Томас Юнг

На рубеже XVIII – XIX столетий волновая теория получила новый импульс, и, возродившись, перешла в наступление на корпускулярную теорию, которое завершилось её победой. Это наступление начал Томас Юнг. С самого начала Юнг стал на позиции волновой оптики, сформулировав в 1800 году принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Сам термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Приняв волновую теорию света, Юнг принял и гипотезу эфира. Но именно в обосновании реальности эфира заключались главные трудности самой волновой теории. Юнг приводит аргументы, якобы подтверждающие существование эфира, причем находит их в области электрических явлений. Он пишет: «…то, что среда, похожая во многих своих свойствах на те, которыми характеризуется эфир, действительно существует, с несомненностью доказывается явлениями электричества …». И далее: «Быстрое распространение электрического заряда доказывает, что электрическая среда обладает упругостью такой величины, которую необходимо предположить для распространения света». Итак, становясь на сторону волновой теории, Юнг вынужден был принять и существование эфира, отвергнутого последующим развитием физики. Но приведенный отрывок свидетельствует о другом – Юнг предположил единую природу оптических и электромагнитных явлений. Он ставит «вопрос о том, должен ли электрический эфир рассматриваться как тот же световой эфир». Он не уверен в положительном ответе, но допускает его.

Как всегда, когда частности не заслоняют общей картины, идея всеобщей связи материальных явлений природы оказывается действенным руководящим принципом. Если эфир существует, то его роль шире, чем роль носителя только оптических явлений. В нем происходят разнообразные процессы – как электрические, так и оптические. В частности, по гипотезе Юнга, развивающей взгляды Гюйгенса, «излучаемый свет состоит из волнообразных движений светоносного эфира».

Волновая теория света сформулирована Юнгом в лекции «Теория света и цвета», опубликованной в 1801 году. Вот некоторые из его гипотез:

«1. Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вселенную.

2. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, когда тело начинает светиться.

3. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке».

Занимаясь акустикой, Юнг обратил внимание на усиление и ослабление звука при сложении звуковых волн. Так, обратившись к принципу суперпозиции, он открыл интерференцию звука. Примечательно название одного из разделов работы Юнга: «Об аналогии между звуком и светом». Отталкиваясь от аналогии и используя принцип суперпозиции, Юнг сумел сформулировать оптический принцип интерференции световых волн. Вот, как описывает он явление интерференции волн на поверхности воды: «Представим себе, что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью и попадает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе также, что под действием другой причины образовался такой же ряд волн, который, как и первый, доходит до этого канала с той же скоростью. Ни один из этих рядов не разрушит другого, а их действия соединятся. Если они вступят в канал так, что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого, то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз, когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю общим законом интерференции света». Или: «…везде, где две части одного и того же света попадают в глаза по разным направлениям, свет становится более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферирующих частей, и эта длина различна для света различных цветов». Юнг вполне отдает себе отчет, о какой длине идет речь, и вводит в физику понятие длины волны света.

Ю

нг четко сформулировал и непременное условие интерференции: интерферируют только «две части одного и того же света», т.е. по современной терминологии, для осуществления принципа интерференции лучи должны быть когерентными.

С

Рис. 16. К подсчету разности

хода лучей B₁C и B₂C

вой принцип интерференции Юнг подтвердил на опыте. Солнечный свет, выходящий из небольшого отверстия в ставне окна, освещал экран, в котором кончиком булавки были сделаны два отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Свет, выходящий коническими пучками из обоих отверстий, перекрещивался в некоторой области за экраном, и на приемном экране появлялись светлые и тёмные полосы. Когда закрывали одно из отверстий, то полосы исчезали и на приемном экране были видны лишь дифракционные кольца от другого отверстия.

Четкое понимание Юнгом сущности физического явления интерференции света позволило провести и некоторые количественные оценки. Рассмотрим схему опыта Юнга более подробно. Пусть точечные источники волн В₁ и В₂ расположены друг от друга на расстоянии d (рис.16). Колебания в точках В₁ и В₂ совершаются синфазно. Результат интерференции волн наблюдается на экране DD, расположенном от прямой В₁В₂ на расстоянии L >> d. Определим разность хода , с которой приходят волны в точку экрана С, отстоящую от его середины А на расстояние l. При условии, что d << L и l << L, получим в первом приближении или . По условию, в точке С будет максимум освещенности, если (k = 0, 1, …), откуда следует, что светлые полосы располагаются на расстояниях от середины экрана А, равных следовательно, расстояние между соседними светлыми полосами равно Измеряя расстояние между соседними полосами, Юнг смог определить длину волны света. Это были первые в истории физики определения длины световой волны, которая оказалась равной 0,7 мкм для красного света и 0,42 мкм – для крайнего фиолетового.

Юнг обратился к опыту с кольцами Ньютона и правильно объяснил появление центрального темного пятна изменением фазы колебаний на  при отражении от оптически более плотной среды.

В самом начале XIX века было введено понятие об инфракрасных и ультрафиолетовых лучах. Существование инфракрасных лучей было установлено в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, наблюдавшим нагревание чувствительного термометра, помещенного за красным концом спектра Солнца. Гершель обнаружил также, что эти лучи подчиняются таким же законам отражения и преломления, как и видимый свет. В 1801 году английский ученый Уильям Хайд Волластон и немецкий физик и химик Иоганн Вильгельм Риттер одновременно и независимо друг от друга открыли, что в солнечном спектре за фиолетовым его концом имеются невидимые лучи, действующие химически на хлористое серебро. Эти лучи и были названы ультрафиолетовыми.

Юнгу уже было известно о существовании инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Спроектировав кольца Ньютона на бумагу, пропитанную ляписом, Юнг показал, что и для ультрафиолетовых лучей справедлив принцип интерференции. На бумаге были обнаружены три темных кольца. Это была первая спектрограмма ультрафиолетового света.

Несмотря на все свои достижения, Юнг не смог сразу преодолеть скептицизм приверженцев корпускулярной теории света. Особенно серьезное испытание ожидало волновую теорию Юнга в связи с открытием Малюса.