Электромагнитная природа света

 Введение. Что такое свет

При­ш­ла пора по­го­во­рить об элек­тро­маг­нит­ной при­ро­де света. Мы неод­но­крат­но слы­ша­ли слово «свет», но вот опре­де­ле­ние того, что же это такое, мы до сих пор не вво­ди­ли в курсе фи­зи­ки. Све­том на­зы­ва­ет­ся элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, вос­при­ни­ма­е­мое че­ло­ве­че­ским гла­зом и вы­зы­ва­ю­щее зри­тель­ные ощу­ще­ния.

Хо­те­лось бы за­ме­тить, что в этом опре­де­ле­нии все свя­за­но имен­но с че­ло­ве­че­ским ощу­ще­ни­ем, че­ло­ве­че­ским гла­зом. Во­об­ще, люди давно за­ду­мы­ва­лись о том, что такое свет. И Пи­фа­гор, и Ари­сто­тель, и дру­гие древ­ние уче­ные се­рьез­но под­хо­ди­ли к этому во­про­су и вы­дви­га­ли свои тео­рии. Но две ос­нов­ные тео­рии, о ко­то­рых мы обя­за­ны се­год­ня по­го­во­рить, сло­жи­лись в конце  и на­ча­ле 18 века.

 Корпускулярная и волновая теории

Со­зда­те­лем пер­вой тео­рии, кор­пус­ку­ляр­ной, яв­ля­ет­ся Исаак Нью­тон. А ро­до­на­чаль­ни­ком вто­рой тео­рии, вол­но­вой, яв­ля­ет­ся гол­ланд­ский уче­ный Хри­сти­ан Гюй­генс.

В итоге раз­ви­тия обеих тео­рий, свет, стали рас­смат­ри­вать, как объ­ект, об­ла­да­ю­щий двумя свой­ства­ми. И свой­ства­ми ча­стиц (кор­пус­кул, от ла­тин­ско­го слова «кор­пус­ку­лы» – ча­сти­цы), и свой­ства­ми волны.

Вол­но­вая тео­рия и кор­пус­ку­ляр­ная тео­рия успеш­но объ­яс­ня­ли неко­то­рые оп­ти­че­ские яв­ле­ния: пря­мо­ли­ней­ное рас­про­стра­не­ние света, пре­лом­ле­ние света, от­ра­же­ние света, т.е. те самые за­ко­ны, о ко­то­рых мы го­во­ри­ли в 8 клас­се. Объ­яс­не­ние этих яв­ле­ний, как вы­яс­ни­лось, может быть двой­ным. В итоге, эти две тео­рии про­су­ще­ство­ва­ли до­воль­но долго с пе­ре­мен­ным успе­хом. И уче­ные никак не могли опре­де­лить­ся, что же такое свет -  волна или поток ча­стиц? Точку в этом ис­сле­до­ва­нии, в этих тео­ри­ях уда­лось по­ста­вить толь­ко в се­ре­дине 19 века. Но все на­ча­лось в 17 веке.

 Скорость света. Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, по­смот­рим на этапы по­зна­ния того, что же такое свет:

1. Дат­ский аст­ро­ном Олаф Рёмер в 1676 г про­вел экс­пе­ри­мент по опре­де­ле­нию ско­ро­сти света. Этот экс­пе­ри­мент был свя­зан с тем, как опре­де­ля­ет­ся ско­рость света при за­тме­нии спут­ни­ка Юпи­те­ра Ио. Ре­зуль­тат, ко­то­рый по­лу­чил Рёмер в своих опы­тах, со­ста­вил 285000 .

Схема опыта Ре­ме­ра по опре­де­ле­нию ско­ро­сти света    

Рис. 1. Схема опыта Ре­ме­ра по опре­де­ле­нию ско­ро­сти света  

2. В 1848 г. фран­цуз­ский физик Физо про­вел экс­пе­ри­мент из ко­то­ро­го сле­до­ва­ло, что ско­рость рас­про­стра­не­ния света в ва­ку­у­ме со­став­ля­ет 313000 .

Од­на­ко эти опыты не могли под­твер­дить, что же такое свет – волна или ча­сти­ца.

3. В 1852 г. ан­глий­ский уче­ный Макс­велл опре­де­лил ско­рость рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн тео­ре­ти­че­ски. Он уста­но­вил, что ско­рость рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн со­став­ля­ет 300000.

Как толь­ко Макс­велл по­лу­чил зна­че­ние этой ско­ро­сти, есте­ствен­но, он по­пы­тал­ся вы­яс­нить, а есть ли такие объ­ек­ты, ко­то­рые об­ла­да­ют такой ско­ро­стью. В ре­зуль­та­те стало по­нят­но, что такой объ­ект есть и это, ко­неч­но, свет. То есть опыты Рё­ме­ра и Физо при­ве­ли к тому, что в со­че­та­нии с ре­зуль­та­та­ми, по­лу­чен­ны­ми Макс­вел­лом, стало ясно, что ско­рость рас­про­стра­не­ния элек­тро­маг­нит­ных волн яв­ля­ет­ся не чем иным, как ско­ро­стью света. И те­перь, ко­неч­но, оста­ет­ся сде­лать по­след­ний вывод – это то, что свет яв­ля­ет­ся не чем иным, как элек­тро­маг­нит­ной вол­ной.

Ка­за­лось бы, после всех этих экс­пе­ри­мен­тов, после всех этих вы­во­дов можно было оста­вить споры о том, что такое свет, и прий­ти к тому един­ствен­но­му ре­ше­нию, что свет – это элек­тро­маг­нит­ная волна. Од­на­ко хо­те­лось бы от­ме­тить, что в даль­ней­шем, в самом конце 19 века были от­кры­ты яв­ле­ния, ко­то­рые до­ка­зы­ва­ли, что свет все-та­ки об­ла­да­ет свой­ства­ми ча­стиц.

На се­го­дняш­ний день счи­та­ет­ся сле­ду­ю­щее: свет имеет двой­ную при­ро­ду. Он од­но­вре­мен­но и волна, и ча­сти­ца. Тогда, когда свет рас­про­стра­ня­ет­ся, т.е. от ис­точ­ни­ка до на­блю­да­те­ля, он ведет себя как волна. А тогда, когда он вза­и­мо­дей­ству­ет с по­верх­но­стью, с ве­ще­ством или тогда, когда он рож­да­ет­ся, при рож­де­нии света, он ведет себя как ча­сти­ца. Поток спе­ци­аль­ных ча­стиц, ко­то­рые со­став­ля­ют свет на­зы­ва­ет­ся по­то­ком фо­то­нов. Одна ча­сти­ца, со­от­вет­ствен­но, – фотон.

Во время борь­бы двух тео­рий, вол­но­вой и кор­пус­ку­ляр­ной, есте­ствен­но, каж­дый из апо­ло­ге­тов той или иной тео­рии искал опре­де­лен­ную опору в опы­тах. Что ка­са­ет­ся вол­но­вой тео­рии, очень важ­ное зна­че­ние по­лу­чи­ло яв­ле­ние, ко­то­рое было от­кры­то То­ма­сом Юнгом в 1802 г., и на­зы­ва­ет­ся это яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ци­ей. Это на­ло­же­ние двух ко­ге­рент­ных волн, в ре­зуль­та­те ко­то­ро­го об­ра­зу­ет­ся устой­чи­вая кар­ти­на из мак­си­му­мов и ми­ни­му­мов. Надо ска­зать, что ин­тер­фе­рен­ция света пред­став­ля­ет собой до­ста­точ­но из­вест­ную всем кар­ти­ну – это когда че­ре­ду­ют­ся свет­лые и тем­ные све­то­вые по­лос­ки. Вам всем из­вест­на ин­тер­фе­рен­ция в тон­ких плен­ках, - когда мы на­блю­да­ем мыль­ный пу­зырь в сол­неч­ном свете, то видим, как он пе­ре­ли­ва­ет­ся раз­но­цвет­ны­ми цве­та­ми. Это и есть про­яв­ле­ние ин­тер­фе­рен­ции света.

Ин­тер­фе­рен­ция в мыль­ном пу­зы­ре  

Рис. 2. Ин­тер­фе­рен­ция в мыль­ном пу­зы­ре 

То же самое про­ис­хо­дит лет­ним днем, когда мы на­блю­да­ем по­верх­ность лужи, то можем ви­деть в тон­кой плен­ке такое же раз­но­цвет­ное че­ре­до­ва­ние полос. Ин­тер­фе­рен­ция – это яв­ле­ние вол­но­вое, по­это­му после опы­тов Т. Юнга стало ясно, что свет яв­ля­ет­ся по боль­шей части, ви­ди­мо, вол­ной, т.е. это яв­ле­ние до­ка­зы­ва­ло, что свет – это волна.

Последнее изменение: Понедельник, 4 Июнь 2018, 16:00