Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Знание спектра значительно расширилось в ноябре 1895 г. благодаря выдающемуся открытию Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Непосредственно вслед за этим открытием в 1896 г. Эмиль Вихерт (1861-1928) и Габриэль Стоке (1819-1903) заключили из способа возникновения рентгеновских лучей, что они являются световым излучением с очень короткой волной. Этот вывод полностью подтвердили в опытах по поляризации Ч. Г. Баркла и в опытах по интерференции в атомных пространственных решетках кристаллов В. Фридрих и П. Книппинг (1883-1935). Длина волны рентгеновских лучей колеблется между 10-7 и 10-9см. В 1949 г. Дж. Дюмонд с помощью тех же методов расширил оптику до гамма-лучей, имеющих длину волны еще более короткую, чем рентгеновские лучи.
Сделала успехи и теория. Прежде всего получила поразительное подтверждение идея Юнга о краевых волнах при диффракции, когда в 1883 г. Георг Ги (1854-1926) и в 1885 г. Вильгельм Вин (1864-1928) увидели их непосредственно при диффракции света под большим углом; до тех пор они наблюдались только вблизи границы тени. Созданная Френелем гениальная теория зон была в 1883 г. обобщена в математической волновой теории Г. Р. Кирхгофа, а в 1917 г. его дело продолжил А. Рубинович, который математически доказал, например, тождество взглядов Юнга и Френеля на явления диффракции. Но во всех этих исследованиях вынуждены были пользоваться приближенными способами. Лишь А. Зоммерфельд в 1894 г., математически строго исследовав диффракцию на прямолинейном крае, доказал правомерность этих приближений.
Колебания света рассматривались сначала (как могло быть иначе?) как упругие волны, подобные поперечным колебаниям в твердых телах. Среду, которая должна была переносить их через пустое пространство, называли эфиром. Со времени получения Е. Торричелли и О. Герике (гл. 2) безвоздушного пространства стали думать, что свет, в отличие от звука, не нуждается в материи для своего распространения. Правда, было трудно объяснить, почему в эфире имеют место поперечные, а не продольные волны. В жидкостях и газах возможны только продольные, но не поперечные колебания. Никакая теория упругости не может объяснить появление поперечных волн в подобных средах. Проблема отражения и преломления также не находила полного математического решения. Но вот в 1865 г. Дж. К. Максвелл (1831-1879) вывел из своей теории электричества и магнетизма (гл. 5) математическое заключение о возможности электромагнитных волн, которые распространяются со скоростью света, и тотчас же занялся светом как примером таких волн. Электромагнитная теория света удовлетворяла опыту лучше, чем упругая, поскольку она допускает только поперечные волны и сводит трудности, связанные с представлением о механических свойствах эфира, к более общей проблеме механического объяснения электродинамики вообще. Она привела к простому, у многих тел эмпирически наблюдающемуся отношению между показателем преломления и диэлектрической постоянной. Кроме того, она содержит в себе, как показал в 1875 г. Гендрик Антон Лорентц (1853-1928), полную теорию для предложенных уже Френелем формул интенсивности при отражении и преломлении; последние только экспериментально подтверждались, но не могли быть объяснены теорией упругости. Несмотря на ее преимущества, этой теории пришлось сражаться за свое признание три десятилетия - так велика была сила старых теорий, опирающихся на общее механистическое мировоззрение. После того как в 1888 г. Генрих Герц (1857-1894) обнаружил электромагнитные волны и показал, что они имеют все свойства света: преломление, отражение, интерференцию, диффракцию, поляризацию и ту же скорость распространения, что и у света, - новая теория одержала победу. Старый спор о том, происходят ли световые колебания в плоскости поляризации, как полагал Френель, или они, согласно Францу Нейману (1798-1895), перпендикулярны к ней, был решен теорией отражения Лорентца, а также опытом Отто Генриха Винера (1862-1927) со стоячими световыми волнами, показавшим, что колебания электрического поля совершаются перпендикулярно к плоскости поляризации, а колебания магнитного поля - в самой этой плоскости. Это вполне естественное соединение до этого совершенно независимых теорий света и электродинамики является, может быть, крупнейшим из тех событий, на которые указывалось во введении, как на доказательство истинности физического знания.
Теория Максвелла в своей первоначальной форме хорошо представила распространение света в пустом пространстве, но не дала анализа оптических свойств материи. Особенно не хватало объяснения зависимости показателя преломления от длины волн. Электронная теория Джозефа Лармора (1857-1942) и Антона Лорентца объяснила не только нормальную, но также открытую в 1871 г. Августом Кундтом (1839-1894) аномальную дисперсию, связанную с избирательным поглощением, как явление резонанса способных к колебаниям атомных образований. Величайшим триумфом электронной теории было открытие Питером Зееманом (1865-1943) в 1896 г. расщепления спектральных линий в магнитном поле; в 1897 г. Лорентц дал объяснение этого так называемого эффекта Зеемана. В тесной связи с этим явлением стоит найденное уже в 1845 г. Фарадеем вращение плоскости поляризации под влиянием магнитного поля.
Так развилась теория, охватывавшая все явления распространения света и не уступавшая в завершенности механике. Но уже к 1900 году обнаружилось, что она не в состоянии объяснить явления поглощения и испускания света. Об этом будет речь в главах 13 и 14.
ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Учение об электричестве и магнетизме гораздо моложе, чем механика и оптика. Кроме слова «магнит» и нескольких элементарных наблюдений над натертым янтарем древность не оставила ничего больше. (В Китае уже во втором столетии н. э. знали компас, но в Европу он попал только в XIII столетии.) Средние века дали знание того, что каждая часть магнита образует опять полный магнит. Достойным внимания является, может быть, страх, с которым воспринимал Христофор Колумб во время своего путешествия в 1492 г. перемену существовавшего в Южной Европе восточного отклонения компаса на западное. Даже в первые полтора столетия развития современной физики история физических идей мало направлялась в эту область, несмотря на несомненную заслугу Вильяма Гильберта (1540-1603), который исследовал при помощи небольшой магнитной стрелки изменение силовых линий вблизи намагниченных стальных шаров и установил совершенную аналогию их действия с действием Земли на компас, покончив тем самым со всеми преданиями о великих магнитных горах на Северном полюсе или о силе, исходящей из Полярной звезды. Он первый применил термин «электричество». Ничего не' изменили также исследования Отто Герике, который заметил отталкивание одинаково заряженных тел и построил первую машину, производящую электричество путем трения, а также открыл намагничивание кусочков железа магнитным полем Земли. В механике,
оптике, учении о теплоте и химии происходило глубокое сознательное исследование древних сокровищ донаучного опыта, который имел определенное значение. Но в области электричества и магнетизма лишь предстояло пройти соответствующую «доисторическую» стадию, прежде чем можно было придти к ясным идеям. Исследователи XVII и начала XVIII веков сталкивались с такими сложными явлениями, как электризация путем трения, образование искры, влияние влажности воздуха и др., которые невозможно было объяснить из-за отсутствия основных понятий электростатики.
Все же в эту эпоху возник ряд важных качественных наблюдений. Различение проводников электричества и изоляторов провел в 1731 г. Стефан Грей (1670-1736); Франц Эпинус (1724-1802) показал в 1759 г., что между ними существуют переходы всех ступеней. Оба наблюдали впервые индукционные действия заряженных тел на изолированные проводники. Случайные наблюдения привели в 1745 г. Эвальда Георга фон Клейста (родился вскоре после 1700 г., умер в 1748 г.) в Каммине (Померания) и Питера Мушенброка (1692-1761) в Лейдене к открытию лейденской банки - первоначальной формы электрического конденсатора, над пониманием которой трудился, кроме Эпинуеа, также Вениамин Франклин (1706-1790). Франклин дал термины «положительное» и «отрицательное» электричество. В связи с этим открытием Иоганн Карл Вильке (1732-1796) обнаружил в 1758 г. поляризацию диэлектрика - типичный пример рано появившегося и поэтому потерянного открытия. Электрофор, из которого должна была позднее развиться индукционная электростатическая машина, был изобретен Александром Вольта (1745-1827). Экспериментальное доказательство давно предполагавшейся электрической природы грозы, данное в 1752 г. Франклином, произвело большую и оправданную сенсацию.
Понятие «количество электричества», повидимому, уже с XVII столетия было общим достоянием и с самого начала без специального обоснования было
