Лекция 1. Введение. Оптика- древнейшая из наук естествознания

Оптика - древнейшая из наук естествознания. Законы отражения и преломления света были известны еще в древней Греции и Египте. Об исключительной роли, которую придавали свету в мироздании в древности, свидетельствует запись в Ветхом Завете. В первой книге "Бытие" так говорится о сотворении мира: "... И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог, что он хорош и отделил Бог свет от тьмы... И был... день один".

Удивительно, но и современные представления об образовании нашего мира согласуются с этой древней легендой. В соответствии с общепринятой концепцией, предложенной русским физиком Г. А. Гамовым, Вселенная образовалась в результате "Большого Взрыва". В первые моменты существования Вселенной ее температура была бесконечно большой. В этих условиях могло существовать только излучение, то есть свет. После остывания Вселенной из излучения образовались весомые материальные частицы и античастицы, существовавшие в виде непрозрачной плазмы. Затем антивещество аннигилировало, а свет "отделился" от весомой материи, так как остывшая и расширяющаяся Вселенная, состоящая уже из нейтральных атомов, стала прозрачной для света. Этот свет, идущий от самых удаленных от нас областей Вселенной, находящихся на расстоянии ~13,7 миллиардов световых лет, регистрируется как реликтовое излучение.

В узком понимании свет - это электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом. В физике светом называют видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, а иногда - электромагнитное излучение с любой длиной волны. Оптика – раздел физики, наука, изучающая свет и его взаимодействие с веществом.

Несмотря на свою древность, последние десятилетия оптика развивается быстрее других разделов физики. Свидетельство этому - появление в оптике новых научных направлений: физики лазеров, нелинейной оптики, физики волоконных световодов, оптической электроники (оптических методов передачи и хранения информации), современных методов обработки изображения. Причем дело здесь не только в важных технических приложениях оптики, которые для фундаментальной науки играют второстепенную роль.

Именно в оптике экспериментально исследуют принципиальные и дискуссионные вопросы физики. Здесь удалось подойти к наблюдению объектов Вселенной, удаленных на миллиарды световых лет и к исследованиям, затрагивающим самые основы физики: к процессам взаимодействия единичных атомов со светом, к созданию нелинейных моделей таких взаимодействий, к новому классу явлений - когерентным взаимодействиям света с веществом.

Рис. 1. Открытие спектрального разложения света И. Ньютоном – крупнейшее событие в оптике.

Рис.2. Спектр солнечного света. Глаз уверенно различает 6 цветов. Но «для круглого счета» посчитали, что таких цветов 7, так как 7 в ньютоновские времена считали более совершенным числом.

Рис.2 Электромагнитные волны, существующие в природе. Е – энергия кванта (Дж), V – энергия кванта света, измеренная в электрон-вольтах. Черта над показателями степени, указанными в правой части таблицы, означает знак минус перед знаком. Ангстрём – внесистемная единица, используемая в спектроскопии для измерения длин волн, 1 Å = 10^-10 м. n- частота электромагнитных колебаний, `n = 1/l - волновое число. Длины волн света в современной оптике принято измерять в микрометрах или нанометрах.

Установление основных представлений оптики в нынешнем веке проходило долго и мучительно. В ходе этого становления многим физикам, внесшим решающий вклад в развитие оптики, приходилось неоднократно изменять свое мнение о природе света и фундаментальных процессах его поглощения и испускания.

Как верно заметил академик Л.И. Мандельштам истинное понимание (которым должен обладать каждый физик) заключается в умении разобраться в парадоксах, неизбежно возникающих при развитии физики [1].

В теории Планка предполагалось, что атом обменивается энергией с электромагнитным полем не непрерывно, а лишь порциями, квантами, величины которых пропорциональны частоте света. В 1905 г. Эйнштейн на основании теории Планка предположил, что планковские кванты существуют в виде реальных частиц, названных им световыми квантами или фотонами [2]. Таким образом ему удалось объяснить фотоэффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода энергия, передаваемая светом отдельной частице, пропорциональна не интенсивности, а частоте излучения. При этом наглядно свет можно представить как мелкий град, или поток быстро летящих мелких шариков.

Гипотеза световых квантов была воспринята в то время ведущими физиками как ересь. Фотон был признан только после длительной и ожесточенной борьбы. Решающим аргументом в пользу его признания было открытие эффекта Комптона. Авторы фундаментальной монографии "Основы оптики" Борн и Вольф отмечают удивительно парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка e = hu и в своем изложении его избегают [3]. Сам Эйнштейн ясно понимал неудовлетворительность и временный характер гипотезы световых квантов. В конце жизни в 1951 г. он писал: "После 50 лет раздумий я так и не смог приблизиться к ответу на вопрос, что же такое световой квант, хотя ныне каждый школьник считает, что он это понимает" [4].

И в современных учебниках природу света обычно объясняют с помощью туманных рассуждений о корпускулярно-волновом дуализмом, а изложение строится так, что у читателя складывается впечатление о фотоне, как о реально существующей элементарной частице. "Свет обладает одновременно как волновыми, так и корпускулярными свойствами" - пишется, например [5]; "Свет имеет прерывистую структуру" [6]. Подобные устаревшие представления до сих пор встречаются в целом ряде других изданий. Парадоксальность введения понятия «фотон», заключается в том, что в природе никакого дуализма нет: в пространстве реально существуют только световые волны - электромагнитные колебания.

Неприятность, связанная с фотоном заключается в том, что он должен обладать свойствами, которыми принципиально не может обладать никакая реально существующая частица. Поэтому говорить о нем, как о реальном объекте природы неверно [7]. Фотон - лишь физическая модель, применение которой чрезвычайно облегчает рассмотрение процессов обмена энергией, импульсом и моментом импульса между светом и веществом.

Фотон есть бесконечная, плоская монохроматическая волна с круговой поляризацией (правой или левой). В то же время при рассмотрении поглощения и испускания фотона в квантовой механике предполагается мгновенность этого процесса.

В соответствии с классическими представлениями бесконечная волна не может поглощаться или испускаться, т. к. она вечна, а интегрирование по всему пространству дает бесконечно большую энергию фотона. Атом, размеры которого на несколько порядков меньше длины световой волны, принципиально не может излучить плоскую, не расходящуюся волну. Таким образом, фотон - это математическая абстракция, идеальная физическая модель, такая же, как материальная точка в механике.

Аналогичные парадоксы существуют при описании волновых свойств материальных частиц: приходится одновременно считать их точечными объектами, масса которых сосредоточена в бесконечно малом пространстве, и в то же время бесконечными плоскими волнами - волнами деБройля.

В Берклеевском курсе физики [5] делается попытка обойти указанную трудность, в нем фотон - волновой пакет, "почти монохроматическое излучение". Такое представление не удовлетворительно и приводит к новым проблемам: элементарный волновой пакет должен обладать не только несущей частотой u, но и рядом других параметров, например, конечной длительностью и спектральной шириной, зависимостью амплитуды колебаний от времени и рядом других. Опыты прямо противоречат такому представлению: интерференционная картина, получаемая от предельно ослабленных световых потоков, в которых кванты света (если бы они существовали) должны поглощаться по одному, не обнаруживает какого-либо спектрального уширения по сравнению с более интенсивным монохроматическим световым потоком. Свет даже самой малой интенсивности может быть разложен с помощью спектрального прибора на монохроматические волны.

В учебники по физике иногда включают еще одно неверное утверждение о том, что квантовые свойства электромагнитного излучения ярче проявляются при уменьшении длины волны [4]. Это заблуждение вероятно связано с тем, что гамма-кванты экспериментально зарегистрировать гораздо проще с помощью счетчика Гейгера, чем единичные кванты света. На самом деле принципиальной разницы в электромагнитном излучении атомного ядра или его электронной оболочки, то есть гамма-излучения и видимого света не существует. Наблюдение эффекта Мессбауэра (узкополосного гамма- излучения, происходящего без обмена импульсом с отдельными атомами кристаллической решетки) и многие опыты с мессбауэровским излучением - пример процессов, в которых проявляются именно волновые свойства гамма-излучения. А опыты по регистрации сильно ослабленного видимого света с помощью счетчиков фотонов однозначно свидетельствуют о прерывистом, статистическом характере поглощения света атомами фотоприемника.

В конечном итоге в теоретической физике при описании взаимодействия света и вещества пришлось отказаться от применения в качестве расчетных моделей реальных объектов. Как известно, такое описание в настоящее время строится на моделях, не существующих в природе: волнах вероятности (волновой функции) и наборе "квазичастиц": фотонов, фононов, экситонов, электронов, дырок и т.д.

Эта ситуация, привычная для физиков-теоретиков, очень не нравиться некоторым философам и служит поводом для обвинений в физическом идеализме.

Современная квантовая электродинамика, позволяет с высокой точностью рассчитывать процессы взаимодействия света и электронов. В ней монохроматическую световую волну, считают эквивалентной квантовому осциллятору. Такой осциллятор обладает бесконечным набором дискретных уровней энергии, разделенных величиной hu, и «нулевой энергией» - hu/2. При взаимодействии волны с атомом электромагнитное поле переходит из одного состояния в другое, при этом его энергия изменяется на hu. Слова поглощение и испускание фотона означают, таким образом, изменение энергии волны на эту величину. Фотон не есть частица в обычном понимании этого слова, так как пространственно его невозможно выделить из всей волны в целом.

Для описания таких "частиц", как фотон в современной физике используют понятие "квазичастица" - буквально почти частица, или элементарное возбуждение. Конкретная квазичастица (фотон, фонон, экситон и т.д.) - идеальная физическая модель, позволяющая правильно рассчитывать результаты некоторого узкого класса экспериментов.

С точки зрения квантовой теории поля фотон непрерывно взаимодействует с физическим вакуумом и поэтому должен рассматриваться как коллективное образование - система многих частиц.

Исследования сложных колебательных систем, описываемых так называемыми "странными аттракторами", последних десятилетий позволили установить причины еще одного непонятного ранее свойства излучающих и поглощающих электромагнитное излучение систем - отсутствие детерминизма, его вероятностный характер. Как известно процессы радиоактивного распада ядер атомов с излучением гамма-квантов, а также оптические спонтанные и вынужденные переходы электронов в атомах - происходят с определенной вероятностью. Невозможно точно определить, например, распадется ли данный атом радиоактивного изотопа К⁴⁰ в данный момент или через миллиард лет, хотя такой распад неизбежно произойдет.

Световые волны переносит энергию, импульс и момент импульса. Их взаимодействие с атомной системой, обладающей большим числом степеней свободы, - сложный динамический процесс. Такие процессы характеризуются понятием «динамический хаос». В процессах с динамическим хаосом даже точное задание начальных условий не позволяет рассчитать момент того или иного события в системе, например, перехода атома в возбужденное состояние или обратного перехода. Такой процесс становится принципиально нерегулярным, хаотичным во времени. После включения светового возбуждения процесс возбуждения атома будет происходить, но с определенной вероятностью. Динамический хаос – истинная причина статистического характера процессов поглощения и испускания света.

Хотя причина универсального характера постоянной Планка в физике так и осталась не понятой, введение представления о фотоне стало большим достижением физики. Используя это понятие даже школьник может рассчитывать многие сложные оптические процессы взаимодействия света и вещества, пользуясь фактически простой механической моделью сталкивающихся шариков и набором простых формул: e = hu; p = hu/c; m = hu/c²; L = h.

Модель световых квантов применима далеко не всегда. При рассмотрении процессов распространения света в волноводах и световодах, излучения антенн и во многих других задачах применяют волновую теорию. Причем, если задача решается с помощью уравнений Максвелла, физики уверены, что никакой экспериментальной проверки решения не требуется - оно будет точным. Эффект Мессбауэра - пример процесса, в котором неприменимы простые представления о взаимодействии гамма-кванта и атомного ядра.

Классические геометрическая и физическая оптика (излагаемая в учебниках) превратились сегодня по большей части в разделы прикладной науки. Здесь разрабатывают в основном новые оптические технологии и оптические методы измерений и контроля технологических процессов. Таким образом, большинство физиков, работающих над проблемами оптики, не очень волнует вопрос о природе света. Они разрабатывают важнейшие технологии нового столетия.

Важнейшие открытия, изменившие облик оптики:

- создание лазеров и развитие лазерных технологий;

- широкое внедрение в науку компьютерных технологий – методов компьютерных измерений и моделирования;

- создание многоэлементных фотоприемников, кристаллических полупроводниковых матриц ПЗС (современные фотоприемные матрицы могут содержать несколько миллионов фотодиодов и во-многом аналогичны сетчатке глаза).

- создание волоконных световодов из сверхчистого кварцевого стекла, позволяющих передавать оптические сигналы на десятки километров и волоконно-оптических линий связи;

- развитие оптических методов обработки информации - оптоэлектроники.

- соединение компьютерных измерений и многоэлементных фотоприемников открыло новый раздел оптики – оптику изображений, которая радикально повысила возможности микроскопии и астрономии. Обработка изображений широко применяется в военном деле (наблюдения ночью и в условиях тумана, дыма и пыли), а также при исследованиях поверхности Земли из космоса.

- Создание приборов, регистрирующих поглощение отдельных квантов излучения в видимом и ближнем ИК диапазонах. Этот раздел оптики составляет предмет отдельной науки, называемой «квантовой оптикой».

Прогресс в оптике связан именно с экспериментальными методами исследований, давшими в руки исследователей совершенно новые, недостижимые ранее возможности.

Дополнительная литература к введению

1. Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М. 1972. 437 с.

2. Einstein, Ann. d. Physik. 1905, 17, 132, 1906, 20, 199.

3. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. М., 1970. 856 с.

4. Пайс А. Научная деятельность и жизнь А. Эйнштейна. М. 1989.567 с.

5. Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б.. Физика 11. М. 1991. С.164, 166.

6. Шахмаев Н.М. и др. Физика 11. М. 1991. С. 172;

7. Рымкевич Б. А. Курс физики. М. 1968. С. 361.

8. Вихман Э. Берклеевский курс физики, т.4. Квантовая физика. М. 1977, с. 146.

9. Кресин В.З., Тавгер Б. А. Фотон в современной физике. Природа, 1971, N 11, с.64.

Дата добавления: 2014-01-13