25078

КОРПУСКУЛЯРНАЯ И ВОЛНОВАЯ ТЕОРИИ СВЕТА


После выдвижения корпу-скулярной и волновой теорий Х.Гюйгенс и И.Ньютон развили эти теории с точки зрения свойств среды, в которой распространяется свет. Гюйгенс был сторонником волновой теории и исходил из того, что если свет - это волна, то надо ответить на вопрос, в какой среде эта волна распространяется. Гюйгенс назвал такую среду эфиром. По его мнению, эфир заполняет всю Вселенную, а его частицы имеют очень малые размеры и массу.

Ньютон не соглашался с Гюйгенсом. "Что такое эфир? Я не могу ни видеть, ни чувствовать его", - говорит он. Ньютон решительно выступал против гипотезы эфира, о свойствах которого ничего не известно из опыта. "Гипотез я не измышляю", - так характеризовал Ньютон свой научный метод. Ньютон более симпатизировал корпускулярной теории, утверждая, что если свет уподобить потоку частиц, то для их распространения не нужно вводить какую-либо мифическую промежуточную среду. Также он говорит, что прямолинейность распространения света плохо согласуется с волновой теорией, но хорошо объясняется, если считать свет потоком частиц.

Отметим, однако, что Ньютон не был абсолютным сторонником корпускулярной теории. В частности, он отмечал, что в корпускулярную теорию не вписывалось наблюдавшееся им явление дифракции света. Однако авторитет Ньютона был настолько велик, что его высказываний в пользу корпускулярной теории света оказалось достаточно, чтобы эта теория утвердилась в науке на полтора века.

Однако в начале XIX века были поставлены эксперименты, которые склонили чашу весов в пользу волновой теории. В 1801 году англичанин Т.Юнг открыл явление интерференции света. На пути света из точечного источника была поставлена пластинка с двумя тонкими щелями. Если бы свет был потоком частиц, то на экране возникло бы изображение этих двух щелей. Однако вместо этого Юнг увидел на экране чередующиеся светлые и темные полосы и доказал, что это явление может быть объяснено только с точки зрения волновой теории. Тот же Юнг впервые измерил длину волны света, объяснил явление преломления с точки зрения волновой теории и установил, что различные цвета отличаются друг от друга длиной волны. Самая короткая видимая волна (0,38-0,45 микрон) соответствует фиолетовому свету, а самая длинная видимая волна (0,62-0,77 микрон) соответствует красному свету, а в промежутке между ними - все цвета спектра.

В 1816 году француз Ж.Френель открыл дифракцию света - это явление, когда свет распространяется не прямолинейно, а может огибать препятствие, если размер препятствия не больше длины волны света. Френель показал, что прямолинейное распространение - это частный случай, когда размер препятствия намного больше длины волны света, и показал, что прямолинейное распространение можно объяснить с точки зрения волновой теории.

В 1860-1865 годах Дж.К.Максвелл создал полную математическую теорию электромагнитных явлений. Из этой теории вытекала возможность существования электромагнитных волн, способных распространяться и в вакууме. Когда подсчитали скорость распространения электромагнитных волн, оказалось, что она совпадает со скоростью света, которая к тому моменту была известна. Таким образом, оказалось, что свет - это есть электромагнитная волна. Электричество, магнетизм и оптика, которые еще совсем незадолго до этого считались совершенно разными областями науки, оказались разными сторонами одного явления. В 1887 году Г.Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн в диапазоне длин волн от сантиметров до метров. В 1895 году А.С.Попов изобрел способ использования волн, открытых Герцем, для радиосвязи, и поэтому этот диапазон электромагнитных волн стали называть радиоволнами. Еще раньше были открыты инфракрасное излучение (электромагнитные волны с длиной волны, промежуточной между радиоволнами и оптическим излучением) и ультрафиолетовое излучение (электромагнитные волны с меньшей длиной волны, и, соответственно, большей частотой, чем оптическое излучение). В том же 1895 году В.К.Рентген открыл лучи, названные его именем, частота которых больше, чем у ультрафиолетовых лучей, а в 1898-1903 года Резерфорд и Содди выделили из радиоактивных излучений гамма-лучи с частотой, еще большей, чем у рентгеновских лучей.

Таким образом, к концу XIX века было окончательно установлено, что свет относится к разряду электромагнитных волн. Поскольку волновая теория света была тесно связана с теорией эфира, то в науке твердо установилось мнение, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, в котором и распространяются электромагнитные волны, включая свет. Таким образом, окончательно сложилась так называемая электромагнитная картина мира, которая пришла на свет ньютоновской механической картине мира.

На рубеже XIX и ХХ веков электромагнитная картина мира получила полное и всеобщее признание, однако почти сразу же столкнулась с рядом трудностей. Во-первых, исследование явлений фотоэффекта привело к выводу о том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Произошло как бы восстановление корпускулярной теории на новом витке диалектической спирали. Синтезом корпускулярной и волновой теорий стала концепция корпускулярно-волнового дуализма, утверждающая, что как излучение, так и вещество - это одновременно и волны, и частицы. Подробнее об этом говорится в курсе квантовой механики.

Кроме этого, в электромагнитной теории Максвелла был один пункт, на которой первоначально не обратили внимание. А именно, из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны вполне способны распространяться в вакууме, и поэтому для их распространения не нужен никакой эфир. На это обращал внимание еще предшественник Фарадея Дж.Максвелл, который первым из ученых заявил, что электрическое и магнитное поля – это есть материальная среда, а раз так, то для их распространения не нужна никакая иная материальная среда, типа эфира. Однако потребовалась еще большая серия экспериментов, прежде чем это дошло до сознания ученых.