История лазера - Марио Бертолотти

ГЛАВА 1

ВОЛНОВАЯ И КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИИ СВЕТА

Людьми, которые сыграли центральную роль в истории теории света, были Гук, Гюйгенс и Ньютон. Гук и Ньютон были британцами, Гюйгенс — голландцем. Все они сделали замечательные вклады в различные области физики и установили основу современного понимания света, хотя и предложили противоречащие теории. Одна была основана на волновых представлениях, в то время как другая рассматривала свет, состоящим из малых частиц. Эти две теории, которые казались непримиримыми, вызвали яростные дискуссии и споры среди последователей и их сторонников. Были написаны лавины слов об этом споре; мы не станем глубоко вникать в него, но ограничимся наиболее важными фактами.

Роберт Гук

Роберт Гук родился во Фрешвотере на острове Уайт в 1635 г. и умер в Лондоне в 1703 г. Он был целеустремленным человеком, который придумал и построил ряд инструментов и устройств: мы обязаны ему, например, новейшим использованием спиральной пружины в балансном механизме часов, что позволило обеспечить точность хода. Он ввел закон пропорциональности между упругими деформациями и силой, который носит его имя, провел ряд астрономических наблюдений и претендовал на результаты некоторых работ Ньютона, касающихся открытия закона всемирного тяготения, о котором, правда, он лишь смутно догадывался.

Благодаря своим тщательнейшим наблюдениям с помощью двадцатиметрового телескопа, колебавшегося даже под слабыми порывами ветра, он был первым, кто описал тень кольца Сатурна, бросаемую на планету, и составил детальные карты лунных кратеров. Он был назначен топографом и архитектором и помогал восстановлению Лондона после великого пожара 1666 г. Он был один из первых, кто явно выразил концепцию вымирания и предположил эволюцию двумя столетиями до Чарлза Дарвина.

Он начал свою научную карьеру в качестве ассистента хорошо известного английского химика Роберта Бойля (1627—1691), который после обучения в Итоне и в Женеве приступил к исследованиям свойств газов и вакуума. В 1658—1659 гг. Гук построил для Бойля вакуумный насос типа того, что в 1650 г. изобрел Отто фон Герике (1602—1686) и помогал Бойлю в демонстрациях, когда тот доказывал, что воздух играет важное значение в распространении звука, а также необходим для дыхания и горения. В тот же самый период Бойль сформулировал знаменитый закон, который в Великобритании носит его имя, а в континентальной Европе часто связывается с Мариоттом, согласно которому произведение давления газа на его объем является постоянным, если, как указал Мариотт, температура постоянна. Бойль настолько ценил Гука, что в 1662 г. назначил его куратором экспериментов в Королевском Обществе для улучшения знаний о природе Английской академии наук, основанном им в 1660 г. вместе с другими английскими учеными под покровительством Карла II. Роль Общества была «улучшать знания о природных вещах» путем наблюдений и экспериментов, а не обращениям к книжным авторитетам: девизом общества было Nullius in Verba («ничего не принимать на слово»). С этой целью Общество назначало куратора экспериментов. В этой роли Гук был обязан, когда бы ни проводилось заседание, выполнить три или четыре эксперимента, даже если заседание проводилось раз в неделю. Эта обязанность была довольно обременительной и обязывающей. Однако он выполнял эти обязанности с большим мастерством в течение многих лет, пока не был назначен секретарем Общества.

В оптике он сделал два важных экспериментальных наблюдения, которые, однако, были предвосхищены другими. Первое открытие, которое он описал в своей Micrographia, опубликованной в 1667 г., содержало детальное наблюдение радужных цветов, которые можно наблюдать, когда свет падает на тонкий слой воздуха между двумя пластинами стекла или линзами, или на любую тонкую пленку прозрачного вещества; это так называемые цвета тонких пластинок или кольца Ньютона, которые уже наблюдались Бойлем и впоследствии, были полностью изучены Ньютоном.

Второе открытие Гука, сделанное после публикации его Micrographia, заключалось в том, что свет в воздухе не распространяется строго вдоль прямой линии, но некоторое освещение можно обнаружить в области геометрической тени непрозрачного предмета. Это явление также уже наблюдалось и было опубликовано в 1665 г. в посмертной работе Франческо Мария Гримальди (1613—1663), итальянского иезуита, который дал этому явлению название «дифракция».

Теоретические исследования Гука природы света имели выдающуюся важность, так как они являлись переходом от картезианской (декартовой) системы к полностью волновой теории. В отличие от Декарта Гук считал, что условие, связанное с испусканием света светящимся телом, заключается в быстрых колебательных движениях очень малой амплитуды. Он писал о распространении света;

«...в Homogeneous medium это движение распространяется единообразно с равной скоростью, независимо от места, каждый импульс или колебание светящегося тела будут порождать сферу, которая станет последовательно увеличиваться, становясь все больше, совершенно таким же образом (хотя и бесконечно быстрее), как волны или круги на поверхности воды расходится вес большими кругами из точки палении камня. Отсюда следует, что все части этих сфер волнообразно распространяются в Homogeneous medium, с образованием лучей под прямыми углами к поверхности сферы».

Рис. 4. Волны на поверхности пруда. Круговая рябь представляет фронты волн. Лучи, перпендикулярные волновым фронтам, показывают направление движения волны

Гук ввел также концепцию «волнового фронта» или место точек, для которого, в каждый момент времени, возмущение (независимо от того, как определяется возмущение), первоначально порождаемое точечным источником, имеет одно и то же значение. Он утверждал, что это сфера, центром которой является точка испускания и радиусы которой соответствуют лучам света, испускаемого источником (рис. 4).

Гук пересмотрел теорию дифракции Декарта и вывел закон дифракции из отклонения волнового фронта. Он предположил, что отклонение волнового фронта ответственно за цвета, которые можно наблюдать, когда пучок белого света проходит через стеклянную призму. Он считал, что белый свет был простейшим типом возмущения, производимого простым и однородным импульсом под прямыми углами к направлению распространения, и предполагал, что цвет образуется за счет искажения этого возмущения во время процесса преломления. Мы увидим, что эта теория была полностью опровергнута через несколько лет после ее публикации.

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс, один из основателей механики и физической оптики, родился в Гааге в 1629 г. Он был сыном Константина (1596—1687), известного поэта Возрождения. Первоначально он изучал риторику и юриспруденцию, но, будучи влюблен в науки, он предпочел занятия математикой. В 1655 г. Гюйгенс с помощью своего самодельного мощного телескопа прояснил проблему конфигурации Сатурна, открыв его кольца. Он также открыл один из спутников Сатурна: Титан. Затем он обнаружил, что Луна лишена атмосферы и ее «моря» не имеют воды. Годом позже он написал учебник по расчетам вероятностей, De ratiociniis in ludo aleae, а в следующий год построил маятниковые часы.

В 1665 г. он по приглашению Кольбера, могущественного министра Людовика XIV, переехал в Париж, где в 1666 г. он был выбран членом вновь образованной Королевской Академии Наук, а в 1673 г. опубликовал Horologium oscillatorium. В этой книге вводилось понятие момента инерции, первые теоремы механики твердых тел и теория составного маятника. С помощью этих, а также ранее проведенных исследований упругих столкновений он выразил — хотя и в частном случае — теорему работы и энергии, исследовал вращательное движение, дал фундаментальные теоремы центробежной силы и установил, что ускорение под действием тяжести изменяется как функция высоты, продолжая в этом отношении исследования Г. Борели (1608—1679), и прокладывая путь для Исаака Ньютона.

Из-за жестокой кампании, проводимой Людовиком XIV против Голландии, Гюйгенс в 1681 г. был вынужден покинуть Францию и возвратиться на родину, где он вместе со своим братом занимался изготовлением линз для телескопов. В 1690 г. он опубликовал в Лейдене свою знаменитую книгу Traite de Lumiere, в которой, в противовес теории истечения Ньютона, он поддержал волновую теорию света. Он скончался в Гааге в 1695 г.

Гюйгенс соглашался с Гуком, что свет, по существу, является формой движений. Следовало решить, является ли это движением среды, или сравнимое с полетом стрелы, как это следует из корпускулярной теории. Он решил, что первая альтернатива единственно правильная.

Евангелиста Торричелли (1608—1647) — ученый, который после Галилея занял кафедру математики и философии герцогства Тосканы, — показал, что свет очень быстро распространяется как в воздухе, так и в вакууме. Это дало основание Гюйгенсу полагать, что среда, в которой распространяется свет, должна пронизывать все вещества Вселенной и даже так называемый вакуум. Эту среду он назвал «эфиром». Соответственно свет является возмущением этого эфира, состоящего из упругих колебаний, которые распространяются с большой скоростью в этой высоко упругой и тонкой среде. В 1675 г. датчанин Олаф Рёмер (1644—1710) уже измерил скорость света из астрономических наблюдений, получив значение 214 300 км/с, которое на треть меньше современного значения около 300 000 км/с.