниками. Он же разработал методику работы с такими приборами и произвел ряд практических фотометрических измерений. Еще одна заслуга ученого — установление закона, по которому интенсивность светового потока убывает экспоненциально с толщиной поглощающего слоя (закон Бугера).

Ламберт в своей книге уточнил многие фотометрические понятия и добавил к закону Бугера закон зависимости яркости источника от угла, под которым испускается свет. Мы сейчас справедливо говорим о «ламбертовых» источниках, увековечивая, таким образом, память открывшего их ученого.

Говоря об оптике XVIII в., нельзя не упомянуть открытие в 1725 г. Дж. Брадлеем аберрации (отклонения) света. Это открытие не только дало возможность разработать новый метод измерения скорости света, но и сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.

Исследования XVIII в. положили начало гигантскому взлету оптики, которым характеризовался век XIX. Этот взлет был связан в первую очередь с именами Томаса Юнга и Огюстена Жана Френеля (1788—1827). Благодаря их неустанной деятельности (несмотря на оппозицию ряда современных им ученых) восторжествовала волновая теория света.

Томас Юнг (1773—1829) родился 13 июня 1773 г. Его необычные способности проявились очень рано. Он научился читать уже в двухлетнем возрасте, в девять лет изучил латинский и греческий языки, а к 14 годам знал 10 языков! В университете Юнг изучал медицину.

Но еще за два года до его окончания вышла его работа по физиологической оптике, в которой была разработана теория аккомодации глаза.

Томас Юнг был разносторонним ученым: физиком и физиологом, медиком и кораблестроителем, филологом и ботаником, астрономом и геофизиком. Разносторонность дарований Юнга невероятна. Только для знаменитой Британской энциклопедии им было написано около 50 статей по разным отраслям знаний. К тому же Юнг играл почти на всех известных тогда музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был даже цирковым артистом — наездником и канатоходцем, занимался расшифровкой египетских иероглифов, определил значение некоторых знаков Розеттского камня). Умер этот великий человек еще совсем не старым, в 1829 г.

Из множества физических открытий Юнга самым важным для нас является сформулированный им в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснение на этой основе интерференции света. Сам термин «интерференция» также принадлежит Юнгу. Его оптические исследования содержат также теорию цветового зрения, основанную на допущении наличия в сетчатке трех сортов чувствительных рецепторов, соответствующих трем основным цветам.

Волновая теория, разработанная Юнгом, основана на нескольких гипотезах. Первая из них: упругий и разреженный световой эфир заполняет всю Вселенную. Вторая гипотеза: когда тело начинает светиться, в эфире возбуждаются волнообразные движения. И наконец третья гипотеза определяет ощущения различных цветов, которые связаны с частотами колебаний в эфире. В целом эти предположения лучше всего сформулировал сам Юнг: «Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира».

Колебания эфира, порождаемые различными источниками, распространяются в эфире независимым друг от друга образом. Это и есть принцип суперпозиции, который появился на свет в 1800 г. Открытие принципа суперпозиции позволило Юнгу в 1801 г. прийти к установлению принципа интерференции света. Сам Юнг сформулировал его следующим образом: «Везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов».

Этот принцип был подтвержден Юнгом экспериментально. Измеряя ширину наблюдавшихся интерференционных полос, он смог определить ту «некоторую длину», которая фигурировала в его законе. Это было первое в истории физики определение длины волны света. Интервалы в четверть длины волны измерял еще Ньютон. Он, однако, понятием длины волны не пользовался. Юнг же в своих опытах сознательно определял длину волны света, положив тем самым начало спектрометрии. Естественно, что он обратился к опыту с кольцами Ньютона, пойдя в их исследовании дальше самого автора. Нельзя не вспомнить также о том, что Юнгу удалось зарегистрировать электромагнитные излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

Теоретические воззрения Юнга не нашли признания у современников, даже в его родной Англии они подвергались жесткой критике. Она еще более усилилась после открытия Этьена Луи Малюса.

Этьен Луи Малюс (1775—1812) родился в 1775 г. Прямо из школы он попал в армию на фортификационные работы. Инженерные таланты Малюса были замечены, и он был направлен в только что организованную Политехническую школу, которую окончил в 1796 г. Военная служба Малюса продолжалась и после окончания Политехнической школы.

Его жизнь при этом напоминала скорее приключенческий роман, нежели биографию ученого. Египетский поход Наполеона, эпидемия чумы, которой он заболел и от которой выздоровел, продолжение службы в войсках Наполеона, участвовавших в военных действиях в Египте. Только после перемирия Малюс вернулся на родину, продолжая военно-инженерную службу и интенсивно занимаясь наукой. В 1810 г. он становится академиком, к сожалению, ненадолго. В начале 1812 г. Э. Л. Малюс скончался от туберкулеза.

Оптикой Малюс начал заниматься, еще когда он принимал участие в Египетском походе Наполеона. Результатом этого стали две его работы по оптике, представленные в Академию в 1807 г. В 1808 г. Малюс сосредоточил свое внимание на проблеме двойного лучепреломления. Наблюдая через кристалл исландского шпата отражение света от окон Люксембургского дворца, он заметил, что одно из изображений исчезло. Это дало начало серии опытов, которые привели к одному и тому же эффекту: при определенных углах падения света одно из изображений, наблюдавшихся через двоякопреломляющий кристалл, исчезало. Таким образом, Малюс открыл в световом луче асимметрию, аналогичную поляризационным свойствам частиц.

Поддерживая идею Ньютона о поляризационных свойствах корпускул, Малюс ввел в оптику термин «поляризация света». Он установил, что свет, падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется. Позже, в 1815 г., шотландский физик Дэвид Брюстер (1781—1868) нашел, что угол полной поляризации может быть найден из уравнения tgi = п, где п — показатель преломления данного вещества.

Открытия в области поляризации света продолжались: в 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор. Сейчас он носит название закона Малюса. Д. Ф. Араго открыл в 1811 г. явление хроматической поляризации света в одноосных кристаллах и вращение плоскости поляризации в кварце. Ж. Б. Био также исследовал хроматическую поляризацию в одноосных кристаллах, а в 1815 г. он открыл закон вращения плоскости поляризации.

Все эти исследования вдохновили сторонников корпускулярной теории света. П. С. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах. В ее основе лежал расчет взаимодействия молекул кристалла со световыми корпускулами. Био обобщил эту теорию на двухосные кристаллы.

Область оптических явлений невероятно расширилась. Назрела потребность в единой теории этих явлений, которая объясняла бы все их разнообразие. Такая теория появилась довольно неожиданно для парижских академиков. Неожиданность эта заключалась не только в том, что ее создал малоизвестный инженер Огюстен Жан Френель (рис. 11.1), но, главное, в том, что это была волновая теория, которая, казалось, была полностью похоронена открытиями Малюса и его коллег.

Огюстен Жан Френель (1785—1827) родился в 1785 г. в Нормандии в семье архитектора. Несмотря на слабое здоровье, мешавшее ему проявить творческие способности, он в возрасте шестнадцати с половиной лет поступил в Политехническую школу. Долгое время Френель занимался работой по организации строительства дорог и мостов. Только в 1815 г. он смог заняться наукой.

Френеля одновременно интересовали и философия, и богословие, и химия, и техника. Однако на первом месте оказалась оптика. Начиная с 1815 г. одна за другой стали появляться научные работы Френеля, стяжавшие ему мировую славу. В 1823 г. он стал академиком, однако уже в следующем году болезнь заставила Френеля отойти от научной деятельности. Умер он в 1827 г.

Рис. 11.1. Портрет Огюстена Жана Френеля.

За неполные девять лет научной деятельности Френель совершил полный переворот в науке о свете. Значение его работ для оптики можно сравнить с тем, что сделал Ньютон для механики или Максвелл для электродинамики. Проанализируем основные достижения Френеля, рассматривая их с сегодняшней точки зрения.

Работы Френеля поражают в первую очередь несокрушимой логикой. При этом для него нет никаких авторитетов (даже Ньютона), если те допускают двойственное толкование своих результатов. Так, уже в первой части своего труда 1815 г. Френель критикует Ньютона за то, что тот, пытаясь обосновать корпускулярную природу света, вынужден все время вводить новые гипотезы по мере того, как растет число фактов, требующих объяснения. Это положение, несовместимое с его представлениями о простоте устройства природы, приводит Френеля к тому, что «теория колебаний лучше подходит для объяснения этих световых явлений, чем теория Ньютона».

Волновая теория, которой Френель отдает предпочтение, подвергается им столь же глубокому и непредвзятому анализу, как и корпускулярная. При этом самым слабым местом волновой теории Френель считал то, что она не могла объяснить прямолинейность распространения света. Он писал: «Это возражение — единственное, на которое мне кажется затруднительным дать исчерпывающий ответ». В конце концов, Френель этот исчерпывающий ответ сумел дать.

Для этого потребовалось проведение дифракционных исследований, которые были сделаны Френелем с изумительным мастерством и даже изощренностью. Очень важно, что при этом им наблюдались оптические эффекты, которые можно однозначно интерпретировать в рамках принципа суперпозиции волн и интерференционного принципа. В результате опытов Френель сумел нарисовать картину интерференционного поля в дифракционном эксперименте и объяснить с помощью интерференционного принципа не только дифракционные явления, но также законы отражения и преломления света. Он утверждал, что световые волны погашают друг друга во всех направлениях кроме тех, которые удовлетворяют закону отражения или закону преломления.

Во второй части работы (точнее, в дополнениях к ней) в 1816 г. Френель объясняет с точки зрения волновых представлений опыт с кольцами Ньютона. Здесь же дана формула для разности хода интерферирующих лучей d в плоскопараллельных пластинках:

где х — толщина пластинки; i — угол преломления. В этом дополнении описан также классический опыт с зеркалами Френеля (рис. 11.2).

Работа Френеля 1816 г. интересна для истории физики еще и тем, что в ней ученый обращается к уже основательно забытому принципу Гюйгенса. Дополнив его идеей об интерференции излучения вторичных источников, Френель превращает этот принцип из чисто геометрического в физический. В результате оптика получает очень мощный инструмент для решения многочисленных задач, значение которого не только не уменьшается со временем, но только возрастает. Именно он стал в XX в. основным методом для радиофизических расчетов микроволновых антенн, оптических инструментов и даже сравнительно недавно открытых явлений, таких как эффект Вавилова — Черенкова. Первые же расчеты с использованием нового принципа провел сам Френель.

Рис. 11.2. Зеркала Френеля.

Открытие принципа интерференции, как уже говорилось, принадлежит Юнгу. Френель, не зная его работ, самостоятельно пришел к этому открытию. Затем уже Араго сообщил ему о работах Юнга.

Френелю постепенно удалось убедить своих коллег в том, что именно волновая теория наиболее адекватна природе света. Так, конкурс на тему о дифракции, предложенный Парижской академией наук, выиграла работа Френеля под названием «Natura cimplex et fecunda» («Природа проста и плодотворна»). При обсуждении этой работы комиссией, в которую входили Био, Араго, Лаплас, Гей-Люссак и Пуассон, возник эпизод, который во многом помог Френелю в пропаганде его идей. Возражая Френелю, Пуассон, используя метод последнего, рассчитал, что в центре тени от круглого экрана в определенном случае должно оказаться светлое пятно. Этот расчет был проверен прямым опытом Араго и наблюдения полностью подтвердили выводы теории. Возражение Пуассона превратилось в подтверждение правоты Френеля.

Характерное наименование конкурсной работы Френеля отражает его натурфилософские представления об устройстве мира. В мемуаре описаны многочисленные интерференционные опыты Френеля, в том числе хорошо известные бипризма и зеркала Френеля. Здесь же приведены новая формулировка принципа Гюйгенса — Френеля, таблицы с расчетами различных дифракционных задач, объяснение преломления света в рамках волновой теории.

В сущности говоря, только явления поляризации пока не поддавались описанию с помощью волновой теории. Сам Френель отметил это в 1816 г. Далее он добавил, что необходима модификация представлений о свете, и «эта модификация света состоит в поперечности световых волн». Идея поперечности световых волн настолько противоречила установившимся представлениям о природе колебаний в упругих жидкостях, к которым должен принадлежать и светоносный эфир, что Френель не торопился высказывать эту идею публично, хотя сам был в этом убежден. Более смелым в этом отношении оказался Юнг, который высказал эту идею 12 января 1817 г. Френель не торопился и сделал это лишь тогда, когда вместе с Араго убедился, что свет, поляризованный в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, не интерферирует.

Идея Френеля состоит в том, что естественный свет есть «совокупность или, точнее, быстрая последовательность систем поляризованных по различным направлениям волн». При этом акт поляризации состоит в разложении поперечных движений по двум взаимно-перпендикулярным направлениям. Эта идея казалась столь «крамольной», что даже Араго, верный соратник Френеля, не отважился согласиться с ним. Это еще один случай, когда наука прогрессирует от «явного для нас» к «явному по природе», порывая с традициями и существующими теориями.

Теория Френеля поставила задачу об эфире в совершенно иную плоскость: как объяснить его несовместимые свойства. Почему упругость эфира выражается только в деформации сдвига, а не сжатия и разрежения? Почему эфир, по своим свойствам родственный твердому телу, не оказывает сопротивления движению небесных тел через него? Френель не мог дать ответа на эти вопросы, но мы его знаем. Эфира просто не существует, а световые волны не похожи на акустические волны в воздухе, которые послужили когда-то аналогом световых волн.

Френелю, используя идеи поперечности световых волн, удалось, тем не менее, объяснить явление поляризации, и, применив к поляризованному свету принцип интерференции, «объяснить многие оптические явления». В частности, в 1821 г. он ввел понятие круговой и эллиптической поляризации, предложил изящные методы исследований поляризованных волн (например, параллелепипед Френеля).

В своей работе 1823 г. Френель обосновал формулы отражения света (формулы Френеля), которые и в настоящее время являются основой для дистанционных методов исследования поверхностей Земли и Мирового океана с помощью пассивного и активного дистанционного зондирования.

Не следует забывать и об эпохальных достижениях Френеля в области кристаллооптики. Используя и модифицируя идеи Гюйгенса, Френель вводит замечательное построение — эллипсоид упругости кристалла. С его помощью можно рассчитать изменение скоростей распространения световых волн в анизотропной среде. Развивая идеи Френеля, Гамильтон в 1832 г. сделал вывод о существовании в двуосных кристаллах тонкого эффекта — конической рефракции, который был обнаружен в том же году ирландским физиком Хемфри Ллойдом (1800— 1881). Это стало блестящим триумфом волновой теории света. Впоследствии французский математик Огюстен Коши (1789— 1857) показал, что с помощью волновой теории можно объяснить явление дисперсии света.

Вызывает крайнее восхищение масштаб задач, решенных Френелем в столь короткое время. А ведь к сказанному выше следует добавить также его идею о влиянии движения Земли на оптические эффекты, которая в дальнейшем приобрела огромное значение и породила интерес к релятивистским явлениям. Френель был автором теории частичного увлечения эфира средой. Конечно, главное в наследии Френеля — оптические исследования. Однако он оказался и прекрасным инженером. Всемирную известность приобрела изобретенная им оптическая система для маяков на основе специальной, ступенчатой линзы, сконструированной ученым.

В числе ученых-оптиков XIX в. нельзя не упомянуть имени Йозефа Фраунгофера.

Йозеф Фраунгофер (1787—1826) был сыном бедного баварского стекольщика и начал трудовую жизнь еще ребенком. До 14 лет Фраунгофер бьи вообще неграмотным. В 12 лет он остался круглым сиротой, когда под развалинами рухнувшего дома погибла вся его семья, а маленький Йозеф получил тяжелые ранения. Очевидец катастрофы банкир Утцшнейдер оказал помощь мальчику и тот стал квалифицированным мастером-оптиком. В 1806 г. он приходит в Оптико-механический институт, принадлежащий фирме, совладельцем которой был Утцшнейдер. Мастерство и талант привели к быстрому служебному росту Фраунгофера и успехам в бизнесе. В 1811 г. он уже стоит во главе всей баварской оптической промышленности, а созданная им фирма «Утцшнейдер и Фраунгофер» стала одним из лучших производителей оптических инструментов в мире. Так этот человек прошел путь от неграмотного сироты до профессора и академика, совладельца фирмы мирового уровня.

Йозефу Фраунгоферу принадлежат два значительных открытия в оптике. Во-первых, «фраунгоферовы линии» — темные полосы в спектре Солнца, обязанные своим происхождением поглощению испускаемой световой энергии его атмосферой (рис. 11.3). Эти линии впервые увидел в 1802 г. Уильям Хайд Волластон (1766—1828), однако он не понял их природы и не исследовал подробно. Именно Фраунгофер в 1814—1815 гг. детально изучил это явление и описал его в 1817 г.

Рис. 11.3. Спектр Солнца с фраунгоферовыми линиями.

Кроме того, Фраунгофер является изобретателем дифракционной решетки. Хотя ее принцип был высказан еще в 1785 г. американцем Дэвидом Риттенхаусом (1732—1796), именно Фраунгофер изготовил ее и дал путевку в жизнь, сделав, таким образом, важнейший после Ньютона шаг в развитии спектроскопии. Отметим, что полная теория дифракционной решетки была дана в монографии Магнуса Шверда (1792—1871) через 9 лет после смерти Фраунгофера.

Изучая историю оптики, нельзя не остановиться на вопросах измерения скорости света. Еще Галилей считал необходимым прямыми методами измерить скорость света. Мы уже говорили о расчетах О. Ремера, а в середине XIX в. эта задача была одновременно решена Ипполитом Физо (1819—1896) и Леоном Фуко (1819—1868). Их опыты основывались на прерывании светового луча и измерении времени, за которое цуг световых волн пройдет определенное расстояние (рис. 11.4). Установки Физо и Фуко несколько отличались друг от друга, совпадая по принципу построения. Первый из них, проводя опыты в 1849 г., получил для скорости света в воздухе значение 313 000 км/с.

Рис. 11.4. Опыт Фуко (а) и опыт Физо (б).

Фуко создал установку, в которой можно было сравнить скорость света в воздухе и воде. Наблюдения, выполненные в 1850 г., показали, что свет в воде распространяется медленнее, чем в воздухе. Это рассматривалось в середине XIX в. как решающий результат в пользу волновой теории. Теперь уже корпускулярная теория была отвергнута и сдана в архив. Но ее забвение продолжалось не слишком долго — не более полувека. Однако возрождение корпускулярной теории света произошло уже тогда, когда возникла новая, неклассическая физика. Классическая же оптика завершилась грандиозным триумфом волновой теории.

Хотя оптика в общепринятом понимании этого термина — наука XIX в., в конце которого ее прерогативы были переданы электродинамике, необходимо немного рассказать и о том, каковы оказались достижения традиционной оптики в XX в. Эти достижения относятся, прежде всего, к теории и практической реализации оптических инструментов, а также к распространению оптических методов на соседние диапазоны электромагнитных волн.

В XX в. оптиками и инженерами были созданы невиданные ранее телескопы. Так как основным условием роста разрешения телескопов является увеличение апертуры (собираемости света), главным направлением стало создание зеркал большого диаметра. Одним из крупнейших подобных телескопов является расположенный в предгорьях Кавказа отечественный телескоп БТА с диаметром зеркала 6 м. Сейчас созданы телескопы с зеркалами еще больших размеров. Так, например, в обсерватории Кека находятся два зеркальных телескопа, диаметр первичных зеркал (всего их по три в каждом из телескопов) которых составляет 10 м.

Что же касается фундаментальных проблем оптики, то в XX в. они сосредоточились, как и в других разделах физики, на изучении и теоретическом осмыслении нелинейных явлений. Возникшая во второй половине XX в. нелинейная оптика своим появлением была во многом обязана отечественным ученым Рэму Викторовичу Хохлову (1926—1977) и Сергею АлександровичуАхманову (1929—1991). Основоположником же нелинейной оптики по праву считается Сергей Иванович Вавилов (1891—1951). Причину нелинейных явлений он усматривал в изменении числа молекул или атомов, способных поглощать свет, т. е. изменений, обусловленных переходом атомов и молекул в возбужденное состояние и конечной длительностью их пребывания в этом состоянии.

Широкие возможности изучения нелинейных оптических явлений открылись после создания лазеров. В 1961 г. американский физик Питер Франкен (1928—1999) с сотрудниками открыл эффект удвоения частоты света в кристаллах — генерацию 2-й гармоники света. В 1962 г. наблюдалось утроение частоты — генерация 3-й оптической гармоники. В 1961— 1963 гг. в СССР и США были получены фундаментальные результаты в теории нелинейных оптических явлений, заложившие основы нелинейной оптики. В 1965 г. было обнаружено явление самофокусировки: мощный световой пучок, распространяясь в среде, во многих случаях не только не испытывает обычной, так называемой дифракционной расходимости, но, напротив, самопроизвольно сжимается. В том же году были созданы параметрические генераторы света, в которых нелинейные оптические эффекты используются для генерирования когерентного оптического излучения, плавно перестраиваемого по частоте в широком диапазоне длин волн.

В настоящее время методы нелинейной оптики проникают во все традиционные разделы оптики и лежат в основе ряда ее новых направлений (нелинейное вращение плоскости поляризации, нелинейное рассеяние, нелинейная дифракция, нелинейная магнитооптика и т. п.). Успехи нелинейной оптики стимулировали соответствующие исследования в других разделах физики и вызвали интерес к общей теории нелинейных волн.

Контрольные вопросы

• 1. Какой вклад внесли ученые Античности и средневековые ученые в развитие оптики?
• 2. В каком году Снеллиус установил закон преломления света?
• 3. Какую роль в развитии оптики XVII в. сыграл Гюйгенс?
• 4. Почему теория Гюйгенса не получила признания в ученой среде?
• 5. Какие оптические исследования проводил Ньютон?
• 6. Какой важной чертой обладают волновая оптика Гюйгенса и оптика Ньютона?
• 7. Какие ученые считаются основоположниками фотометрии?
• 8. Какие фундаментальные открытия в оптике сделал Юнг?
• 9. На каких гипотезах основана волновая теория Юнга?
• 10. Как Юнг сформулировал принцип интерференции?
• 11. Как было открыто явление поляризации света?
• 12. В чем состоит значение работ Френеля для развития оптики?
• 13. Как Френелю удалось объяснить законы отражения и преломления света?
• 14. Какой эпизод, ставший хрестоматийным, способствовал утверждению идей Френеля?
• 15. Какие открытия в оптике совершил Фраунгофер?
• 16. Как измерялась скорость света в опытах Физо и Фуко?
• 17. В каких направлениях развивалась оптика в XX в.

Задания для самостоятельной работы

• 1. Какие проблемы поставила перед оптикой предыстория физики?
• 2. Творцы геометрической оптики и их достижения.
• 3. История телескопа: от Галилея до наших дней.
• 4. История микроскопа.
• 5. История развития представлений о природе света. Волны или частицы?
• 6. Исторический очерк развития представлений о дифракции света.
• 7. Исторический очерк развития представлений об интерференции света.
• 8. Исторический очерк развития представлений о поляризации света.
• 9. Принцип Гюйгенса — Френеля: история и практическое использование во времена его авторов и в наше время.
• 10. История развития фотометрии.
• 11. Томас Юнг. Биография и научная деятельность.
• 12. Огюстен Жан Френель. Биография и научная деятельность.
• 13. Оптические исследования Э. Малюса и А. Ф. Араго.
• 14. Измерение скорости света в историческом ракурсе.
• 15. Что такое нелинейная оптика?
• 16. Проблемы оптики в начале третьего тысячелетия.

Рекомендуемая литература

• 1. Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1982.
• 2. Кудрявцев, П. С. История физики: в 3 т. — М.: Просвещение, 1956—1971.
• 3. Спасский, Б. И. История физики: в 2 т. — М.: Высшая школа, 1977.
• 4. Дорфман, Я. Г. Всемирная история физики: в 2 т. — М.: Наука, 1974—1979.
• 5. Голин, Г. М. Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.) / Г. М. Голин, С. Р. Филонович. — М.: Высшая школа, 1989.
• 6. Храмов, Ю. А. Физики. Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• 7. Липсон, Г. Великие эксперименты в физике. — М.: Мир, 1974.
• 8. Бертолин, Э. Избранные труды классиков физической оптики. Поляризация света / под ред. К. К. Свиташева [и др.] — Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992.
• 9. Филонович, С. Р. Самая большая скорость. — М.: Наука, 1983.
• 10. Вавилов, С. И. Микроструктура света. Исследования и очерки. — М.: Изд-во АН СССР, 1950.
• 11. Ландсберг, Г. С. Огюстен Френель (Очерк жизни и деятельности) // Избранные труды по оптике / под ред. акад. Г. С. Ландсберга. — М.: Госиздат, 1955.
• 12. Френель, О. О свете: Мемуар / пер.; под ред. В. Фредерикс. — М.; Л.: Госиздат, 1928.
• 13. Гюйгенс, X. Трактат о свете. — М.; Л.: ОНТИ, 1935.
• 14. Погребысская, Е. И. Оптика Ньютона. — М.: Наука, 1981.
• 15. Франкфурт, У. И. Творцы физической оптики: сб. статей / отв. ред. В. И. Родичев. — М.: Наука, 1973.
• 16. Делоне, Н. Б. Нелинейная оптика. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.
• 17. Книжные серии «ЖЗЛ»: «Люди науки», «Творцы науки и техники».