Глаз и Солнце - Сергей Вавилов

Если оба световых луча имеют одинаковую интенсивность, как в только что описанном опыте, то в середине темных полос оказывается полное отсутствие света, во всяком случае для полос первого, второго и даже третьего порядка, если только употребляемый свет в достаточной степени однороден. Но так как он никогда не бывает совершенно однородным, то и оказывается, что эта, столь резкая для первых полос, разница в освещении светлых и блестящих полос постепенно уменьшается по мере удаления от центра и в конце концов, на некотором расстоянии, всегда становится незаметной. Причину этого легко найти; применяемый свет, как бы он ни был упрощен разложением в призме или прохождением через окрашенное стекло, всегда будет состоять из разнородных лучей, цвет и физические свойства которых всегда будут хоть и мало различны, но для которых период d все же не будет иметь в точности одну и ту же длину. Но отсюда следует, что темные и блестящие полосы, положение которых этим периодом определяется, не будут разделены одинаковыми промежутками. Правда, ширины полос, образованных разнородными лучами, будут тем менее отличаться друг от друга, чем более применяемый свет будет приближаться к полной однородности; но, как бы эта разность ни была мала, легко понять, что, повторенная большое число раз, она в конце концов изменит положение полос настолько, что блестящие полосы одного рода лучей совпадут с темными полосами другого рода лучей; таким образом, на достаточном расстоянии от средней линии, «соответствующей равным путям», темные и блестящие полосы различного рода лучей применяемого света, смешавшись, сгладят друг друга и дадут однообразную окраску.

Чем более будет упрощен свет, тем дальше от центра будет находиться точка, в которой имеет место эта полная компенсация, и тем большее число полос будет, следовательно, заметно. Если пользоваться белым светом, т. е. самым сложным, то число видимых полос будет самым маленьким, и их будет видно только по семи с каждой стороны от центра. Они представляются окрашенными так же, как цветные кольца, и причина их окраски точно такая же. Если бы длина d была одинакова для лучей различных цветов, то ширина их полос (т. е. расстояние между серединами двух последовательных блестящих или темных полос) была бы также одинакова и наблюдалось бы полное совпадение между их точками, как самыми темными, так и самыми светлыми. Различные лучи, составляющие белый свет, находясь тогда повсюду в одинаковом соотношении, дали бы ряд черных и белых полос, не имеющих и следа какой-нибудь окраски. Но это не так: d сильно меняется для лучей, различным образом окрашенных, и почти удваивается от одного конца солнечного спектра к другому; поэтому и длина их полос меняется в таком же отношении, и их темные и блестящие полосы не могут больше накладываться друг на друга; местоположение их будет тем более различно, чем дальше они будут от средней линии. Итак, должно оказаться, что блестящая полоса лучей некоторого определенного цвета будет соответствовать темной полосе лучей другого рода; отсюда следует, что первые лучи будут преобладать над вторыми. Мы видим, что полосы представляют собою последовательность оттенков, которые будут меняться в соответствии с теми количествами, в которых будут смешиваться лучи, входящие в состав белого света.

Средняя линия центральной полосы всегда белая, так как ей всегда соответствует разность пройденных путей, равная нулю; она соответствует максимуму блеска для всех родов лучей, какова бы ни была длина d. С каждой стороны этой светлой полосы свет начинает постепенно окрашиваться; начиная от второй полосы и далее, в третьей и в четвертой полосах цвета становятся очень яркими; но затем они ослабевают, и за восьмой полосой, вследствие более полного смешивания темных и блестящих полос всех цветов, они совершенно исчезают, что дает однообразную белую окраску.

Если только что нами описанный опыт произвести с семью главными цветами, которые Ньютон различает в солнечном спектре, и если с помощью микрометра, о котором было сказано выше, измерить ширину полос, то легко понять, что отсюда можно вычислить соответствующие значения d; но этот опыт был проделан тщательно с одним только в достаточной степени однородным красным светом, который пропускается некоторыми стеклами, вставляемыми в церквах. Для преобладающих лучей этого света, которые находятся в конце солнечного спектра, длина d равна 0,000638 мм, если взять за единицу одну тысячную часть метра. Отсюда можно вывести значение d для лучей семи главных родов, если воспользоваться опытами Ньютона над цветными кольцами. Для этого достаточно помножить на 4 длины того, что Ньютон называет приступами легкого отражения или легкого прохождения световых молекул.

Таким способом была вычислена следующая таблица:

Только что нами сказанное о небольшом числе полос, даваемых белым светом, и о весьма ограниченном числе тех из них, которые можно различать в возможно более упрощенном свете, объясняет нам, почему во многих случаях, когда лучи, исходящие из одного источника, пересекаются под направлениями, почти параллельными друг другу, все же не наблюдается полос. Это происходит оттого, что разность пройденных путей слишком значительна и содержит во всех точках пространства, освещенных обоими пучками вместе, слишком большое число раз d, ибо таким образом центральная полоса и другие, которые к ней достаточно близко примыкают, чтобы быть видными, оказываются расположенными вне поля, общего обоим световым пучкам. Вот почему в опыте с двумя зеркалами так важно, чтобы зеркала не выступали одно над другим; в самом деле, вследствие крайней малости величины d, которая для желтых лучей составляет всего лишь одну полутысячную миллиметра, самый небольшой выступ, создающий для пройденных путей разность, равную его удвоенной величине, может отбросить группу видимых полос за пределы поля, общего обоим зеркалам.[26]

15. Рассуждение, которое мы только что привели для объяснения окрашивания полос, получаемых вследствие взаимодействия двух белых пучков, приложимо ко всем явлениям дифракции в белом свете. Эти явления всегда происходят оттого, что лучи различной окраски не дают темных и блестящих полос одной и той же ширины и что поэтому для каждой точки они не будут больше находиться в том соотношении, которое составляет белый свет.

Если известны положения этих полос для каждого рода лучей, равно как и законы изменения их интенсивностей от точки к точке, то можно вычислить отношения, в которых они смешиваются, и определить затем получающиеся отсюда окраски, воспользовавшись для этого эмпирической формулой Ньютона, с помощью которой находится окраска, соответствующая какой-нибудь смеси цветных лучей. Таким образом, достаточно изучать явления оптики в однородном свете, что приводит их к наибольшей степени простоты, и из полученных результатов всегда, и с легкостью, можно будет вывести то, что они должны представлять собой в белом свете. В соответствии с этим во всем том, что мы скажем дальше, мы всегда станем предполагать, что применяемый свет однороден, исключая те случаи, когда мы будем специально касаться результатов, полученных с белым светом.

16. Из только что изложенного очень простого закона о взаимодействии световых лучей легко заключить, что ширина полос, всегда пропорциональная длине d, должна быть, кроме того, обратно пропорциональна расстоянию, которое разделяет оба изображения светящейся точки, и прямо пропорциональна их расстоянию от микрометра, или, другими словами, обратно пропорциональна углу, под которым наблюдатель увидел бы оба изображения, если бы поместил свой глаз в точке, в которой он измеряет полосы.

Тот же простой геометрический закон приложим к полосам, полученным с двумя очень тонкими щелями, проделанными в экране. Ширина этих полос всегда пропорциональна расстоянию от экрана и обратно пропорциональна промежутку, заключенному между двумя щелями.

Этот закон оказывается еще приблизительно верным и для полос, наблюдаемых в тени узкого тела, – по крайней мере до тех пор, пока они не оказываются слишком близкими к границе тени; ибо в последнем случае они следуют другому, более сложному закону, который хотя и покоится на весьма простых основаниях, но может быть изображен только трансцендентной функцией, в которую входит, кроме ширины тела и его расстояния от микрометра, также и его расстояние от светящейся точки.

Что касается до внешних, окаймляющих тени, полос, то их ширина зависит всегда сразу от этих двух расстояний. Если первое из них остается постоянным, то они будут тем шире, чем второе из них меньше.