Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Шрифт:
Волновая и лазерная оптика
Современная оптика есть не что иное, как совокупность дисциплин, тесно взаимосвязанных друг с другом и одновременно совершенно различных. Объединяют эти дисциплины лишь предмет изучения (свет) и фундаментальные законы физики света. Отрасль оптики, изучающая самые общие свойства светового луча, получила название геометрической оптики. Ее сегодня дополняют волновая, молекулярная, волоконная, нелинейная отрасли оптики и многие другие. Причиной недостаточности единственно геометрической оптики для описания всех свойств света послужило то, что он проявляет себя двояко, т. е. в виде волн
Теория корпускулярно-волнового дуализма
Еще античные атомисты, такие как Демокрит, Эпикур и Лукреций, догадывались, что свет представляет собой поток частиц, которые достигают человеческого глаза и оставляют в нем отпечаток предметов окружающего мира. Аристотель полагал, что свет есть движение, распространяющееся само по себе в пространстве. Тем самым эти философы отказывались от традиционных представлений о природе световых лучей и заложили фундамент двух физических теорий — корпускулярной и волновой. Эти теории вновь возродились в XVII в., когда ученые попытались объяснить оптические явления.
Французский математик и философ P. Декарт разрабатывает волновую теорию света. Согласно его представлениям, свет есть волны, расходящиеся в упругой тонкой среде, заполняющей пространство между телами, — эфире. Декарт не верил в существование пустоты, поэтому прибегнул к эфиру для объяснения физики света. Многие другие ученые придерживались мнения, что свет есть поток частиц. В пустом пространстве, как верили физики этого направления, витают атомы вещества и световые частицы.
Итальянский астроном Ф. Гримальди известен тем, что вел наблюдения за Луной и дал названия 300 объектам на ее поверхности. Двести селенонимов из предложенных им прижились, оказавшись красивыми и очень удачными. Это весьма романтические названия: Море Дождей, Море Кризиса, Море Нектара, Океан Бурь и пр. В физике Гримальди сделал великое открытие, опытным путем доказав волновую природу света.
Астроном, по роду занятий вынужденный много времени отводить на изучение оптики, ставил в начале 1660-х гг. нехитрые эксперименты. Он помещал на пути очень узкого светового пучка предмет. Обычно каждый предмет отбрасывает тень, но в данном случае она была неотчетливой, как если бы свет волнами огибал объект и сходился позади последнего. Ученый присвоил обнаруженному явлению название дифракции, однако не стал спешить с опровержением корпускулярной теории света.
Придерживавшийся данной теории И. Ньютон примерно в это же время провел ставший знаменитым опыт по разложению света на спектр. Ученый пропустил пучок белого света через призму и направил этот луч на экран. Луч распался на семь цветов, выстроившиеся в экране в виде полоски — спектра. Повторив опыт с одноцветным световым пучком, Ньютон не вызвал его разложения на составные части. Пройдя через призму, луч остался одноцветным. Физик пришел к выводу, что белый свет сложный и состоит из частиц семи расцветок.
Одноцветные (монохроматические) лучи простые и образованы только одним родом частиц. Призма отклоняет световые частицы на разный угол в строгой зависимости от цвета последних. Тем самым великий физик убедительно подтвердил справедливость корпускулярной теории. Ньютон провозгласил, что для каждого отдельного цвета величина преломления строго задана и всегда остается неизменной. А значит,
P. Гук попытался оспорить точку зрения Ньютона, однако так и не смог дать приемлемого объяснения разложению света на спектр. Тем не менее Ньютон внимательно изучил работу Гука и, согласившись со многими доводами своего оппонента, пришел к неожиданному заключению. Свет имеет двойную природу и способен вести себя в разных условиях как поток частиц и как волны эфира. Таким образом, великий англичанин стал первым ученым, провозгласившим корпускулярно-волновой дуализм. К сожалению, об этом надолго забыли.
В XVII столетии Гюйгенс настойчиво разрабатывал волновую теорию, которую связал с законами геометрической оптики. В конце XVIII в. Т. Юнг обнаруживает явление интерференции света, которое объясняется только волновыми свойствами света. С этим оптическим явлением каждый из нас сталкивается всякий раз, когда видит разноцветные разводы от бензина, покрывающего пленкой поверхность лужи. Солнечные лучи отражаются и от бензиновой пленки и от поверхности воды. В результате возникают два перекрывающих друг друга отраженных световых потока. Поскольку свет представляет собой волны, то их перекрывание создает замысловатый узор, который мы воспринимаем как радужные разводы.
В 1864 г. Дж. Максвелл приходит к выводу об электромагнитной природе света. Свет — это волновые колебания электромагнитного поля, заполняющего пространство. Только частота колебаний и, как следствие, длина волны видимого излучения отличают его от прочих видов электромагнитных волн. В остальном радиоволны, инфракрасные (ИК) волны, ультрафиолет (УФ волны), рентгеновские и гамма-лучи родственны видимому свету. То, что они не воспринимаются нашим зрением, объясняется чисто биологическими причинами.
Эволюция вела высших теплокровных животных к умению пользоваться главным каналом оптической информации — световым. Инфракрасные волны передаются сравнительно хуже и сообщают только о нагретых объектах, ультрафиолет поступает лишь от Солнца и поглощается веществом. Жесткие лучи (гамма- и рентгеновские) редко встречаются в природе, т. к. они зарождаются далеко в космосе и гасятся земной атмосферой, не достигая поверхности нашей планеты. Вот почему жесткое излучение интересует среди нефизиков почти единственно астрономов.
Но и они вынуждены признать, что свет несет куда больше информации о звездах и галактиках, чем прочие виды электромагнитного излучения. Именно поэтому самый большой космический телескоп «Хаббл», запущенный на орбиту в 1990 г., работает в оптическом диапазоне. Свет информативен, живым существам, включая и человека, выгоднее воспринимать этот вид волн.
Эффекты, связанные с корпускулярными свойствами света, долгое время оставались необъясненными. Лишь в начале XX в. А. Эйнштейн создал теорию корпускулярно-волнового дуализма, в которой объединил на основе новейших научных представлений все проявления двойственной природы излучения. Свет действительно распространяется волнами, но при этом сохраняет способность квантоваться, т. е. делиться на энергетические порции (кванты), ведущие себя как элементарные частицы. Эти частицы получили название фотонов.