Эволюция представлений о природе света. Предмет оптики

I.Введение

Эволюция представлений о природе света.

Предмет оптики.

Оптика возникла как наука о свете. Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены четыре основных закона оптических явлений.

1.  Закон прямолинейного распространения света. Встречается у Емпедокла(490-430 г. до н. э.), Платона(430 г. до н. э.) Был описан в сочинении, приписываемом Евклиду (300 лет до н. э.). Вероятно, был известен и применялся раньше. Всем известен способ, применяемый столярами, проверки «по лучу» прямолинейности кромки строганой доски.

2.  Закон независимости световых пучков.

3.  Закон отражения. Также упоминается в сочинениях Евклида, Платона.

4.  Закон преломления. Явление преломления  было известно уже Аристотелю (350 лет до н. э.), количественный закон попытался установить Птолемей(120 г. н. э.), учитывая влияние преломления в атмосфере на видимое положение светил (атмосферная рефракция), еще позже арабский оптик Альгазен(1000 г.). У Птолемея j₁»j₂ в силу малости измеряемых углов. Альгазен показал, что j₁¹j_2.  Правильная формулировка закона принадлежит голландскому физику Виллеброрду Снеллиусу(1580-1626 г.)(1621,не  опубликована) и, по-видимому, независимо от него французскому физику и математику Рене Декарту(1596-1650) (1637 г. в «Диоптрике»).

Весь первый этап исследований света состоял в установлении указанных выше законов и в их применении, то есть закладывал основы геометрической или лучевой оптики.

Основные законы оптики, как видим, были установлены давно, однако точка зрения на них менялась вместе с эволюцией представлений о природе света. Основные представления: корпускулярное и волновое.

Пифагор (около 580-500 г. до н. э.) считал, что свет- это частицы, испускаемые телами и попадающие в глаз наблюдателю.

Декарт уже полагает, что свет- это сжатие, распространяющееся в эфире, однако при выводе законов отражения и преломления рассматривает свет как поток частиц.

Морци (чешский монах, 1595-1667) и Гримальди (итальянский монах, 1618-1663), наблюдавший дифракцию, пришли к мысли (1665), что свет имеет волновую природу.

Гук (1635-1703) считал (1672 г.), что свет- импульсы сжатия, распространяющиеся мгновенно или с очень большими скоростями.

Подобные отрывочные высказывания о природе света были усовершенствованы и развиты в более систематизированные и имеющие большую значимость теории Исааком Ньютоном (1643-1727), с одной стороны, и Христианом Гюйгенсом (1629-1695), с другой.

Гюйгенс в “Трактате о свете” (1690) говорит о световом возбуждении как  упругих импульсах, распространяющихся в эфире, заполняющем все пространство как внутри материальных тел, так и между ними, свойства которого и обуславливают высокую скорость распространения света.

Несовершенства волновой теории Гюйгенса:

1)  Придерживаясь волновых представлений о свете, Гюйгенс, тем не менее , не предполагает периодичности в световых явлениях, не пользуется понятием длины волны.

2)  Полагая, что свет распространяется прямолинейно, он не обращает внимания на явления дифракции, отмеченные Гримальди (1665) и Гуком (в 1672-1675 г.).

3)  Не упоминает об уже известных кольцах Ньютона (1675)- явлении, доказывающем периодичность световых процессов.

4)  Имея ввиду свет как продольные волны, Гюйгенс не может объяснить поляризацию света.

Наибольшую ценность из идей Гюйгенса представляет  принцип Гюйгенса как прием для отыскания направления распространения световых импульсов: каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. 

Несмотря на появившиеся идеи о волновой природе света, еще в течение всего XVIII в. корпускулярная теория света занимала господствующее положение.

Ньютон в книге “Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света “(1704) вопрос о природе света выделил в особый раздел, содержащий 31 “вопрос”, которыми книга и заканчивается. Ньютон подходит к результатам исследований и гипотезам более осторожно, чем все остальные ученые, включая Гюйгенса. Экспериментируя с кольцами Ньютона, Ньютон отчетливо сознавал наиболее важный элемент волновой теории - периодичность световых явлений. Однако после тщательного рассмотрения различных исключающих друг друга возможностей отдал предпочтение корпускулярной теории света.

Ньютон (теория истечения): светящиеся тела испускают поток корпускул (свет), летящих прямолинейно, согласно законам механики (закон инерции). Отражение объяснил по аналогии с упругим соударением, изменение скорости, как и Декарт, - притяжением и отталкиванием световых частиц в приграничном слое преломляющей среды, вследствие чего меняется их скорость. Трудности:

1)  Теория Ньютона вкладывает определенный физический смысл в показатель преломления n, связывая его со скоростью световых корпускул. В среде однако получается  n=, т. е. v>c ( скорость света больше в оптически более плотной среде).

Опыт Фуко (1850) по определению скорости света v в воде опроверг это ошибочное утверждение.

2)  Светящееся тело теряет массу. Тогда справедливо опасение Эйлера (1707- 1783) о быстром уменьшении массы Солнца (1746). Аналогично возражал Ньютону и Ломоносов (1711- 1765).

3)  Скорость света в межпланетном пространстве измерил Ремер (1676) по наблюдениям с Земли затмений спутников Юпитера. Движение корпускул со скоростью с» 300000 км/с казалось затруднительным