Курс истории физики - Кудрявцев Степанович

Юнг. Томас Юнг родился 13 июня 1773 г.Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в девятилетнем возрасте изучил латинский и греческий языки и к 14 годам в совершенстве знал до десяти языков, в том числе древнееврейский, персидский и арабский. Эти знания помогли ему позднее в работе по расшифровке египетских иероглифов. В дальнейшем Юнг изучал медицину, получив в 1795 г. степень доктора медицины. За два года до этого он опубликовал работу по физиологической оптике «Наблюдения над процессом зрения», в которой разработал теорию аккомодации глаза? В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в 1807 г. в двух томах.

Кроме волновой оптики, имя Юнга в физике связывается с важной константой теории упругости, так называемого «модуля Юнга», и теорией цветного зрения, основанной на допущении в сетчатой оболочке глаза трех сортов чувствительных волокон, соответствующих трем основным цветам. Заметим, что Юнг в своих «Лекциях» упоминает и труд Ломоносова «Слово о происхождении света». Юнг одним из первых ввел в физику термин «энергия».

Разносторонность дарований Юнга изумительна. В его сочинениях рассматриваются вопросы механики, оптики, акустики, теплоты, физиологической оптики, технологии, кораблестроения, астрономии, навигации, геофизики, медицины, филологии, ботаники, зоологии и пр. Им было написано около 60 статей для «Британской энциклопедии ».

Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом — наездником и канатоходцем. Умер Юнг 10 мая 1829г.

Волновая теория света сформулирована Юнгом в Бэкеровской лекции «Теория светаицвета», опубликованной в 1801 г. Она основана на следующих гипотезах:

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

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

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

IV. Все материальные тела притя-гивают эфирную среду, вследствие чего она накапливается в их веществе и на малом расстоянии вокруг них в состоянии большей плотности, но не большей упругости».

Сущность волновой теории света Юнг кратко выражает следующим предложением: «Излучаемый свет состоитиз волнообразных движений светоносного эфира».

Таким образом, все богатство красок природы было сведено Юнгом к колебательному движению эфира, а различие цветов — к различным частотам этих колебаний. Световые колебания распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу, и если они в данной точке направлены одинаково, то «их совместное действие представляет комбинацию движений каждого из них».

Этот принцип суперпозиции позволил Юнгу в 1802 г. найти «простой и общий закон», согласно которому «везде, где две части одного и того же света попадают в глаз по разным направлениям, свет становится или 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».

Так в оптике появился принцип интерференции. Этот принцип Юнг подтвердил на таком 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 (Юнг знал дифракцию и формулировал ее в одной из работ 1801 г.), перекрещивался в некоторой области светового поля за экраном, и на приемном экране появлялись светлые и темные полосы. Когда закрывали одно из отверстий, то полосы исчезали и на приемном экране были видны лишь дифракционные кольца от другого отверстия.

Измеряя ширину полос, Юнг смог определить ту «некоторую длину», которая фигурировала в его законе. Это были первые в истории физики определения длины волны, которая оказалась для красного света равной 0,7 мкм (Юнг измерял длину в дюймах), 0,42 мкм для крайнего фиолетового.

Как мы знаем, интервалы в четверть длины волны измерял Ньютон в своем опыте с кольцами, но он не пользовался понятием длины световой волны. Юнг впервые сознательно определил длины световых волн и таким образом положил начало спектрометрии. Совершенно естественно, что Юнг обратился к опыту с кольцами Ньютона и правильно истолковал появление центрального темного пятна изменением фазы колебаний при отражении от более плотной среды. Юнг проверил свою теорию опытом, налив между линзой из кронгласа и пластинкой из флинтгласа каплю сассафрасового масла. В этой установке световой луч проходил последовательно через три среды в направлении убывания их показателей преломления, и центральное пятно стало белым.

Юнгу было уже известно о существовании невидимых, инфракрасных лучей («тепловых»), открытых Вильямом Гершелем в 1800 г., и ультрафиолетовых («химических») лучей, открытых Иоганном Риттером и Волластоном в 1802 г. Юнг показал, спроектировав кольца Ньютона на бумагу, пропитанную ляписом, что и для ультрафиолетовых лучей справедлив принцип интерференции. На бумаге были обнаружены три темных кольца. Это была первая спектрограмма ультрафиолетового света.

Как уже говорилось, теория Юнга была встречена с недоверием и в самой Англии подвергалась ожесточенным нападкам. Особенно суровое испытание ожидало волновую теорию в связи с открытием Малюса.

Малюс. Этьенн-Луи Малюс родился 23 июня 1775 г. Он учился в Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу; его мобилизовали в армию на фортификационные работы. Здесь его технические и организационные таланты были замечены, и он был направлен в только что организованную Политехническую школу, которую и окончил в 1796 г.

Однако война не отпускала Малюса. Он принял участие в экспедиции Наполеона в Египет, откуда был направлен в Сирию, участвовал во взятии Яффы. В городе вспыхнула чума, и Малюс получил приказ остаться с больными и ранеными солдатами. Вскоре он сам заболел чумой. Все окружавшие Малюса люди умерли. «Я остался один—без сил, без помощи и друзей», — вспоминал он. Более месяца он провел в лазарете вместе с другими зачумленными, выздоровел и продолжал участие в египетском походе. После перемирия он вернулся на родину, продолжая военно-инженерную службу и интенсивно занимаясь наукой. В 1810 г. он стал членом Института, т. е. академиком. Однако ослабленный болезнью и тяготами военной жизни организм Малюса, подточенный вдобавок открывшимся туберкулезом, не выдержал, и 24 февраля 1812 г. он умер.

Оптические исследования Малюса начались еще во время египетского похода, а в 1807 г. он представил в Академию два мемуара по оптике. Ему принадлежит теорема геометрической оптики: пучок лучей, нормальный к некоторой поверхности, остается таковым после произвольного числа отражений и преломлений.

В 1808 г. в связи с конкурсной задачей Парижской Академии наук он сосредоточил свое внимание на явлении двойного лучепреломления. Размышляя над этим явлением, Малюс рассматривал однажды через кристалл исландского шпата отражение лучей заходящего солнца от стекол окон Люксембургского дворца и заметил, что одно из изображений исчезло. С наступлением темноты он повторил опыт со светом свечи, наблюдая через кристалл свет, отраженный от поверхности воды, и установил, что при определенных углах падения одно из изображений исчезает Тщательно исследуя явление, Малюс открыл в световом луче асимметрию, аналогичную поляризационным свойствам частиц.

Идея о поляризационных свойствах корпускул была высказана еще Ньютоном. Малюс принял эту идею и ввел в оптику термин «поляризация света». Он установил, что поляризация света наблюдается для лучей, испытавших двойное преломление, и что эти лучи поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Он установил также, что свет падающий на отражающую поверхность под определенным углом, поляризуется.

Брюстер (1781-1868) в 1815 г. нашел, что этот угол полной поляризации удовлетворяет уравнению tgz = п, где п - показатель преломления отражающего вещества.

В 1810 г. Малюс открыл закон изменения интенсивности поляризованного луча при прохождении через анализатор: интенсивность прошедшего света пропорциональна квадрату косинуса угла, образованного плоскостью поляризации луча с плоскостью главного сечения анализирующего кристалла.

Открытие поляризации вдохновило сторонников корпускулярной теории света. Лаплас построил теорию двойного лучепреломления света в одноосных кристаллах, рассматривая двоякое Действие молекул кристалла на световые корпускулы.Он вывел также зависимость между скоростью необыкновенного и обыкновенного лучей и углом, образованным направлением обыкновенного луча с оптической осью. Био обощил закон Лапласа на двухосные кристаллы.