История науки

никали колебания. При излучении электромагнитных волн контур теря­ ет накопленную энергию, колебания затухают, а затем прекращ аю тся. Проводники заряжаются от источ­ ника до наступления нового разряда. Для регистрации электромагнитных волн Герц пользовался вторым виб­ ратором, идентичным первому и на­ зываемым резонатором. Как только появлялись искры в первом вибрато­ ре, одновременно возникали искры и в резонаторе, хотя вибратор и резо­

натор находились на расстоянии нескольких метров друг от друга.

Герц не только получил электромагнитные волны, но и провел цикл ис­ следований по изучению их свойств. Наблюдая явления отражения, прелом­ ления, интерференции, дифракции, поляризации, Герц доказал идентич­ ность свойств электромагнитных волн со свойствами изучения, что следо­ вало из теории Максвелла. Развивая теорию электромагнитных волн, Герц придал уравнениям Максвелла математическую форму, очень близкую той, которая используется в настоящее время.

В честь заслуг Г. Герца в области физики единица частоты колебаний пе­ риодических процессов названа его именем.

4. Оптика

4.1. Направления в оптике

Оптика как раздел физики, в котором рассматривается учение о свете, об излучении, о его распространении и взаимодействии с веществом, имеет множество направлений. Эта множественность связана с рядом важнейших факторов как теоретического, так и прикладного характера. Прежде всего принято разделять геометрическую и физическую оптику.

Вся история развития оптики связана с изучением проблемы природы света, при этом со времен Ньютона и Гюйгенса противоборствовали две те­ ории — корпускулярная и волновая. Вместе с тем обозначился круг прак­ тических задач, для решения которых совершенно безразлична физическая природа света. На основе опытных данных были установлены основные за­ коны оптики: закон прямолинейного распространения, закон отражения, закон преломления, обратимость хода световых лучей. Используя эти зако­ ны, геометрические представления и сравнительно простые математические средства, можно не только объяснить ряд важнейших оптических явлений, но и разработать способы расчета оптических систем. Раздел оптики, в ко­ тором все законы распространения света рассматриваются на основе пред­ ставления о световых лучах, называется геометрической оптикой. Физичес­ кой оптикой называют раздел оптики, в котором изучается природа света (оптического излучения), закономерности его испускания, распростране­ ния, рассеяния, поглощения в веществе. В рамках физической оптики изу­ чаются такие явления, как дифракция, интерференция, поляризация.

Оптические явления наблюдаются не только в видимом диапазоне спек­ тра, то есть не связаны только с понятиям «свет» — видимое излучение. За­ коны оптики простираются на невидимое глазом излучение, в частности на ультрофиолетовое и инфракрасное. В то же время за пределами видимого диапазона излучения существуют свои важные особенности и закономерно­ сти, изучаемые физической оптикой.

Построение оптических приборов и проведение количественно описы­ ваемых экспериментов в области оптики невозможно без изучения методов измерения характеристик излучения. Этими проблемами занимается фото­ метрия — раздел оптики, в котором рассматривается теория и методы рас­

чета характеристик оптического излучения при его испускании и взаимо­ действии с веществом. В узком смысле под фотометрией понимают свето­ вые измерения, оценку характеристик излучения по его воздействию на глаз.

Теоретическая оптика возникла, как и любая теория, после накопления «критической массы» фактов, требующих объяснения. Первые оптические приборы — очки, линза, микроскоп, зрительная труба появились до возник­ новения стройной теории. По мере развития теоретической оптики она ста­ ла способна давать конкретные рекомендации прикладного характера, на­ правленные на разработку оптических приборов. Возникла прикладная оп­ тика как наука о проектировании и применении оптических приборов.

Близкой к прикладной оптике является светотехника — область науки и тех­ ники, занимающаяся исследованием принципов и разработкой способов со­ здания определенного пространственного распределения оптического излуче­ ния, а так же вопросами преобразования энергии света в другие виды энергии.

Важнейшим разделом оптики, ведущим свое начало от спектральных ис­ следований Ньютона, является спектроскопия, изучающая распределение излучения по длинам волн (по спектру). Данные спектроскопии являются основой при исследовании строения вещества, его количественного и ка­ чественного анализа.

В современной оптике выделяют нелинейную оптику, рассматривающую нелинейные оптические эффекты, молекулярную оптику, изучающую зако­ номерности распространения света в веществе в зависимости от его моле­ кулярного строения, различные технические направления оптики, в част­ ности, лазерную оптику.

Остановимся на возникновении и развитии основных направлений в оп­ тике.

4.2. Геометрическая оптика

Геометрическая оптика могла появиться только после установления понятия о световом луче и определения законов его распространении. Первая попыт­ ка создания общей теории оптических систем принадлежит, как мы уже от­ мечали, Кеплеру, но только после открытия закона преломления Декартом и Снеллиусом стало возможным создание строгой теории. Важнейшей прак­ тической задачей при создании оптической системы было установление ра­ диусов кривизны линзы в зависимости от заданного фокусного расстояния. Впервые теоретическое решение этой задачи было найдено Б. Кавальери в его сочинении «Шесть геометрических упражнений» (1647 г.) Различные частные случаи расчета линз изложены в «Оптических лекциях» И. Барроу (1674 г.)

Ньютон нашел формулу, носящую его имя, связывающую положение на оптической оси предмета и изображения, даваемого идеальной линзой с за­ данным фокусным расстоянием. Ньютон, по сути дела, ввел понятие пара­ ксиальной оптики — раздела геометрической оптики, в котором рассматри­ вается ход лучей вблизи оптической оси — «нулевых лучей». Параксиальные лучи не дают искажений изображения — аберраций. В то же время изобра­

Луной. В 1729 г., обобщая полученный при фотометрических измерениях опыт, Бугер издает свою первую работу по фотометрии «Оптический трак­ тат по градации света». В «Трактате» он описывает устройство фотометра, принцип действия которого основан на способности глаза человека с вы­ сокой степенью точности сравнивать освещенности двух поверхностей. Бу­ гер, следуя Кеплеру, использует закон зависимости освещенности от обрат­ ного квадрата расстояния до источника и формулирует закон убывания ин­ тенсивности света в прозрачных средах, носящий его имя — «закон Бугера».

К вопросам фотометрии Бугер вернулся только в последние годы жизни. Его книга «Трактат по оптике», в которой описаны фотометры различных ти­ пов и изложена теория фотометрических измерений, вышла в 1760 г. уже пос­ ле смерти автора.

Разработанный Бугером принцип фотометрирования, изложенный им

в«Оптическом трактате о градации света», поясняется рис. 2.6. В точке

Ввертикально расположено зеркало. Плоскость зеркала мысленно про­ должена до точки С, от которой на равных расстояниях в точках Е и D параллельно друг другу располагаются дощечки «одинаковой белизны». Дощ ечки освещаются лампой или свечой Р, находящейся на линии ED. Глаз располагается в точке А, из которой дощечки Е и D видятся одно­ временно и образуют единую плоскость. Передвигая лампу по направле­ нию ED, добиваются одинаковой кажущейся яркости дощечек. Дощ еч­ ка Е видна непосредственно, а дощечка D — после отражения от зерка­ ла. При отражении от зеркала часть потока света теряется, и для вырав­ нивания яркости лампа должна оказаться ближе к дощечке D. Измеряя

расстояния ЕР и DP, можно рассчитать потери на отражение от зеркала, учитывая при этом закон обратных квадратов для освещ енности. Отно­ шение квадратов отрезков РЕ к PD выражает ослабление света при отра­ жении. Аналогично можно определить ослабление света при прохожде­ нии через прозрачное тело.

Одновременно с работами Бугера по фотометрии появились работы Лам­ берта.

Ламберт родился в Мюльхаузене (Эльзас) в многодетной семье порт­ ного и не получил сколько-нибудь значительного систематического об­ разования. В двенадцатилетнем возрасте ему пришлось оставить школу, но Ламберт продолжил заниматься самостоятельно. Он усиленно изуча­ ет физику, математику, увлекается теорией познания. С двенадцати лет Ламберт дает частные уроки. К этому времени относятся его первые н а ­ учные изыскания. Одним из учеников Ламберта был сын аристократа, вместе с которым Ламберт совершил путешествие по Европе. Во время путешествия ему удалось познакомиться с известными учеными, среди которых был Даламбер. Покончив с преподавательской деятельностью, Ламберт занимается научной работой. Его научные интересы весьма об­ ширны — от геодезии и астрономии до философии. Ламберт написал бо­ лее 150 научных работ, относящихся к различным областям знаний, при­ несших ему европейскую известность. В 1765 г. Ламберт стал членом Прусской Академии наук.

Большое внимание Ламберт уделял математике. Даже в философии Ламберт пытался использовать язык символов для построения понятий. Именно ему принадлежит известный термин «семиотика». Творчество Ламберта характеризуется стремлением перевести знания на язык мате­ матических зависимостей, стремлениям к точной количественной оцен­ ке. Ламберту удалось доказать иррациональность числа я, он изучал ги­ перболические функции, работал в области теории конических сечений. Ламберт положил начало разработкам в области математической карто­ графии.

Много сил отдал Ламберт организации международного сотрудничества в области астрономии. Он основал астрономический журнал, занимался проблемами космологии, работал в области теории орбит комет, ввел поня­ тие «двойные звезды».

Знаменитым стало сочинение Ламберта «Фотометрия или об измере­ ниях и сравнениях света, цветов и теней», опубликованное в 1760 г. Тер­ мин «фотометрия» был также введен Ламбертом. К фотометрии он при­ шел от астрономических наблюдений, отыскивая пути измерения рассто­ яния до звезд по создаваемой им освещенности. Фотометрия Ламберта в большей степени математически формализована, чем фотометрия Буге­ ра. Не зная об опытах Бугера, Ламберт в определенном смысле повторил часть из них, но внес и много нового. Так, Ламберт четко различает яр ­ кость как величину, характеризующую источник, и освещенность, харак­ теризующую объект. Относительно освещенности Ламберт формулирует четыре закона: освещенность пропорциональна площади элемента осве­

щающей поверхности, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемого объекта, прямо пропорциональна синусу угла падения лучей на освещаемую поверхность и прямо пропорциональна синусу угла, образуемого падающими лучами с элементом освещающей поверхности. Последние два закона носят имя Ламберта. Источник, яр­ кость которого одинакова во всех направлениях, а сила света подчиня­ ется косинусодальной зависимости от направления, принято называть «ламбертовым» (угол сегодня принято отсчитывать не от плоскости, как это делал Ламберт, а от нормали к поверхности). Независимо от Бугера, Ламберт формулирует экспоненциальный закон поглощения излучения в прозрачных средах.

Конструкции фотометров Ламберта и Бугера были улучшены Румфордом, усовершенствовавшим в них эталонный источник и оптическую схе­ му. С помощью своего фотометра Румфорд измерил коэффициенты погло­ щения большого числа оптических материалов.

4.4.Волновая теория. Юнг. Френель

ВXVIII веке утвердились две основные гипотезы о природе света — волно­ вая и корпускулярная. Решающих научных аргументов в пользу той или иной теории не было. Авторитет Ньютона, склонявшегося к корпускуляр­ ной идее, подчинял себе умы ученых. Главным доводом корпускулярной те­ ории было то, что с помощью волновой теории трудно было объяснить про­ стейшее явление — прямолинейность распространения света. И все же все­ гда находились научные авторитеты, поддерживающие волновую теорию. Среди них —Лейбниц, Ломоносов, Франклин, Эйлер. В работе Эйлера «Но­ вая теория света и цветов» (1746 г.) выдвинуто фундаментальное положение

отом, что максимальная длина волны света соответствует красному цвету, а минимальная — фиолетовому. В теории Эйлера содержится принципиаль­ но важный вывод, опровергающий мнение Ньютона о невозможности ис­ правления хроматизма и утверждающий такую возможность. Ахроматичес­ кие объективы, состоящие из двух линз, изготовленных из стекол с различ­ ными показателями преломления (из крона и флинта), были впервые изго­ товлены в 1758 г. английским оптиком Джоном Домандом (1706—1761). Од­ нако к пересмотру теории света это не привело, а рассматривалось как чис­

то технический факт.

Начало коренным изменениям в представлении о природе света положил Томас Юнг (1773—1829).

Т. Юнг родился в Милвертоне (графство Сомерсет, Англия) в семье тор­ говца тканями. С самого раннего детства Юнг проявил совершенно уникаль­ ную способность к наукам и необъятную широту интересов. В зрелые годы, благодаря этим качествам, он получил прозвище «Феноменальный», данное ему в годы учебы в Кембридже. Семья Томаса была религиозной и принад­ лежала к общине квакеров. Родители проявляли заботу об образовании стар­