Корпускулярная и волновая теории света. Скорость света

Мы с вами переходим к изучению оптики — следующего раздела физики, который будет посвящён изучению физической природы и свойств света.

Слово «оптика» произошло от греческого слова оптикос — видимый, зрительный, поскольку основную часть информации о природе и происходящих в ней явлениях человек получает посредством зрительных ощущений, возникающих под действием света. Кто из нас не испытывал восторга от новогодней ёлки, сияющей разноцветными огнями? А от чуда природы — северного сияния? Свет очаровывает человека, даёт возможность ему лучше понять окружающий мир. Однако роль света в жизни человека нельзя сводить только к получению информации о явлениях природы. Свет сам вызывает различные явления: химическую реакцию (на этом, например, основана фотография, а также фотосинтез в листьях растений); электрический ток (это, например, солнечные батареи, которые особенно важны для космических полётов). Без света невозможна сама жизнь на Земле. Но что же такое свет?

Например, древнегреческий философ Эмпидокл считал, что «свет есть движение, а у движения должна быть скорость». Аристотель же напротив, считал, что «свет — это просто присутствие чего-то в природе и все. И ничего не куда не движется».

Но были у древних греков и совсем причудливые теории. Так, например, Птолемей и Евклид считали, что «из глаз выходят чувствительные нити, которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения». Правда не понятно, почему же тогда ночью человек практически ничего не видит. Ответить на этот вопрос в то время было невозможно.

Однако, в чём большинство философов того времени соглашалось друг с другом, так это в том, что если у света и есть скорость, то она бесконечна.

В средневековье, в период господства схоластики и инквизиции, в период рассвета лженаук, заметных исследований по оптике не было, а если и были, то до нас они не дошли.

Лишь в эпоху Возрождения (в период, характеризующийся общим подъёмом экономики, культуры, техники и борьбой прогрессивных мировоззрений с схоластикой средневековья) наступает новый этап в изучении свойств света.

Так, например, Галилео Галилей одним из первых предпринял попытку измерить скорость света. Правда его опыт был достаточно примитивен, однако он заслуживает нашего внимания, так как это были первые попытки измерения скорости света. Итак, Галилей с помощником брали лампы и расходились на несколько километров. Затем Галилей зажигал свою лампу и светил ею в сторону помощника. Увидев свет, помощник зажигал свою лампу. Пытаясь измерить задержку между данными моментами, учёный пытался определить скорость света. Конечно же у него ничего не получилось в силу недостаточной точности измерения времени и малости расстояния. В конце концов Галилей написал в своих сочинениях: «Если у света и есть скорость, то она чрезвычайно велика, а посему можно считать её бесконечной».

После экспериментов Галилея французский математик и физик Рене Декарт предложил использовать для измерения скорости света астрономические расстояния, на преодоление которых свету потребуется значительное время.

Первое экспериментальное определение модуля скорости света по Декарту было предпринято датским астроном Олафом Рёмером в 1676 году. К этому времени почти все астрономы были вооружены телескопами Галилея, и с завидным постоянством наблюдали за четырьмя спутниками Юпитера — Ио, Европой, Каллисто и Ганимедом. Они даже определили примерный период обращения ближайшего к Юпитеру спутника — Ио, который составил около 42,5 часов. По этим данным было определено, что затмения спутника и выходы из затмений происходят примерно через каждые сутки и 19 часов, при этом фаза затмения длится порядка 200 секунд.

Так вот, Рёмер примерно через полгода наблюдений заметил, что моменты затмений Ио́ Юпитером сдвигаются во времени в зависимости от положения Земли на орбите. А именно, когда Земля находится ближе к Юпитеру, моменты затмений наступают раньше, а когда Земля находится дальше от Юпитера — отстают почти на 22 минуты по сравнению с вычисленным значением. Рёмер объяснил это опоздание конечностью скорости распространения света. Выступая в Парижской Академии, он говорил: «Поскольку за полгода Земля перемещается по орбите на расстояние, равное диаметру орбиты, то надо учитывать время, необходимое для того, чтобы свет прошёл это добавочное расстояние».

Поделив диаметр земной орбиты на 22 минуты Рёмер получил значение скорости света, примерно на треть не досчитавшись до её истинного значения.

Примерно в это же время среди научного мира возникают и начинают развиваться две совершенно разные теории, объясняющие, что такое свет и какова его природа. Одна из теорий, названная корпускулярной, связана с именем Исаака Ньютона, другая — волновая теория света — с именем ученика Ньютона Христианом Гюйгенсом.

Согласно теории Ньютона, свет — это поток частиц (корпускул), идущих от источника по всем направлениям (то есть распространение света, по Ньютону, сопровождается переносом вещества). С помощью корпускулярной теории легко можно было объяснить прямолинейное распространение света и образование резкой тени за предметами, как следствие закона инерции.

Но в тоже время, корпускулярная теория не могла объяснить, почему тогда световые пучки, пересекаясь в пространстве, не рассеиваются при столкновении, а продолжают независимое движение. Поэтому в 1690 году Христиан Гю́йгенс публикует свой «Трактат о свете», где исходя из аналогии между акустическими и оптическими явлениями, он предполагает, что свет как упругие волны распространяется в особой среде — эфире, заполняющем всё пространство как внутри материальных тел, так и между ними.

Обе теории существовали довольно длительное время. И лишь авторитет Исаака Ньютона заставлял большинство учёных отдавать предпочтение корпускулярной теории.

Однако в начале XIX века все меняется — открываются два новых световых явления, которые присущи только волновым процессам — это интерференция и дифракция света. Напомним, что явление интерференции заключается в том, что при наложении световых пучков друг на друга происходит усиление или ослабление света. А дифракция света состоит в том, что свет способен огибать препятствия, соизмеримые с длиной волны.

Казалось бы, победа сторонников волновой теории уже близка. А в 1864 году ещё и Максвелл публикует свою теорию электромагнетизма, в которой указывает на то, что свет является частным случаем электромагнитной волны. Когда же Герц обнаружил эти самые волны, вообще ни у кого не осталось никаких сомнений в том, что свет имеет электромагнитную (а значит и волновую) природу.

Помимо этого, из уравнений Максвелла появлялась возможность теоретически рассчитать скорость света, зная электрическую и магнитную проницаемость среды.

Примерно в это же время французский физик Арма́н Физо́ предпринял первые попытки измерения скорости света лабораторным способом. В его опытах луч света от источника разделяется полупрозрачной пластинкой на два луча, один из которых, отражаясь от зеркал, проходит через текущую в трубах воду по направлению её движения, а другой — против её движения.

После этого оба луча попадают в интерферометр, где и наблюдается интерференционная картина. Измерения производились сначала при неподвижной воде, а затем — при движущейся. По смещению интерференционных полос определялась разность времён прохождения лучей в движущейся и неподвижной среде. А по ней и скорость света, которая оказалась равной 313 300 км/с.

А вот что писал по этому поводу сам Максвелл: «Скорость поперечных волновых колебаний в нашей гипотетической среде  столь точно совпадает со скоростью света, вычисленной из оптических опытов Физо, что мы едва ли может отказаться от вывода, что свет состоит из поперечных колебаний той же самой среды, которая является причиной электромагнитных явлений».

Но не всё так просто и гладко в мире физики. В самом конце XIX века русский учёный Пётр Николаевич Лебедев проводит эксперимент, обнаруживающий световое давление. Из результатов его опытов следовало, что при излучении или поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц.

Возникла необычная ситуация: с одной стороны явления интерференции и дифракции по-прежнему можно объяснить только на основе волновых представлений о свете, а явления излучения и поглощения света только на основе корпускулярных. Поэтому, было решено в одних случаях рассматривать свет, как поток частиц, а в других — в виде электромагнитной волны. В настоящее время это называется корпускулярно-волновым дуализмом.

В 1905 году Альберт Эйнштейн создаёт свою знаменитую специальную теорию относительности, где постулирует, что скорость света в вакууме — это константа и не зависит вообще ни от чего. Наоборот, всё в мире относительно, а скорость света и есть та величина, относительно которой относительны все остальные вещи в нашем мире.

Однако точно определить скорость света все ещё не могли. И почти пол века учёные продолжали заниматься этим вопросом. Здесь стоит обратить внимание на опыт американского физика Альберта Абрахама Майкельсона, проведённый в 1926 году в обсерватории Маунт-Вильсон. Базой для измерения служила дистанция между двумя пиками горного хребта длиной 22 мили (чуть более 35 километров).

В опыте луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину горы Лукаут. В качестве зеркала использовалась восьмигранная стальная призма, вращающаяся с частотой 528 герц. Метод измерения основывался на том, что луч света от источника может попасть в зрительную трубу только в том случае, если за время его распространения стальная призма успеет повернуться на одну восьмую оборота.

По результатам опытов Ма́йкельсо́н получил значение модуля скорости света, близкое к современным данным:

с = (299 796 ± 4) км/с.

Дальнейший прогресс был связан с появлением мазеров и лазеров, которые отличаются очень высокой стабильностью частоты излучения. К началу семидесятых годов прошлого века погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с.

После долгих проверок и согласования результатов XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью 1,2 м/с.

Как оказалось, дальнейшее повышение точности измерений скорости света стало невозможным в силу ряда обстоятельств. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, в 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света, тем самым закрепив её в качестве константы.

В заключение хотелось бы отметить, что несмотря на то, что электромагнитная теория света позволила объяснить многие наблюдаемые явления, в оптике есть круг задач, на решение которых волновая природа света почти не сказывается. Это, например, вопросы, связанные с распространением света, а также построением изображений в оптических приборах. Они рассматриваются в разделе «Геометрическая оптика». Её основными понятиями являются световой луч и световой пучок.

 Световой пучок — это область пространства, в пределах которой распространяется свет.

Как показали различные опыты, световые пучки являются независимыми, то есть при взаимном пересечении каждый световой пучок ведёт себя самостоятельно и не оказывает никакого влияния на другие пучки света.

А световой луч — это линия, указывающая направление распространения света. Важно помнить, что световой луч — это не тонкий световой пучок. То есть, чтобы определить направление света, мы выделяем узкий пучок света, диаметр которого немного больше длины волны. Тогда световым лучом будет являться ось этого пучка.