Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Юнг. Томас Юнг родился в 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 10 языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему 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 свет в 1807 г. в 2-х томах.

Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих «Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия».

Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии». Умер Юнг в 1829 г.

Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория света и цвета», опубликованной в 1801 г.

Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира»

Таким образом. Все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов – к различным частотам этих колебаний. Световые колебание распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу, и если они в этой точке направлены одинаково, то «их совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них».

Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или 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». Так в оптике появился принцип интерференции.

Юнг впервые сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало спектрометрии.

Теория Юнга была встречена с недоверием и в самой Англии подвергалась ожесточенным нападкам.

Малюс. Этьен-Луи Малюс родился в 1775 г.Он учился В Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу. Был призван в армию на фортификационные работы, где его технические таланты были замечены. Затем его направили в открывшуюся Политехническую школу, которую он закончил в 1796 г.

Малюс установил, что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление, и что эти лучи поляризованы во взамно перпендикулярных плоскостях. Он установил также, что свет падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется.

Брюстер (1781-1868) в 1815 г. установил что этот угол полной поляризации удовлетворяет уравнению      = n, где n – показатель преломления отражающего вещества.

В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с плоскостью главного сечения анализирующего кристалла.

Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах, рассматривая двоякое действие молекул кристалла на световые корпускулы. Он вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био сообщил закон Лапласа на двухосные кристаллы.

Арго открыл явление хроматической поляризации в одноосных кристаллах, а также вращение плоскости поляризации в кварце. Био обнаружил хроматическую поляризацию в сходящихся лучах сначала в одноосных, а потом в двухосных кристаллах. В 1815 г. он открыл законы вращения плоскости поляризации.

Френель. Огюстен Жан Френель родился в 1788 г. в Нормандии в семье архитектора. Отличаясь слабым здоровьем, Френель учился с трудом, однако рано обнаружил технические способности и в 16 лет поступил в Политехническую школу.

Политические события привели к отставке роялиста Френеля, он занялся научной работой и в октябре 1815 г.  представил в Академию наук свой первый мемуар по дифракции света. Затем  последовал ряд других, принесших Френелю мировую славу. С 1823 г. он был избран членом Академии наук. Но болезнь заставила Френеля отойти от научной деятельности. Он умер в 1827 г.

С изумительной изобретательностью и мастерством Френель ставит опыты по дифракции света.

Ньютон в одном из писем, рассматривая некоторые вопросы акустики, изобразил пересекающиеся системы волн, распространяющихся от двух одинаковых источников. Ту же картину рассматривает теперь Френель, но источниками волн у него служат края препятствия. Френель ясно видит стационарное распределение максимумов и минимумов волнового поля, расположенных на гиперболоидах вращения. Ньютон этой картины не увидел, хотя в «Началах» описывает случай погашения волнового движения другим, находящимся в противофазе.

Принцип интерференции дал возможность Френелю объяснить законы отражения и преломления тем, что световые колебания поглощают друг друга для всех направлений, кроме направлений, удовлетворяющих закону отражения или закону Снеллиуса-Декарта. Из своей теории Френель сделал вывод, противоположный выводу Ньютона, а именно «что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе».

Френель совершенно независимо от Юнга пришел к принципу интерференции. Только от Арго он узнал о том,  что  то же самое открыл Юнг.

Франсуа Доминик Араго (1786-1853) сыграл большую роль в развитии и пропаганде волновой теории.

Фраунгофер.

Современником Френеля был немецкий оптик  Йозеф Фраунгофер (1787-1826). Он рано начал трудовой путь, работая вместе с отцом по стекольному делу. Йозеф до 14 лет был неграмотным. Оставшись к 12 годам сиротой, он начал работать в зеркальной и стекольной мастерской. Он попал в аварию, когда рухнули 2 ветхих дома и мастерская. Все погибли, одного его откопали. Очевидец происшествия банкир стал оказывать покровительство юноше, и Фраунгофер, продолжая работать в мастерской, стал посещать воскресную школу. Упорный труд превратил Фраунгофера в хорошего мастера оптического стекла, и в 1806 г. банкир определил его в Оптико-механический институт, принадлежавший фирме банкира.

Мастерство и талант помогли Фраунгоферу быстро сделать карьеру. Через год он становится оптиком института, через два – совладельцем фирмы, еще через два года он стоит во главе всей баварской оптической промышленности. Созданы им оптическая фирма получила мировую славу, производя первоклассные оптические инструменты. Так Й.Фраунгофер прошел путь от бедного неграмотного сироты до владельца мировой оптической фирмы, профессора и академика.

Два открытия в оптике обессмертили имя Фраунгофера. В 802 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 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 19 столетия не ограничилась открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была выполнена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). Физо разработал технически идея Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически – вращением зубчатого колеса.

Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами, распространяется на некоторое расстояние (в опыте Физо около 9 км), отражается от зеркала и идет обратно. Если колесо неподвижно, он попадет в тот же промежуток и направится в глаз наблюдателя. Если же колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения отраженный пучок попадет либо на зубец, либо в следующий промежуток.

Меняя скорость  вращения колеса и измеряя число его оборотов, можно определить промежуток времени между двумя прохождениями света и скорость света.

Физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313 000 км/с.

В установке Фуко применен метод вращающегося зеркала. Особенностью этого метода была возможность сравнения скорости света в воздухе и воде. Первые же наблюдения, проведенные в 1850 г., показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.