БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ОП)
Второй важный шаг состоял в понимании законов преломления света (диоптрика ) и был сделан лишь много веков спустя. Диоптрические опыты описывались Евклидом и Клеомедом (1 в. н. э.), о применении стеклянных шаров как зажигательных линз упоминали Аристофан (около 400 до н. э.) и Плиний Старший (1 в. н. э.), а обширные сведения о преломлении были изложены Птолемеем (130 н. э.); важность этого вопроса тогда состояла главным образом в его непосредственной связи с точностью астрономических наблюдений. Однако законы преломления не удалось установить ни Птолемею, ни арабскому учёному Ибн аль-Хайсаму, написавшему в 11 в. знаменитый трактат по О., ни даже Г. Галилею и И. Кеплеру . Вместе с тем в средние века уже хорошо были известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами, и начало развиваться искусство изготовления линз. В 13 в. появились очки . По некоторым данным, около 1590 З. Янсен (Нидерланды) построил первый двухлинзовый микроскоп . Первые же наблюдения с помощью телескопа , изобретённого Галилеем в 1609, принесли ряд замечательных астрономических открытий. Однако точные законы преломления света были экспериментально установлены лишь около 1620 В. Снеллиусом (см. Снелля закон преломления ) и Р. Декартом , изложившим их в «Диоптрике» (1637). Этим (и последующей формулировкой Ферма принципа ) был завершен фундамент построения и практического использования геометрической О.
Дальнейшее развитие О. связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди ; публикация 1665) и двойного лучепреломления (датский учёный Э. Бартолин, 1669), не поддающихся истолкованию в рамках геометрической О., и с именами И. Ньютона , Р. Гука и Х. Гюйгенса . Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность волновой их интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (этот термин для обозначения наделённой механическими свойствами среды — переносчика света ввёл Декарт) и вызывающих в нём колебания. Движением световых частиц через эфир переменной (вследствие колебаний) плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких плёнок, дифракция света и его дисперсия (Ньютоном же впервые подробно изученная). Ньютон не считал возможным рассматривать свет как колебания самого эфира, т.к. в то время на этом пути не удавалось удовлетворительно объяснить прямолинейность световых лучей и поляризацию света (впервые осознанную именно Ньютоном, хотя и следовавшую из классических опытов Гюйгенса по двойному лучепреломлению). Согласно Ньютону, поляризация — «изначальное» свойство света, объясняемое определённой ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.
Гюйгенс, следуя идеям Леонардо да Винчи и развивая работы Гримальди и Гука, исходил из аналогии между многими акустическими и оптическими явлениями. Он полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира, распространяющиеся с большой, но конечной скоростью (Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной, Ньютон и Гук — конечной; впервые её величину экспериментально определил в 1676 О. Рёмер , см. Скорость света ). Наибольшим вкладом Гюйгенса в О., не потерявшим ценности до сих пор, является Гюйгенса — Френеля принцип , согласно которому каждая точка фронта волнового возбуждения может рассматриваться как источник вторичных (сферических) волн; огибающая (поверхность) вторичных волн представляет собой фронт реальной распространяющейся волны в последующие моменты времени. Опираясь на этот принцип, Гюйгенс дал волновое истолкование законов отражения и преломления. Из его теории следовало правильное выражение для показателя преломления: n 21 = u 1 /u2 (где u1 и u 2 — скорости света в 1-й и 2-й средах), в то время как у Ньютона (и Гука) получалось обратное (не соответствующее действительности) отношение u2 /u1 . Гюйгенс объяснил также двойное лучепреломление. Говоря о световых волнах, Гюйгенс не придавал им буквального смысла и не пользовался понятием длины волны. Он игнорировал явление дифракции, считая, что свет распространяется прямолинейно даже через сколь угодно малое отверстие, и не рассматривал поляризацию света. Не упоминает он и об описанных в 1675 Ньютона кольцах — интерференционном эффекте, прямо свидетельствовавшем о периодичности световых колебаний, а не об их импульсном, как он полагал, характере. Т. о., сформулировав фундаментальный принцип волновой О., Гюйгенс не разработал последовательную волновую теорию света, которая выдержала бы противопоставление воззрениям Ньютона. По этой причине и вследствие большого научного авторитета Ньютона корпускулярная «теория истечения» последнего (её приверженцы придали ей категоричность, не свойственную высказываниям самого Ньютона) сохраняла господствующее положение в О. до начала 19 в., хотя некоторые крупные учёные, например Л. Эйлер и М. В. Ломоносов , отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света. Путь к победе волновой О. открыли работы Т. Юнга и О. Френеля . В 1801 Юнг сформулировал принцип интерференции, позволивший ему объяснить цвета тонких плёнок (см. Полосы равной толщины ) и послуживший основой для понимания всех интерференционных явлений. Опираясь на этот принцип, Френель по-новому истолковал принцип Гюйгенса и не только дал удовлетворительное волновое объяснение прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления. В опытах Френеля и Д. Араго было установлено, что волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют; это дало основания Юнгу и (независимо) Френелю высказать существенно важную идею о поперечности световых колебаний, исходя из которой Френель построил волновую теорию кристаллооптических явлений. Т. о., все известные к тому времени оптические явления получили волновую интерпретацию. Однако и в этом «триумфальном шествии» были трудности, т.к. детальная разработка представлений о свете, как поперечных упругих колебаниях эфира, приводила к необходимости искусственных теоретических построений (так, эфир приходилось наделять свойствами твёрдого тела, в котором, тем не менее, могли свободно перемещаться тела). Эти трудности были радикально разрешены лишь при последовательном развитии учения Дж. К. Максвелла об электромагнитном поле. Максвелл, исходя из открытий М. Фарадея , пришёл к выводу, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны. Позже, в начале 20 в. выяснилось, что для их распространения не нужен эфир.
Первым указанием на непосредственную связь электромагнетизма с О. было открытие Фарадеем (1846) вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (Фарадея эффекта ). Далее было установлено, что отношение электромагнитной и электростатической единиц силы тока по абсолютной величине и размерности совпадает со скоростью света с (В. Вебер и Ф. Кольрауш , 1856). Максвелл теоретически показал, а Г. Герц в 1888 подтвердил экспериментально, что изменения электромагнитного поля распространяются в вакууме именно с этой скоростью. В прозрачный среде скорость света u = c/n = c/ , т. е. определяется диэлектрической и магнитной проницаемостями среды. Вначале не удавалось объяснить в рамках электромагнитной теории известные к тому времени зависимости показателя преломления n от длины волны l излучения, используя взятые из опыта значения e и m. Со времён Ньютона была известна нормальная дисперсия — возрастание n с уменьшением l. С позиций упругой волновой теории света она была объяснена Френелем и О. Коши . Но в 1862 французский физик Ф. Леру обнаружил участок дисперсионной кривой, на котором n увеличивался с ростом l. Впоследствии А. Кундт показал, что такая (аномальная) дисперсия свойственна очень многим веществам и связана с поглощением ими света. Возникло представление о веществе как совокупности упругих осцилляторов (резонаторов), с которыми взаимодействует свет (В. Зельмейер, 1872). Развивая эту идею и рассматривая влияние вынужденных колебаний осцилляторов под действием света на скорость его распространения, Г. Гельмгольц (1874) дал полную теорию дисперсии в рамках «упругой» теории света. В 90-х гг. 19 в. П. Друде , Гельмгольц и в особенности Х. Лоренц при построении электронной теории вещества объединили идею об осцилляторах и электромагнитную теорию света. Плодотворное представление об электронах, которые входят в состав атомов и молекул и способны совершать в них колебания, позволило описать многие оптические явления, в том числе нормальную и аномальную дисперсию, т.к. в электронной теории значение e зависит от частоты (длины волны) электромагнитного поля. Наиболее точные опыты по аномальной дисперсии (Д. С. Рождественский , 1912) дали результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями электронной теории. Блестящим подтверждением представлений о том, что излучение и поглощение света определяется поведением электронов в атомах, явилось открытие в 1896 П. Зееманом и истолкование в 1897 Лоренцем действия магнитного поля на частоты излучения и поглощения атомов (Зеемана эффекта ). В полном согласии с теорией Максвелла оказалась и величина давления света, мысль о котором впервые высказал в 1619 Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет в сторону от Солнца. В земных условиях величина этого давления была впервые измерена П. Н. Лебедевым в 1899. Построение электромагнитной теории света и дополнение её электронной теорией взаимодействия света и вещества явилось следующим (после победы волновой теории в начале 19 в.) существенным шагом в развитии О.
