410
Глава 9. Свет
… Ньютон отдавал предпочтение корпускулярной теории света, считая его потоком частиц. …Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира.
А.М.Бонч-Бруевич [1]
9.1. Краткая история оптики
Оптика – одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна не менее чем за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Над существом оптических явлений размышляли Аристотель, Платон, Евклид, Птолемей. Существенный вклад в развитие оптики внес арабский ученый XI столетия Ибн аль-Хайсам [2, 3]. Точные законы преломления установлены в 1620 г. Спеллиусом и Декартом [3, 4]; дифракция и интерференция света открыты Гримальди (публикация 1665), двойное лучепреломление открыто Бартлиным (1669). Дальнейшее развитие оптики связано с именами Ньютона, Гука и Гюйгенса [5–7].
На воззрениях И.Ньютона следует остановиться подробнее, ибо именно Ньютон уделил проблеме устройства эфира и его роли в оптических явлениях весьма большое внимание [8]. И.Ньютон установил следующие независимые «изначальные» свойства световых лучей: прямолинейность, подчиненность законам отражения и преломления, скорость, цветовую неизменность простого света, его периодичность («попеременные приступы легкого отражения и легкого преломления»), поляризацию и дифракцию. Такое обилие «принципов» обращало оптику в громоздкую, трудно усвояемую и непонятную науку. Отсутствовал общий принцип, из которого вытекали бы все найденные изначальные свойства света.
Ньютон допускал возможность волновой интерпретации световых явлений, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции, считая свет потоком частиц, действующих на эфир и вызывающих в нем колебания. Трудности, возникавшие в волновой теории при попытках объяснить прямолинейное распространение света и явление поляризации, казались Ньютону настолько серьезными, что побудили его развить корпускулярную теорию (или теорию истечения), согласно которой свет распространяется от излучающего тела в виде мельчайших частиц.
411
Впервые понятие о поляризации света было введено в оптику Ньютоном в 1704–1706 гг., хотя явления, обусловленные ею, изучались и ранее (открытие двойного лучепреломления в кристаллах Э.Бартолином в 1669 г. и его теоретическое рассмотрение Х.Гюйгенсом в 1678–1690 гг.). Поляризация по Ньютону – «изначальное» свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.
Гипотеза эфира появляется у Ньютона впервые в 1672 г. в ответе на полемические замечания Гука на «Теорию света и цветов Ньютона». Сравнивая эмиссионную и волновую гипотезы света, Ньютон пишет: «Колебания эфира одинаково полезны и нужны и в той, и в другой, ибо если мы примем, что световые лучи состоят из маленьких частиц, выбрасываемых по всем направлениям светящимся телом, то эти частицы, попадая на преломляющие или отражающие поверхности, должны возбудить в эфире колебания столь же неизбежно, как камень, брошенный в воду». Однако это требовало пояснения свойств эфира.
Ньютон пишет (Мемуары 1675 г.):
«Предполагается, что существует некая эфирная среда, во многом имеющая то же строение, что и воздух, но значительно более разреженная, тонкая и упругая. …Нельзя, однако, предполагать, что эта среда есть однообразная материя: она складывается частью из основного, косного тела эфира, частью из других эфирных спиритусов, во многом подобно тому, как воздух слагается из косного тела воздуха, перемешанного с различными парами или выдыханиями. В пользу такой разнородности, по-видимому, говорят эластические и магнитные истечения и начало тяготения».
«Я предполагаю, – пишет Ньютон, – что, ударяясь о жесткую сопротивляющуюся эфирную поверхность (на границе сред – В.А.), лучи… вызывают колебания на поверхности. Эти колебания распространяются во все стороны как в разреженной, так и в плотной среде. Как колебания воздуха, производящие звук, они рождаются от удара и сильнее всего продолжаются там, где начались, попеременно сжимая и расширяя эфир в указанной физической поверхности, ибо из тепла, производимого светом в телах, явствует, что свет может привести частицы тела в движение и тем более может нагреть и привести в движение более нежный эфир. Более вероятно, что свет сообщает движение грубым частицам тела не непосредственно, а посредством эфира».
«Если луч ударяется о среду во время большого сжатия, – рассуждает Ньютон, – то, предполагаю я, поверхность тогда слишком плотна и жестка, чтобы пропустить луч, она отражает его. Но лучи,
