История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

Начальное образование СЋРЅРѕРіРѕ Джона Вильяма Стрэтга часто прерывалось РёР·-Р·Р° болезней. После пребывания РІ Ртоне, РҐСЌСЂСЂРѕСѓ Рё РІ школе РІ РўРѕСЂРєРІСЌСЏ РѕРЅ РІ октябре 1861 Рі. поступил РІ Тринити колледж Кембриджа. Р’ то время Кембридж вообще Рё Тринити колледж, РІ частности, были ведущими Сѓ физико-математическими учебными центрами Рё РїРѕ праву гордились СЃРІРѕРёРјРё выпускниками: Беконом, Ньютоном Рё Кавендишем. Р’ те РґРЅРё студент, поступивший РІ колледж, слушал лекции Рё занимался, РЅРѕ его отметки Рё даже его будущая карьера зависели только РѕС‚ экзаменов РїРѕ физике Рё математике. Вплоть РґРѕ 1912 Рі. первый ученик назывался Главным отличником, следующий Вторым, Рё С‚.Рґ. Студент, оказавшийся последним, получал прозвище Деревянная ложка Рё РЅРѕСЃРёР» этот РїРѕР·РѕСЂ РІСЃСЋ оставшуюся жизнь.

Результаты публиковались в газетах и влияли на будущую карьеру учеников. Однако эту систему критиковали, и Вильям Томсон (18241907), который, в свою бытность, был Вторым отличником, описывал эту систему как скверную. Также Дж. Дж. Томсон и Джозеф Лармор (18571942) критиковали ее. В то время в Великобритании из 37 кафедр 18 занимались отличниками.

Важность этой системы в поздней викторианской эпохе иллюстрируется историей 1881 г. о поиске кандидатуры на должность заведующего кафедрой математической физики Манчестерского университета. На нее претендовал английский физик и астроном немецкого происхождения Артур Шустер (1851 1934). Он представил рекомендации от такого авторитета, как Кирхгоф. Но один его друг посоветовал не тратить время даром, поскольку вряд ли у него получится занять это место, если только он не заручится поддержкой от какого-нибудь отличника, поскольку такая рекомендация в Манчестере стоит больше, чем тысячи таких, как от Кирхгофа. К счастью, Шустер знал одного отличника и благодаря этому получил место.

В январе 1865 г. Дж. В. Стрэтт получил ученую степень и стал Главным отличником по математике. Он стал известен во всей Британии как самый способный и многообещающий специалист в области математической физики.

Научный РјРёСЂ переживал тогда период расцвета. РљРѕРіРґР° Стрэтт еще учился РІ школе, всеобщее признание получили эксперименты Джоуля РїРѕ сохранению энергии, Вильям РўРѕРјСЃРѕРЅ (позднее лорд Кельвин) дал СЃРІРѕСЋ формулировку второго начала термодинамики. Максвелл применил законы вероятности Рє кинетической теории газов примерно РІ то время, РєРѕРіРґР° Стрэтт поступил РІ университет. Рђ РєРѕРіРґР° РѕРЅ его кончал, Максвелл сообщил Королевскому обществу СЃРІРѕСЋ работу Рѕ Динамической теории электромагнетизма. Математик Р“. Грин (17931841) Рё физик Р“.Р“. Стокс (18191903) ввели волновую теорию света РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ акустических представлений, физик Р›. Фуко (18191868) показал экспериментально, что свет распространяется РІ РІРѕРґРµ медленнее, чем РІ РІРѕР·РґСѓС…Рµ. Майкл Фарадей был еще жив. Ркспериментально Бунзен Рё РљРёСЂС…РіРѕС„ ввели спектральный анализ. Фотография была РІ стадии рождения, Рё были сделаны первые наблюдения электрических разрядов РІ газах. Р’ то время РІ лабораторных условиях вакуум достигался только после четырех часов работы вручную специальных насосов, Р° электричество получалось РѕС‚ батарей или РѕС‚ генераторов, работающих вручную.

Первыми интересами Стрэтта были акустика Рё физиология слуха. Р’ этих областях РѕРЅ РїСЂРѕСЏРІРёР» СЃРІРѕРё научные способности, Рѕ чем свидетельствует его РєРЅРёРіР° Теория Р·РІСѓРєР°, опубликованная РІ 1877 Рі. Рё РІСЃРµ еще РЅРµ утратившая своей значимости. Р’ 1871 Рі. РѕРЅ женился РЅР° Рвелин Бальфур, сестре своего приятеля РїРѕ колледжу, Рё поселился РІ семейном поместье РІ Терлинге (около 70 РєРј Рє северо-востоку РѕС‚ Лондона), РіРґРµ организовал СЃРІРѕСЋ лабораторию. Здесь РѕРЅ начал серию экспериментальных исследований РІ области акустики Рё оптики. РЎ детства интересуясь фотографией, РѕРЅ описал технику цветной фотографии (1887 Рі.), которая позднее РІ 1891 Рі. была реализована Р“. Липпманом (18451921), который РІ 1908 Рі. получил Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° его метод фотографического воспроизведения цветов, основанного РЅР° явлении интерференции. Рзучая дифракционные решетки, Стрэтт ввел СЃРІРѕР№ знаменитый критерий разрешающей силы, который сегодня известен как критерий Рэлея. РџСЂРѕРІРѕРґСЏ СЃРІРѕРё ранние эксперименты РїРѕ цветному зрению, РѕРЅ пришел Рє изучению голубого цвета неба, Рё правильно связал это СЃ рассеянием света молекулами РІРѕР·РґСѓС…Р° Рё получил количественное соотношение, описывающее это.

Вплоть до второй половины XIX в. в университетах не

было учебных лабораторий для обучения практической физикой в пределах университетских курсов. Великие экспериментаторы обучались экспериментальной технике в частных лабораториях или при помощи старших мастеров этого дела. В 1850 г. Вильям Томсон (лорд Кельвин) освободил старый винный подвал в колледже г. Глазго и устроил там студенческую лабораторию для исследований электричества. Были устроены и другие лаборатории, и в 1869 г. комитет Кембриджа рекомендовал установить специальную профессуру для обучения и демонстраций экспериментальной физики. В следующем году ректор университета, седьмой герцог Девонширский (Вильям Кавендиш), поддержал организацию исследовательской лаборатории. Ею стала Кавендишская лаборатория, главой которой был Максвелл, вплоть до своей смерти в 1879 г. В декабре 1879 г. лорд Рэлей был приглашен занять эту должность, и когда он ушел в отставку и удалился в Терлинг в 1884 г., это место занял его ученик Дж. Дж. Томсон.

Р’ 1896 Рі. Рэлей стал секретарем Королевского Общества, Р° РІ 1897 Рі. заменил Джона Тиндаля РЅР° посту Профессора Натуральной Философии РІ Королевском Рнституте Рё занимал этот РїРѕСЃС‚ РґРѕ 1905 Рі.

К этому периоду относится открытие вместе с Вильямом Рамзеем (1852 1916) из Лондонского университета газа аргона, за что в 1904 г. Рэлей получил Нобелевскую премию по физике, а Рамзей Нобелевскую премию по химии. Годы с 1895 до 1919 были годами почета и славы. В 1899 г. Рэлей заинтересовался проблемой черного тела.

Здесь стоит более детально обсудить подходы Рэлея, поскольку некоторые концепции будут нам полезны в дальнейшем.

Кинетическая теория тепла, принципиально разработанная Людвигом Больцманом, Джеймсом Клерком Максвеллом и Джошуа Виллардом Гиббсом, рассматривала тепло как результат беспорядочного движения многих атомов и молекул, из которых состоят все тела. Поскольку попытки проследить движение отдельного атома или молекул бесполезны, математическое описание тепловых процессов с необходимостью основано на статистических методах. Чтобы объяснить макроскопические характеристики, например, газа, рассматриваются усредненные величины, определяемые большим числом молекул.

РћРґРЅРёРј РёР· фундаментальных принципов такого метода является С‚.РЅ. теорема равновесности, математически выведенная Максвеллом РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ ньютоновых принципов механики. Рта теорема гласит, что полная энергия, заключенная РІ системе большого числа частиц, которые обмениваются энергией Р·Р° счет беспорядочных столкновений, равномерно распределена (РІ среднем) РїРѕ всем частицам. Если, например, Р• полная энергия, a N число частиц, то усредненная энергия частицы E/N.

Хотя принцип равновесности регулирует распределение энергии среди большого числа частиц, скорость Рё энергия индивидуальной частицы РјРѕРіСѓС‚ отличаться РѕС‚ среднего значения, статистически флуктуируя около этого значения. Рто означает, что если средняя энергия имеет определенное значение, то некоторые молекулы РјРѕРіСѓС‚ иметь большие энергии, Р° некоторые меньшие. Рти различающиеся величины называются флуктуациями. Если РјС‹ математически представим эти флуктуации, например скорость молекул РІ газе, то получим кривые, которые показывают относительное число частиц, имеющих определенную скорость для каждой температуры, скорости большие или меньшие, чем среднее значение. Рти кривые, впервые выведенные Максвеллом Рё носящие его РёРјСЏ, представлены РЅР° СЂРёСЃ. 14 для трех различных температур газа.

Рис. 14. Распределение Максвелла: число молекул с данной скоростью дается как функция скорости для трех различных значений температуры: 100, 400 и 1600 К. Так как число молекул в сосуде не изменяется, площади под этими тремя кривыми равны. Средняя скорость молекул (показана стрелками) увеличивается пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры