Розвиток уявлень про природу світла

Місце оптики у сучасному природознавстві.

ВСТУП

Оптика є саме тим розділом фізики, де були зроблені найбільш ранні і найбільш фундаментальні досягнення у розумінні фізичної картини світу. Роль оптики як першопрохідця у дослідженнях і інтерпретації багатьох основних явищ природи зберігається і до сьогоднішнього дня.

Оптика не є замкненим розділом фізики, а навпаки, охоче проникає у суміжні області знань. Подекуди зустрічаються і несподівані застосування та ефекти в таких галузях, як біологія, хімія, технічні науки та технології. Особливо це стосується впливу лазерних приладів на розвиток науки і техніки взагалі.

Одним із рішучих прогресивних кроків у розвитку оптики був винахід оптичної лінзи. Застосування оптичної лінзи свого часу привело фактично до революції в науці взагалі і, зокрема, в області оснащення експериментальних лабораторій приладами для досліджень. 3а допомогою лінзи дослідники перенесли межі своїх пошуків далеко у простори Всесвіту (телескоп), зуміли зазирнути у таємниці будови мікросвіту (спектроскоп, спектрограф), відкрити закономірності будови і діяльності біологічних об'єктів (мікроскоп).

Звичайним стало використання фотоапарата у повсякденному житті, а роль наукової фотографії в дослідженнях біологічних об'єктів, неорганічних матеріалів та оптичних явищ і сьогодні неперевершена. Виникнення таких приладів, як фотоапарат та його сучасних похідних теж пов'язане з винаходом звичайної лінзи. І, нарешті, майже половина населення земної кулі не може уявити своє життя без окулярів або контактпих лінз, які роблять людей працездатними і дозволяють вести повноцінне життя без почуття вади свого зору.

Саме оптичні дослідження започаткували і спричинили інтенсивний розвиток теорії відносності та теорії квантів, які відносяться до фундаментальних - таких, що є основою сучасного наукового світогляду.

Перші уявлення про природу світла виникли у стародавніх греків та єгиптян. Так, Платон (430 р. до н.е.) встановив закон прямолінійного поширення і закон відбивання світла. Аристотель (350 р. до н.е.) і Птоломей вивчали заломлення світла. У міру винаходів та вдосконалення різних оптичних приладів (параболічних дзеркал, мікроскопа, зорової труби) ці уявлення розвивалися і трансформувалися. В кінці XVII століття виникли дві теорії світла: корпускулярна (І. Ньютон) і хвильова (Р. Гук і Х. Гюйгенс).

Згідно корпускулярної теорії, світло представляє собою потік частинок (корпускул), що випускаються тілами, які світяться. Ньютон вважав, що рух світлових корпускул підкоряється законам механіки. Так, віддзеркалення світла розумілося аналогічно відбиванню пружної кульки від площини. Заломлення світла пояснювалось зміною швидкості корпускул при переході з одного середовища в інше. Однак, з корпускулярної теорії випливало, що швидкість світла в середовищах повинна бути більшою за швидкість світла у вакуумі. Ньютон намагався також пояснити появу інтерференційних смуг, допускаючи певну періодичність світлових процесів. Таким чином, корпускулярна теорія Ньютона містила в собі елементи хвильових уявлень.

Хвильова теорія, на відміну від корпускулярної, розглядала світло як хвильовий процес, подібний до механічних хвиль. В основу хвильової теорії був покладений принцип Гюйгенса, згідно з яким кожна точка, до якої доходить хвиля, стає центром вторинних хвиль, а обвідна цих хвиль дає положення хвильового фронту у наступний момент часу. За допомогою принципу Гюйгенса були пояснені закони відбиття і заломлення.

Закон заломлення, отриманий з хвильової теорії, виявився у суперечності з формулою Ньютона. Хвильова теорія приводить до висновку, що υ<c, тоді як відповідно до корпускулярної теорії υ>c.

Таким чином, до початку XVIII століття існували два протилежні підходи до пояснення природи світла: корпускулярна теорія Ньютона і хвильова теорія Гюйгенса. Обидві теорії пояснювали прямолінійне поширення світла, закони відбиття і заломлення. Все XVIII століття стало століттям боротьби цих теорій.

Однак, на початку XIX сторіччя ситуація докорінно змінилася. Корпускулярна теорія була відкинута і хвильова теорія запанувала. Велика заслуга у цьому належить англійському фізику Т. Юнгу та французькому фізику О. Френелю, які досліджували явища інтерференції та дифракції. Вичерпне пояснення цих явищ могло бути дано тільки на основі хвильової теорії. Важливе експериментальне підтвердження справедливості хвильової теорії було отримано в 1851 році, коли Ж. Фуко (і незалежно від нього А. Фізо) виміряв швидкість поширення світла у воді і отримав значення υ<c.

Хоча до середини XIX століття хвильова теорія була загальновизнана, питання про природу світлових хвиль залишалось невирішеним.

У 60-ті роки XIX століття Максвеллом були встановлені загальні закони електромагнітного поля, які привели його до висновку, що світло - це електромагнітні хвилі. Важливим підтвердженням такої точки зору послужило співпадіння швидкості світла у вакуумі з електродинамічною сталою.

Електромагнітна природа світла отримала визнання після дослідів Г. Герца (1887-1888 рр.) з дослідження електромагнітних хвиль.

На початку XX століття після дослідів П.М. Лебедєва з вимірювання світлового тиску (1901 р.) електромагнітна теорія світла перетворилася у загальновизнаний факт.

Найважливішу роль у з'ясуванні природи світла зіграло дослідне визначення його швидкості. Починаючи з кінця XVII століття робилися неодноразові спроби вимірювання швидкості світла різними методами (астрономічний метод А. Фізо, метод А. Майкельсона). Сучасна лазерна техніка дозволяє вимірювати швидкість світла з дуже високою точністю на основі незалежних вимірювань довжини хвилі λ і частоти світла ν (c = λ·ν). Таким шляхом було знайдено значення c=299792458±1,2 м/с, що перевершує по точності всі раніше отримані значення більш ніж на два порядки.

Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, таких як інтерференція, дифракція, поляризація і так далі. Однак, ця теорія не завершила розуміння природи світла.

Вже на початку XX століття з'ясувалося, що ця теорія недостатня для тлумачення явищ атомного масштабу, що виникають при взаємодії світла з речовиною. Для пояснення таких явищ, як випромінювання чорного тіла, фотоефект, ефект Комптона і інших потрібно введення квантових уявлень. Наука знову повернулася до ідеї корпускул - світлових квантів. Той факт, що світло в одних дослідах виявляє хвильові властивості, а в інших - корпускулярні, означає, що світло має складну подвійну природу, яку прийнято характеризувати терміном корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Світло відіграє надзвичайно важливу роль у нашому житті. Переважна кількість інформації про навколишній світ людина отримує за допомогою світла. Однак в оптиці як розділі фізики під світлом розуміють не тільки видиме світло, але й примикаючі до нього широкі діапазони спектру електромагнітного випромінювання.

Дата добавления: 2014-01-11