7.1.6. Волновая теория света

Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, хими­ческих реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химичес­ких действий электричества — все это заставляло думать, что изуче­ние света окажется полезным для решения важных научных и прак­тических задач.

В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей вол­новой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.

Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся иссле­дованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, ко­торые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые ско­рости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными ис­точниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется.

Т. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движе­ние частиц эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разре­женный и упругий, заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светить­ся». Он поставил опыт, демонстрирующий явление интерференции света от двух источников и состоящий в следующем. В экране прока­лывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверс­тие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны полосы интерференции. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Изме­ряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и неко­торые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отражен­ной от края препятствия.

Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не поколебали корпускулярную теорию, ко­торая еще господствовала в оптике.

В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О. Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовавшись вопросами оптики, он сделал ряд открытий и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпуску­лярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил по­лученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук. Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в соста­ве Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пу­ассона. Члены комиссии были сторонниками корпускулярной тео­рии и не могли испытывать симпатий к работе Френеля. Но ре­зультаты работы настолько соответствовали эксперименту, что про­сто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыс­лу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию. Однако теория Френеля еще не стала об­щепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов.

Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французский физик Ж.Б. Фуко, измеряя скорость света с помощью вращающегося зерка­ла, показал, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердил волновую теорию света. Правда, к середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света оста­лось уже мало.