Оптика в классическом естествознании.

Со времен Ньютона и Гюйгенса противоборствовали две теории – корпускулярная и волновая. Основные законы оптики: закон прямолинейного распространения, закон отражения, закон преломления, обратимость хода световых лучей.

Раздел оптики, в котором все законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах, называется геометрической оптикой. Физической оптикой называют раздел оптики, в котором изучается природа света (оптического излучения), закономерности его испускания, распространения, рассеяния, поглощения в веществе. В рамках физической оптики изучаются такие явления, как дифракция, интерференция, поляризация.

Оптические явления наблюдаются не только в видимом диапазоне спектра, но и на невидимое глазом излучение - ультрафиолетовое и инфракрасное.

Первой возникла прикладная оптика как наука о проектировании и применении оптических приборов.

Фотометрия. Особая заслуга в разработке принципов фотометрии принадлежит Пьеру Бугеру и Иоганну Генриху Ламберту.

Бугер формулирует закон убывания интенсивности света в прозрачных средах, описывает фотометры различных типов и разрабатывает принцип фотометрирования.

Ламберт стремился перевести знания на язык математических зависимостей, ему удалось доказать иррациональность числа π, он положил начало разработкам в области математической картографии. Он ввел термин «фотометрия».

Две основные гипотезы о природе света - волновая и корпускулярная (ее поддерживал Ньютон). Волновую теорию поддерживали - Лейбниц, Ломоносов, Франклин, Эйлер, который выдвинул фундаментальное положение о том, что максимальная длина волны света соответствует красному цвету, а минимальная – фиолетовому, а также утверждает возможность исправления хроматизма.

Волновая оптика, разработанная Юнгом и Френелем, теоретически объясняла все известные оптические явления, включавшие отражение, преломление, полное внутреннее отражение, прямолинейность распространения света, дифракцию, интерференцию и поляризацию.

«Закон Кирхгофа» - чем большим поглощением обладает тело на какой-либо длине волны, тем интенсивнее на этой длине волны собственное изучение этого тела.

Закон Кирхгофа указал путь изучения химического строения Вселенной. Спектр излучения, приходящего на Землю от звезд, содержит линии, по которым можно распознать химические элементы, содержащиеся в атмосфере звезд.

Спектральный анализ стал незаменимым инструментом исследований в астрофизике, металлургии, химической промышленности, экологии, медицине и многих других областях деятельности человека. Спектральные приборы, устанавливаемые на космических летательных аппаратах, позволяют исследовать природные ресурсы Земли, прогнозировать урожай, обнаруживать заболевания растительности, выявлять очаги загрязнения.

Проблему измерения скорости света впервые в наземных условиях удалось решить Арману Ипполиту Физо. Он сконструировал очень остроумную установку, впоследствии его опыт был повторен и усовершенствован рядом ученых, в результате чего значение скорости света было уточнено: С = 299792458 м/с.

Первым сравнил скорости света в различных средах Жан Бернард Леон Фуко.

Опыты Физо и Фуко стали триумфом волновой теории.

После открытия Вильямом Гершелем невидимых инфракрасных лучей встал вопрос об общности свойств теплового и светового излучения.

Гершель искал способ уменьшения нагрева оптических инструментов при наблюдении Солнца и обнаружил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры, в различной степени поглощают свет и тепло солнечных лучей. Он стал измерять температуру за пределами видимого спектра и обнаружил существование невидимых лучей, обладающих «наибольшей нагревательной силой».

Максвелл ставит задачу установления связи между электромагнетизмом и оптикой. Он приходит к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что и «представляет собой подтверждение электромагнитной теории света».

Одним из следствий электромагнитной теории Максвелла было существование давления света. Существование этого эффекта подтвердили исследования Петра Николаевича Лебедева.

 

Квантовая природа излучения

К квантовой теории привели исследования в области теплового излучения. Попытки найти функцию распределения интенсивности теплового излучения черного тела в рамках классической теории не привели к успеху.

Закон распределения, полученный Вином, имел важнейшее значение для классификации звезд по цвету излучения. За открытие этого закона Вину была присуждена Нобелевская премия по физике.

Макс Планк пытался вывести из принципов термодинамики общие законы поведения тел. Нобелевская премия по физике за открытие кванта действия. Планк, поставил перед собой задачу применить методы термодинамики к исследованию электродинамических процессов: тепловое излучение, так как нагретые тела излучают электромагнитные волны.

Планк пытался получить формулу, которая объединила бы закон Вина для коротких волн, и закон Рэлея-Джинса для длинных волн.

Планк полагал, что каждый колеблющийся осциллятор (с их помощью происходит обмен энергией между веществом и излучением) излучает энергию не непрерывно, а порциями — квантами. Чем выше частота, тем больше энергия кванта. Планк пытался встроить квант действия в систему классической физики, что ему сделать не удалось. Он считал, что свет излучается дискретно — квантами, но само излучение непрерывно, что соответствовало теории Максвелла.

Идея Планка о квантах привлекла Эйнштейна, и он воспользовался ею для объяснения фотоэффекта, который впервые наблюдали и исследовали Герц и Александр Григорьевич Столетов. Им был разработан метод, позволивший вычислить значение скорости света. После открытия Герцем фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под воздействием падающего потока излучения) Столетов изучал это явление.

Согласно волновой теории, энергия выбитых светом электронов должна была бы зависеть от интенсивности поглощенного потока света, а на самом деле энергия испускаемых электронов зависела только от длины волны света и природы вещества, на которое свет воздействует.

Развивая идеи Планка о квантах, Эйнштейн пошел дальше и предположил, что свет не только излучается, но и поглощается веществом в виде отдельных дискретных порций. Кванты электромагнитного излучения Эйнштейн назвал фотонами. И само распространение излучения в пространстве по Эйнштейну имеет квантовый характер, то есть свет состоит из «зерен энергии» — квантов. Фотоны появляются при излучении и исчезают при поглощении, то есть существуют в определенных временных границах, рождаются и умирают.

Если фотоны обладают импульсом, то очевидно, что свет должен оказывать давление на поверхность, находящуюся на его пути. Существование давления света явилось одним из возможных аргументов в пользу электромагнитной теории света. Давление света успешно объясняется и волновой (электромагнитной) и квантовой теорией.

Артур Комптон показал, что при рассеянии рентгеновских лучей в рассеянном излучении наблюдается смещение части в длинноволновую область спектра — «красное смещение». Доля его увеличивается в коротковолновой области. Квантовая теория давала простое объяснение этому явлению, а классическая теория – нет.

 

 

Теория относительности.

Знаменитая работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» - попытка согласовать механику и электродинамику и объяснить опыт Майкельсона про «эфирный ветер». Эта статья - обоснование новой механики, отличной от механики Ньютона, названной впоследствии специальной теорией относительности. ( Специальную теорию относительности часто называют релятивистской теорией (релятивистская механика – это механика движения со скоростями, близкими к скорости света) )

В основе специальной теории относительности лежат два постулата:

1. Для всех координатных систем, где справедливы уравнения механики, справедливы и те же электродинамические и оптические законы.

2. Свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью по всем направлениям независимо от движения источника света и наблюдателя. ( Течение времени, масса и длина тел оказываются зависимыми от относительной скорости движения систем отсчета, то есть от движения наблюдателя. )

Из второго постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света и ее предельности вытекает релятивистский закон сложения скоростей. Релятивистская формула сложения скоростей становится эквивалентной классической при малых скоростях. Релятивистская механика должна внести изменения в классическое представление о пропорциональности силы и ускорения. Ускорение предполагает изменение скорости. Но скорость света является предельной, поэтому никакая сила не может увеличить скорость тела, имеющего скорость света.

Современники Эйнштейна быстро отметили “недостаток” специальной теории относительности - она не включала в себя ньютоновское тяготение. Эйнштейн предпринял попытку создания теории гравитации, учитывающей релятивистские эффекты.

По Эйнштейну любая масса как бы “деформирует” вокруг себя пространство-время, поэтому все движущиеся в гравитационном пространстве тела, а также свет, следуют по искривленным траекториям.

Действие гравитационного поля эквивалентно ускоренному движению, а значит тяжелая или гравитационная масса эквивалентна инертной.

Согласно принципу эквивалентности, кинематически можно изменить или как бы уничтожить гравитацию в определенный системе отсчета.

Эйнштейн объясни л поворот орбиты Меркурия с помощью общей теории относительности (Леверье обнаружил, что орбита Меркурия медленно поворачивалась вокруг Солнца). Поворот орбит планет, тем больший, чем ближе планета к Солнцу, являлся прямым следствием общей теории относительности. Совпадение данных астрономических наблюдений с расчетами, проведенными по теории Эйнштейна, оказалось поразительным.

Другим важным следствием общей теории относительности является следующее предсказание: лучи света, проходящие вблизи Солнца, обязаны искривляться. Опыты показали полное совпадение с выводами общей теории относительности.

Крупным научным открытием нового века, подтверждающим общую теорию относительности, стало экспериментальное обнаружение гравитационных волн.