Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете
Еще в 1812 г. Доменико Морикили (1773-1836) и в
1826 г. Гюнтер Кристи ошибочно считали, что им удалось добиться
намагничивания под воздействием света. Но Фарадея убедили не опыты
Морикини, который продемонстрировал их специально в 1814 г. в Риме,
когда Фарадей, сопровождая Дэви, путешествовал по Италии. Большое
влияние на него оказали идеи Джона Гершеля, который в отклонении
магнитной стрелки под действием тока видел спиралевидную симметрию,
аналогичную вращению плоскости поляризации светового луча при его
прохождении через некоторые тела. Однако проведенные Фарадеем в 1834 г.
и повторенные в 1838 г. опыты с целью обнаружения действия
электрического поля на свет не дали желаемого результата. Оставив эти
попытки электрооптических исследований, Фарадей в 1845 г. приступил к
магнитооптическим опытам. После первых неудач, которые его, однако, не
обескуражили, он обнаружил новое явление. Параллелепипед из тяжелого
стекла (фингласа) был помещен между полюсами электромагнита и через
него пропускался поляризованный луч света параллельно силовым линиями
поля. При возбуждении электромагнита плоскость поляризации света
поворачивалась.
Фарадей сообщил об этом открытии в ноябре 1845 г. в девятнадцатой
серии своих «Экспериментальных исследований по электричеству»,
озаглавленной «Намагничивание света и освещение магнитных силовых
линий». Еще до появления в печати этой статьи ее заглавие было многими
раскритиковано, особенно из-за выражения «освещение магнитных силовых
линий». Поэтому уже в корректуре Фарадей добавил примечание, чтобы
пояснить и оправдать это выражение:
«Я полагаю, что в опытах, описываемых мною в настоящей статье, свет
испытал на магнитное действие , то есть что магнитному действию
подвергалось то, что является магнитным в силах материи, а последнее в
свою очередь воздействовало на то, что является подлинно магнитным в
силе света»
Иначе говоря, Фарадей считал, что в свете присутствует некий
магнетизм. Эти слова тогда, в 1845 г., казались физикам еще более
непонятными, чем то выражение, которое они должны были пояснить, ибо по
теории Френеля, которая тогда глубоко укоренилась, свет не имел ничего
общего с магнетизмом.
Максвелл придерживался взглядов Фарадея относительно природы света.
«В различных местах этого трактата, - пишет Максвелл, приступая в ХХ
главе четвертой части своего «трактата о электричестве и магнетизме» к
изложению электромагнитной теории света, - делалась попытка объяснения
электромагнитных явлений при помощи механического действия,
передаваемого от одного тела к другому при посредстве среды, занимающей
пространство между этими телами. Волновая теория света также допускает
существование какой-то среды. Мы должны теперь показать, что свойства
электромагнитной среды идентичны со свойствами светоносной среды…
Мы можем получить численное значение некоторых свойств среды,
таких, как скорость, с которой возмущение распространяется через нее,
которая может быть вычислена из электромагнитных опытов, а также
наблюдена непосредственно в случае света. Если бы было найдено, что
скорость распространения электромагнитных возмущений такова же, как и
скорость света, не только в воздухе, но и в других прозрачных средах,
мы получили бы серьезное основание для того, чтобы считать свет
электромагнитным явлением, и тогда сочетание оптической и
электромагнитной очевидности даст такое же доказательство реальности
среды, какое мы получаем в случае других форм материи на основании
совокупности свидетельств наших органов чувств».
Максвелл исходит из своих уравнений и после ряда преобразований
приходит к выводу, что в пустоте поперечные токи смещения
распространяются с той же скоростью, что и свет, что и «представляет
собой подтверждение электромагнитной теории света», - уверенно
заявляет Максвелл. Затем Максвелл изучает более детально свойства
электромагнитных возмущений и приходит к выводам, сегодня уже хорошо
известным: колеблющийся электрический заряд создает переменное
электрическое поле, неразрывно связанное с переменным магнитным полем.
Уравнения Максвелла позволяют проследить изменения поля во времени в
любой точке пространства возникают электрические и магнитные колебания,
т.е. интенсивность электрического и магнитного полей периодически
изменяется; эти поля неотделимы друг от друга и поляризованы взаимно
перпендикулярно. Эти колебания распространяются в пространстве с
определенной скоростью и образуют поперечную электромагнитную волну:
электрические и магнитные колебания в каждой точке происходят
перпендикулярно направлению распространения волны.
ДАВЛЕНИЕ СВЕТА.
В 1884 г. Генрих Герц (1857-1894), бывший ученик и ассистент
Гельмгольца, приступил к изучению теории Максвелла. В 1887 г. он
повторил опыты Гельмгольца с двумя индукционными катушками. После
нескольких попыток ему удалось поставить свои классические опыты,
хорошо известные сейчас. С помощью «генератора» и «резонатора» Герц
экспериментально доказал (способом, который сегодня описывают во всех
учебниках), что колебательный разряд вызывает в пространстве волны,
состоящие из двух колебаний – электрического и магнитного,
поляризованных перпендикулярно друг другу. Герц установил также
отражение преломление и интерференцию этих волн, показав, что все опыты
полностью объяснимы теорией Максвелла.
По пути, открытому Герцем, устремились многие экспериментаторы, но
им не удалось многого прибавить у уяснению сходства световых и
электрических волны, которую брал Герц (около 66 см.), они
наталкивались на явления дифракции, затемнявшие все другие эффекты.
Чтобы избежать этого, нужны были установки таких больших размеров,
которые практически в те времена были нереализуемы. Большой шаг вперед
сделал Аугусто Риги (1850-1920), которому с помощью созданного им
нового типа генератора удалось возбудить волны длиной несколько
сантиметров (чаще всего он работал с волнами длиной 10,6 см.). Таким
образом, Риги удалось воспроизвести все оптические явления с помощью
приспособлений, которые в основном являются аналогами соответствующих
оптических приборов. В частности, Риги первому удалось получить двойное
преломление электромагнитных волн. Работы Риги начатые в 1893 г. и
время от времени описывавшиеся им в заметках и статьях, публиковавшихся
в научных журналах, были затем объединены и дополнены в теперь уже
ставшей классической книге «Оптика электрических колебаний», вышедшей в
1897 г., одно лишь название которой выражает содержание целой эпохи в
истории физики.
В 1891 г. русский ученый П.Н. Лебедев начал работать в Московском
университете в должности лаборанта. Но у Петра Николаевича был уже
большой план научной работы.
Основные физические идеи этого плана были напечатаны П.Н. Лебедевым
в Москве, в небольшой заметке «Об отталкивательной силе лучеиспускающих
тел». Начиналась она словами: «Максвелл показал, что световой или
тепловой луч, падая на поглощающее тело, производит на него давление в
направлении падения…» Исследование светового давления стало делом всей,
к сожалению короткой, жизни П.Н. Лебедева: последняя незаконченная
работа этого великого экспериментатора тоже была посвящена давлению
света.
Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно
плотности энергии электромагнитного поля. (При полном отражении
давление будет в два раза больше.) Экспериментальная проверка этого
положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень
мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не
говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку
– систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были
крутильные весы с невиданной до тех пор точностью. Во-вторых, серьезной
помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие
диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной
стороны будет больше, чем температура теневой. Возникает дополнительная
отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во
много раз превосходящая его. Кроме того, при наличии разности
температур возникаю конвекционные потоки газа. Все это надо было
устранить. П.Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего
экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки
подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому
выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в
наивысший достижимый в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.).
П.Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне,
где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка
подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А
после этого температура в баллоне понижалась и давление оставшихся
ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят,
замораживались).
Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о
давление света было сделано Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах
он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков , а в
1901 г. в немецком журнале «Анналы физики» была напечатана его работа
«Опытное исследование светового давления». Работа получила высочайшу
| |  скачать работу |
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете |
