Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Факты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и повороты. Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт.

Что касается открытых еще в XVII в. явлений дифракции и интерференции, то ведущие ученые конца XVIII — начала XIX в. не сомневались в том, что они получат исчерпывающее объяснение в терминах корпускулярной теории. Не удивительно, что гениальные исследования Томаса Юнга по интерференции и дифракции света были встречены с недоверием и даже с насмешкой, поскольку в них эти явления объяснялись с точки зрения волновой теории. Вскоре эти исследования получили мощную поддержку в работах Френеля, и волновая теория, несмотря на оппозицию ведущих ученых и необычайные трудности, вызванные открытием поляризации, восторжествовала.

Юнг. Томас Юнг родился 13 июня 1773 г. Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до десяти языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему позднее в работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора медицины. За два года до этого он опубликовал работу по физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения», в которой разработал теорию аккомодации глаза. В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в 1807 г. в двух томах.

Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия».

Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики, технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, филологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии ».

Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом — наездником и канатоходцем. Умер Юнг 10 мая 1829г.

Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория светаицвета», опубликованной в 1801 г. Она основана на следующих гипотезах:

«I. Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вселенную.

II. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, когда тело начинает светиться.

III. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке.

IV. Все материальные тела притягивают эфирную среду, вследствие чего она накапливается в их веществе и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей плотности, но не большей упругости».

Так в оптике появился принцип интерференции.

Юнгу было уже известно о существовании невидимых, инфракрасных лучей («тепловых»), открытых Вильямом Гершелем в 1800г., и ультрафиолетовых («химических») лучей, открытых Иоганном Риттером и Волластоном в 1802 г

Этьенн-Луи Малюс (родился 23 июня 1775 г. 24 февраля 1812 г. он умер) .Он учился в Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу; его мобилизовали в армию на фортификационные работы. Здесь его технические и организационные таланты были замечены, и он был направлен в только что организованную Политехническую школу, которую и окончил в 1796 г.

Наиболее существенным возражением против волновой теории было прямолинейное распространение света. «Это возражение, — пишет Френель,— единственное, на которое мне кажется затруднительным дать исчерпывающий ответ, привело меня к изучению размытых теней».

Современником Френеля был немецкий оптик Йозеф Фраунгофер (1787—1826). Сын бедного баварского стекольщика, он рано начал трудовой путь, работая вместе с отцом по стекольному делу, Фраунгофер до 14 лет был неграмотным. Оставшись к 12 годам круглым сиротой, он был определен учеником в зеркальную и стекольную мастерскую. Упорный труд превратил Фраунгофера в хорошего мастера оптического стекла. Мастерство и талант помогли Фраунгоферу быстро сделать карьеру. Два открытия в оптике обессмертили имя Фраунгофера. В 1802 г. Волластон наблюдал в спектре Солнца семь темных линий. Он считал их границами отдельных цветных участков и не исследовал подробно. Только после того как Фраунгофер детально изучил это явление (1814—1815) и описал его в 1817 г., в физике появился термин «фраунгоферовы линии», который сохранился до настоящего времени, Фраунгофер зафиксировал большое число темных линий и важнейшие из них обозначил буквами.

Вторым фундаментальным открытием Фраунгофера была дифракция в параллельных лучах и изобретенная им дифракционная решетка.

Скорость света.

Успехи оптики первой половины XIX столетия не ограничились открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была решена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками: Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). Физо разработал технически идею Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически — вращением зубчатого колеса.

Физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313000км/с.

Гальвани. Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.

В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.

Вольта. Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. в небольшом итальянском городе Комо, расположенном вблизи озера Комо, недалеко от Милана. В нем рано проснулся интерес к изучению электрических явлений. В 1769 г. он публикует работу о лейденской банке, через два года — об электрической машине. В 1774 г. Вольта становится преподавателем физики в школе в Комо, изобретает электрофор, затем эвдиометр и другие приборы. В 1777 г. он становится профессором физики в Павии. В 1783 г. изобретает электроскоп с конденсатором, а с 1792 г. усиленно занимается «животным электричеством». Эти занятия привели его к изобретению первого гальванического элемента.

В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока — вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).

Электромагнетизм

современный историк науки полностью согласен со словами Велланского: «Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Эрстедом, который открытие свое возвестил 1820 года».

Ханс Кристиан Эрстед (родился 14 августа 1777 г. Умер 9 марта 1851 г.) в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессором Копенгагенского университета.

Далее он пишет: «Кроме того, из сделанных наблюдений можно заключить, что этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки». Другими словами, магнитные силовые линии окружают проводник с током, или электрический ток является вихрем магнитного поля. Таково содержание первого основного закона электродинамики, и в этом суть открытия Эрстеда.

Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс, Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био— Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон Био — Савара фигурирует в учебниках физики.

Ампер. Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики «электродинамикой», и это название прочно вошло в язык физики.

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Под руководством отца Ампер получил хорошее и разностороннее образование. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. В 1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г.— ее профессором. В 1814 г. его избирают членом Академии наук. Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики.

Он пришел к выводу, что спираль, обтекаемая током (соленоид), будет эквивалентна магниту. Это привело Ампера к мысли об отсутствии магнитных агентов («магнитных жидкостей») в природе и о возможности свести все явления магнетизма к электродинамическим взаимодействиям. Амперова молекулярная теория магнетизма получила физическую опору в электронной физике уже в XX в.

Обобщающим трудом Ампера была «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта», изданная в 1826 г. с подзаголовком «Произведение, в котором собраны труды г. Ампера, доложенные им Королевской Академии наук в заседаниях от 4 и 26 декабря 1820 г., 10 июня 1822 г., 22 декабря 1823 г., 12 сентября и 28 ноября 1825г.».

Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля.

Фарадей. Михаил (английское произношение—Майкл) Фарадей (родился 22 сентября 1791 г. Умер он 25 августа 1867 г) в семье лондонского кузнеца. Недостаточность средств не позволила будущему великому ученому получить хорошее образование. В начальной школе он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а затем поступил в учение к переплетчику. Здесь он восполнил недостатки образования чтением. Особенно его увлекло электричество и химия, и он сам начал проделывать опыты, описанные в книгах.

Всемирную славу фарадею принесли его электрические исследования. В декабре 1821 г. Фарадей записал в своем дневнике задачу: превратить магнетизм в электричество. Решение этой задачи потребовало около десяти лет. С ноября 1831 г. Фарадей начал систематическую публикацию своих исследований по электричеству, составивших трехтомный труд под заглавием «Экспериментальные исследования по электричеству».

Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах

Фарадей вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.