История лазера. Научное издание
Шрифт:
По существу, создавая всеобъемлющую теорию Вселенной без необходимости изучения в деталях любого процесса, Декарт скорее продолжал традицию греков, чем следованию новым путям, проложенным Тихо Браге, Кеплером и в особенности Галилеем. Он никогда не держался принципа, что достоверное знание можно последовательно постигать путем терпеливого изучения природы, и его гипотеза, что сила может получаться только путем передачи через давление или удар, не давала возможности ему объяснить любую из сил, существующих в природе. Дефекты его методологии привели к тому, что менее чем за столетие почти все его теории были отвергнуты; однако его идеи стимулировали научную мысль на высочайшем уровне.
Закон преломления
В работе Dioptrique Декарт излагает свою теорию света, основанную на вихрях, и обсуждает законы отражения и преломления, впервые выразив принцип, что отношение углов падения и преломления зависит от среды, через которую проходит свет.
Уже греки знали, что если световой луч проходит из одной среды в другую, он частично отражается, а частично проходит через поверхность раздела двух этих сред (рис. 3). Каждый может выполнить эксперимент с куском стекла, освещаемым лучом света от окна. Часть солнечного света отражается от поверхности стекла, образуя пятно света, которое двигается по стене при движении стекла, а другая часть проходит сквозь стекло. Явление, при котором часть света проходит через стекло, называется преломлением (рефракция). Термин происходит от латинского слова refraction и отражает тот факт, что объект, который частично находится в одной среде, а частично в другой (например, палка частично в воздухе, а частично в воде), кажется сломанным (на латыни refractus).
Рис 3. (а). Падающий, отраженный и преломленный лучи. Закон преломления утверждает, что sin 1/sin 2 = v1/v2, где v1 и v2 скорости света в первой и во второй средах, соответственно, (б) Пучок света, отраженный и преломленный к куске стекла
Рмеются три закона геометрической оптики: первый утверждает, что свет распространяется РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№ линии, если только РЅРµ встречает помех; вторым Рё третьим законами являются законы отражения Рё преломления. Первый закон уже можно найти РІ труде РїРѕ оптике, написанном Рвклидом (300 лет РґРѕ РЅ.СЌ.), там же содержится Рё закон отражения; РЅРѕ РѕР±Р° РѕРЅРё были известны Рё ранее.
Без сомнения явление преломления света было известно Аристотелю. Позднее Птолемей старался, правда безуспешно, вывести количественный закон. РР· измерений, сделанных РёРј для сравнительно малых углов, РѕРЅ сделал ошибочное утверждение, что СѓРіРѕР» преломления пропорционален углу падения. РњРЅРѕРіРѕ позднее арабский оптик Альхазен (РђР±Сѓ Али аль-Хасан РёР±РЅ аль Хаитам 9651038) нашел, что отношение между углами падения Рё преломления РЅРµ остается постоянным РїСЂРё изменении угла падения, РЅРѕ РѕРЅ РЅРµ СЃРјРѕРі дать верной формулировки. До него было около сотни публикаций; РІ РѕРґРЅРѕР№ РёР· наиболее важной, переведенной РЅР° латинский язык РІ XII РІ. Рё опубликованной РІ 1572 Рі. РїРѕРґ заглавием Opticae Thesaurus, теория греков, согласно которой глаз испускает лучи, впервые авторитетно отвергалась.
Правильная формулировка закона преломления была дана Виллебродом Снеллиусом (1591 1676), профессором математики РІ Лейдене, который установил экспериментально РІ 1620 Рі., что отношение косекансов углов падения Рё преломления постоянно, Рё выразил это РІ своей СЂСѓРєРѕРїРёСЃРё, которая получила некоторое распространение. Однако дальнейшие исторические исследования показывают, что закон преломления был открыт английским астрономом Рё математиком Томасом Херриотом (1560-1621) РІ Рслворте (Мидлсекс) около 1601 Рі. РљСЂРѕРјРµ того, математик РђР±Сѓ Сайд аль-Ала РІ своей РєРЅРёРіРµ Рћ зажигательных инструментах (написанной около 984 Рі.) устанавливал закон Рё рассчитывал СЃ его помощью зажигательного стекла. Декарт РІ своей РєРЅРёРіРµ Dioptrique РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ современную формулировку закона, утверждая, что отношение между синусами углов падения Рё преломления равно скорости света РІРѕ второй среде, деленной РЅР° скорость РІ первой (С‚.Рµ. РІ среде, РёР· которой выходит свет). Рспользуя СЃРІРѕСЋ теорию света, РІ которой предполагалось наличие малых испускаемых частиц, РѕРЅ показывал, что закон преломления обусловлен изменением скоростей частиц РїСЂРё переходе РёС… РёР· РѕРґРЅРѕР№ среды РІ РґСЂСѓРіСѓСЋ. Гюйгенс утверждает, что Декарт был знаком СЃ СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊСЋ Снеллиуса Рё использовал его результаты.
Хотя утверждение, что отношение синусов углов падения и преломления зависит от скоростей света в двух средах, справедливо, Декарт, используя законы механики к малым летящим частицам, которые по его представлению составляют свет, приходил к заключению, которое было неверным. Он считал, что для согласования с экспериментальными наблюдениями, а именно, что в более плотной среде свет отклоняется в меньшей степени, следует предположить, что в ней световые частицы движутся быстрее.
Во всяком случае его теория имела большой успех. Он дал математическое объяснение радуги, рассчитав отражение и преломление света в дождевых каплях, и это рассматривалось его современниками как изумительный результат. Радуга всегда рассматривалась как необъяснимый феномен, вплоть до того времени, когда архиепископ Сплита философ Марко Антонио де Домини (15601624) предположил, что этот феномен возможно связан с дождем и солнцем.
Теория света Декарта быстро заменила средневековые взгляды и способствовала новым знаниям. Однако попытки рационально объяснить природу и возникновение света привели к огромному противоречию в двух созданных и взаимно исключаемых теориях: волновой теории Гука и Гюйгенса, и корпускулярной теории, введенной Декартом и продолженной Ньютоном и его последователями.
ГЛАВА 1
ВОЛНОВАЯ РКОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРРРСВЕТА
Людьми, которые сыграли центральную роль РІ истории теории света, были Гук, Гюйгенс Рё Ньютон. Гук Рё Ньютон были британцами, Гюйгенс голландцем. Р’СЃРµ РѕРЅРё сделали замечательные вклады РІ различные области физики Рё установили РѕСЃРЅРѕРІСѓ современного понимания света, хотя Рё предложили противоречащие теории. РћРґРЅР° была основана РЅР° волновых представлениях, РІ то время как другая рассматривала свет, состоящим РёР· малых частиц. Рти РґРІРµ теории, которые казались непримиримыми, вызвали яростные РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёРё Рё СЃРїРѕСЂС‹ среди последователей Рё РёС… сторонников. Были написаны лавины слов РѕР± этом СЃРїРѕСЂРµ; РјС‹ РЅРµ станем глубоко вникать РІ него, РЅРѕ ограничимся наиболее важными фактами.