История науки
..pdf
зеркалом 6 и модулятором 3 в опыте Физо было равно 8633 м. Секторы мо дулятора наблюдались через полупрозрачное зеркало 7 и окуляр 8. При не подвижном или медленно вращающемся модуляторе его периферия виде лась в окуляр светлой, поскольку свет успевал проходить до зеркала 6 и об ратно через один и тот же прозрачный сектор. При увеличении скорости вращения модулятора непрозрачный сектор перекрывал путь отраженным от зеркала 6 лучам, и периферия модулятора казалась темной. При еще боль шем увеличении скорости вращения модулятора отраженный пучок попа дал уже в следующий прозрачный сектор, и поле зрения вновь становилось светлым. Зная скорость вращения модулятора (и соответственно время, за которое сектор смещается на угол, равный угловому размеру сектора) и дли ну пути лучей, можно вычислить скорость света. Физо получил значение этой скорости, равное 313274304 м/с. Опыт Физо был проведен в 1849г. и впоследствии повторен и усовершенствован рядом ученых, в результате чего значение скорости света было уточнено. По современным данным скорость света с = 299792458 м/с.
Кроме описанного опыта Физо по определению скорости света, класси ческими стали его исследования по распространению света в движущихся телах. Несмотря на ошибочность теории Френеля, объяснявшей результа ты опытов на основе представлений об эфире, эксперименты Физо по из мерению скорости света в движущейся воде рассматриваются сегодня как важное подтверждение релятивистского правила сложения скоростей, на котором мы остановимся в свое время.
Исследования Физо получили международное признание. Он был избран членом Академии наук Франции, членом Лондонского Королевского обще ства. В течение нескольких лет Физо был профессором Политехнической школы в Париже.
Если Физо первым определил скорость света в наземных условиях, то пер венство в постановке «решающего эксперимента» по сравнению скорости све та в различных средах принадлежит Жану Бернарду Леону Фуко (1819—1868).
Фуко родился в Париже в семье книгоиздателя. Профессиональная ка рьера Фуко складывалась довольно сложно. Начальное образование по при чине слабого здоровья Фуко было домашним. Затем он пробовал себя в ме дицине, микрохирургии, в течение нескольких лет занимался журналисти кой. Однако склонность к изобретательству, проявляемая Фуко с детства, взяла верх над другими увлечениями. Фуко посвятил себя научным иссле дованиям. Научные изобретения Фуко получили широкое применение и составили ему славу выдающегося ученого-изобретателя. Фуко изобрел ги роскоп, фотометр, усовершенствовал технологию нанесения зеркальных покрытий и многое другое. За доказательство вращения Земли с помощью маятника Фуко был награжден орденом Почетного легиона. Он обнаружил существование в сплошных металлических телах индукционных токов — «токов Фуко», нагревающих эти тела, и предложил способ их устранения. Фуко был избран членом Лондонского Королевского общества, членом-кор- респондентом Петербургской Академии наук и незадолго до смерти членом Французской Академии наук.
Кирхгоф допускал теоретическую возможность существования тела, полностью поглощаю щего весь падающий поток... Такое тело он назвал «черным».
него поток и являющегося по зако ну инверсии наилучшим излучате лем. Такое тело он назвал «черным» (иногда говорят «абсолютно черное тело») и придумал его физическую модель в виде полости, например шара диаметром D, с малым отвер стием d, прием D » d (рис.2.16).
Гениальным предвидением Кирх гофа было указание на то, что общие законы теплового излучения могут
быть получены только для черного тела. Поиск этих законов стал предметом исследований ряда выдающихся ученых XIX столетия. Закон, определяющий зависимость интенсивности (поверхностной плотности) излучения черного тела от температуры был найден профессором физики Венского университе та Йозефом Стефаном {1835—1893). Стефан опирался на экспериментальные результаты, полученные им самим и другими исследователями. Теоретичес ки этот закон был выведен в 1884 г. другим венским физиком — Л. Больцма ном. Закон, по которому интенсивность теплового излучения (поверхностная плотность Мс) пропорциональна четвертой степени температуры Г по шкале Кельвина, называется сегодня законом Стефана-Больцмана:
Ме = а Т \
где а — коэффициент пропорциональности, называется постоянной Больц мана.
Стефан стал учителем Больцмана, хотя был старше его только на десять лет. Одним из первых заданий, которое поручил Стефан своему ученику, было реферирование и анализ работ Максвелла по электродинамике. Больц ман в растерянности заявил, что не знает английского языка. Тогда Стефан дал ему школьную грамматику, англо-немецкий словарь и установил срок
на выполнение задания — 3 недели. Через 3 недели Больцман должен был доложить о результатах анализа на научном семинаре в Венском универси тете. Задание было выполнено. Впоследствии Больцман читал лекции на английском языке в Соединенных Штатах. После смерти Кирхгофа Больц ман был приглашен в качестве его преемника в Берлинский университет. Инициатива исходила от Г. Гельмгольца. Однако на приеме у Гельмгольца Анна фон Гельмгольц, супруга ученого, невзначай заметила, что вряд ли Больцман будет чувствовать себя в Берлине достаточно свободно. Поводом к такому замечанию было то, что Больцман не знал перемены блюд и не от дал слуге использованную ложку. Скромный и ранимый Больцман отказался от кафедры в Берлине и уехал работать в Мюнхен. Кафедру Кирхгофа за нял М. Планк. После смерти Стефана Больцман вернулся в Вену, став пре емником своего учителя.
В конце XIX в. центральная задача теории теплового излучения заклю чалась в установлении распределения интенсивности излучения черного тела по длинам волн. В 1893 г. Вильгельму £шд/ (1864 — 1928) удалось пока зать, что длина волны Хт, соответствующая максимальному значению ин тенсивности излучения черного тела, обратно пропорциональна его темпе ратуре, то есть
Хт= 2898/7", мкм,
а сама максимальная интенсивность пропорциональна пятой степени тем пературы. Первая попытка теоретического определения функции распреде ления интенсивности излучения черного тела по спектру принадлежит рус скому физику Владимиру Александровичу Михельсону, затем последовали попытки Вебера, Борисова, Пашена, Вина, Рэлея, Джинса и других физи ков. Формула, предложенная Вином, давала хорошее согласие с экспери ментальными данными в области коротковолнового излучения, но была не пригодна для длинноволновой области. Формула Рэлея (Уильям Стретт (1842—1919), лорд Рэлей) давала хорошее приближение в области длинных волн. Подобное приближение получил и Д. Джинс (поэтому закон, найден ный Рэлеем, называют распределением Рэлея — Джинса). Из распределе ния Рэлея — Джинса следовал абсурдный вывод: энергия излучения моно тонно и неограниченно возрастает с уменьшением длины волны излучения. Это несоответствие теории и практики известно в науке как «ультрафиоле
товая катастрофа».
Все поиски функции распределения интенсивности излучения черного тела по длинам волн, осуществлявшиеся в рамках классической физики, по терпели неудачу. Проблема была решена М. Планком, имевшим смелость порвать с классическими представлениями.
4.8.Электромагнитная теория света. Эфирный ветер
В«Динамической теории электромагнитного поля» (1864 г.) Максвелл пишет:
«Мы рассмотрели электромагнитные явления, пытаясь их объяснить свойства ми поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела. Таким пу тем мы перешли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля. Мы исследуем теперь, являются ли свойства того, что составляет электромагнитное поле, которые выведены только из элек тромагнитных явлений, достаточными для объяснения распространения света через ту же самую субстанцию».
Таким образом, Максвелл ставит задачу установления связи между элек тромагнетизмом и оптикой. Пользуясь своими уравнениями после ряда пре образований, Максвелл приходит к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что и «представляет собой подтверждение электромагнитной теории света». Из теории Максвелла вытекало также, что электромагнитные волны поперечны, а поперечность световых волн к тому времени уже была, как мы отмечали, доказана. Общ ность свойств электромагнитных волн и света, а именно подчинение зако нам отражения, преломления, способность интерферировать, поляризация также указывала на единую их природу.
Одним из следствий электромагнитной теории Максвелла было суще ствование давления света. Исследования выдающегося русского физика Петра Николаевича Лебедева (1866—1912) подтвердили существование это го эффекта.
Вестественном свете колебания напряженности электрического поля Ё
имагнитной индукции В происходит по всем направлениям, перпендику лярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания Ё и В происходят в двух ортогональных плоскостях. Поляризо ванная электромагнитная волна показана на рис. 2.17. За направление ко лебаний в световой волне принято направление колебаний вектора Ё , по скольку экспериментально установлено, что на сетчатку глаза действует электрическое поле, а не магнитное.
Теория Максвелла строилась на предположении о существовании эфи ра. Максвелл полагал, что он создал механику эфира. Однако электромаг нитные свойства не поддавались наглядной механической интерпретации
ибыли противоречивыми. Накапливались научные факты, ставившие воп рос о сложении скоростей света и движущихся тел, на который невозмож но было ответить, не определив, движется ли эфир, или он неподвижен. Не подвижностью эфира объяснялась открытая в 1728 г. Дж. Брэдли (1693— 1762) аберрация света. Явление аберрации света заключается в том, что ко ординаты всех звезд при наблюдении с Земли в течение года смещаются и описывает эллипсы. Угол видимого смещения а определяется по формуле:
tg a=(v/c)sin cp,
Рис. 2.17. Поляризованная электромагнитная волна
где v — скорость наблюдателя относительно светила, ф — угол между век тором скорости наблюдателя и направления на светило, с — скорость све та. Корпускулярная теория объясняла аберрацию векторным сложением скоростей света со скоростью Земли по орбите. Однако блестящие опыты Араго показали, что движение Земли не оказывает влияния на преломление света. Это следовало из сравнения преломления в призме света, идущего от звезд, и света от неподвижного земного источника. Такой результат был не совместим с корпускулярной теорией света. Волновая теория давала простое объяснение, если принять гипотезу о неподвижном эфире. Но оказалось, что такая гипотеза не могла объяснить экспериментально доказанный факт, что аберрация света не меняется, если телескоп, с помощью которого осущест вляется наблюдение, заполнить водой. Действительно, если скорость света
вводе составляет три четвертых скорости света в воздухе, аберрация, наблю даемая с помощью телескопа, заполненного водой, должна увеличиться в четыре третьих раза. Френель в рамках волновой теории объяснил этот факт гипотезой о частичном увеличении эфира движущимся телом. Эфир, по Френелю, находится в покое за исключением внутренних прозрачных сред,
вкоторых он движется со скоростью, меньшей скорости движения среды в
отношение
(л2- 1 ) / и 2,
где п — коэффициент преломления.
Нисколько не сомневаясь в существовании эфира, к опытам по обнару жению относительного движения Земли и эфира приступили А. Майкельсон (1852—1931) и Э. Морли (1838—1923). Если эфир подвижен, а Земля движет ся относительно эфира, то должен существовать «эфирный ветер», подоб но тому, как возникает ветер при движении тел относительно воздуха. Идея опыта заключается в сравнении времени прохождения света в двух направ-
Ъ
движ ение Зем ли
Рис. 2.18. Схема интерферометра Майкельсона
лениях: в направлении движения Земли и в перпендикулярном направле нии. Схема прибора, позволяющего сравнить эти скорости, была разрабо тана Майкельсоном. Прибор носит имя изобретателя — «интерферометр Майкельсона». Название прибора — «интерферометр» — указывает на ис пользование принципа интерференции при измерении разности хода опти ческих лучей.
Схема интерферометра Майкельсона показана на рис. 2.18. Луч света от источника S делится с помощью полупрозрачной пластины на два ортого нальных по направлению луча ас и ab. Отрезки ab и ас (плечи интерферо метра) равны. Лучи, отраженные от глухих зеркал, вновь соединяются по лупрозрачной пластиной, и поскольку они порождены одним источником, эти лучи когерентны и интерферируют. Интерференционная картина на блюдается в зрительную трубу. Если ас совпадает с направлением движения Земли, то за счет этого движения в эфире возникает определенная разность хода интерферирующих лучей. Если теперь повернуть плечи интерферомет ра на 90°, то разность хода будет наблюдаться в противоположном направ лении, так как ее будет вносить плечо ab, ориентированное вдоль движения Земли (по «эфирному ветру»). Тончайшие эксперименты показали, что сме щение интерференционной картины обнаружить не удается. Это означало, что эфир движется с Землей (если он существует). Но явление аберрации света указывает на неподвижность эфира. Это противоречие явилось одной из причин появления теории относительности, согласующей электродина мику Максвелла с принципом относительности Галилея.