О феномене поляризации света.

Из представлений о том, что энергия квантового возбуждения в атоме – в том числе, и энергия квантов света! – локализована в валентных связках «протон-электрон», логично следуют представления о том, чем обусловлен такой феномен, как поляризация света.

Мы излагали выше (4.6), что в поисковых волнах Навигатора не происходит никаких колебаний ортогонально вектору распространения, и что первичные волны Навигатора, которыми сканируется пространство вокруг возбуждённого атома, являются сферическими. Но заметим, что с помощью волн Навигатора ищется адресат для квантового переброса энергии возбуждения, находящейся в атомарной связке «протон-электрон», которая не имеет сферическую симметрию, а представляет собой динамический диполь (7.5) – ориентация которого задаёт направление в пространстве. Отсутствие выделенного направления у сферической волны и наличие выделенного направления у «источника» этой волны могут быть совместимы друг с другом, если обеспечены дополнительные правила приоритета при идентификации адресата квантового переброса.

Эти правила, как мы полагаем, таковы. Во-первых, для различных участков первичной сферической волны Навигатора, расчётные вероятности квантового переброса заданы неодинаковыми: эти вероятности равны нулю для направлений вдоль возбуждённой связки «протон-электрон» и максимальны для ортогональных направлений – что даёт «диаграмму направленности», как у линейного электрического вибратора. Этим правилом легко объясняется хорошо известное из опыта отсутствие продольности у световых волн – факт, который являлся камнем преткновения для представлений о свете, как механических волнах в упругой среде: ведь в жидких и твёрдых упругих средах продольные волны вполне допустимы. Во-вторых, вероятность квантового переброса максимальна, если у «атома-отдающего» и «атома-принимающего» линии соответствующих атомарных связок «протон-электрон» параллельны, и минимальна, если они ортогональны. Это правило объясняет, почему не интерферируют световые лучи, поляризованные ортогонально друг другу, а также почему работает закон Малюса для прохождения света последовательно через два поляризующих устройства, плоскости поляризации которых повёрнуты друг относительно друга на угол j: интенсивность пропущенного света при этом пропорциональна cos ²j.

Совместное применение этих двух правил даёт объяснение всем явлениям поляризации света – которые считаются главным свидетельством о поперечности световых волн. Так, в источниках естественного света – неполяризованного – атомы имеют произвольные ориентации возбуждённых связок «протон-электрон». Изначально линейно-поляризованный свет получается, если в его источнике задействованные атомарные связки «протон-электрон» имеют упорядоченную ориентацию – такую, что линии этих связок параллельны друг другу. Из естественного же света, линейно-оляризованный получается через воздействие любого поляризатора [Л1] – после чего свет распространяется при участии, преимущественно, атомов, у которых задействованные связки «протон-электрон» ориентированы в определённом направлении, заданном с помощью поляризатора.

Заметим, что, для объяснения поворота плоскости поляризации линейно-поляризованного света при прохождении им слоя оптически активной среды (в случае естественной оптической активности, без воздействия постоянного «магнитного поля»), в официальной теории до сих пор используется модель Френеля, двухсотлетней давности. Согласно этой модели, световая волна с линейной поляризацией «представляется» суммой двух противоположно «закрученных» циркулярно-поляризованных волн – у которых, якобы, в оптически активной среде различаются фазовые скорости, что и даёт накопление фазового сдвига между ними и результирующий поворот плоскости поляризации. С математической точки зрения, трюк с разложением линейно-поляризованной волны на две циркулярно-поляризованные – позволителен, но, с физической точки зрения, он совершенно не оправдан. В свете, линейная поляризация которого создана с помощью поляризатора, волн с циркулярной поляризацией принципиально нет. Нужно очень постараться, чтобы превратить линейную поляризацию в циркулярную, например, пропустить свет сквозь двулучепреломляющую пластинку подходящей толщины [Л1] – но, после этой пластинки, закрутка плоскости поляризации по ходу движения света происходит в одну сторону, а не в две сразу. Никаких физических механизмов, превращающих, на входе в оптически активную среду, линейную поляризацию в две противоположно закрученные циркулярные, мы тоже не усматриваем. Поэтому нам придётся объяснить, каким образом линейно-поляризованный свет, проходя по оптически активной среде, поворачивает свою плоскость поляризации, оставаясь линейно-поляризованным.

К счастью, объяснение сразу следует из вышеизложенных представлений о поляризации. Известно, что у веществ, которые вращают плоскость поляризации света, будучи в любом агрегатном состоянии, молекулы имеют особую конфигурацию повёрнутых друг относительно друга химических связей (про химические связи см. 8.3). А такая геометрия химических связей приводит к тому, что поворот плоскости поляризации кванта света происходит при его внутримолекулярном квантовом перебросе, из одной химической связи в другую. В самом деле, возможен квантовый переброс на такой атом-восприёмник, у которого линия принимающей связки «протон-электрон» несколько повёрнута по отношению к линии возбуждённой связки «протон-электрон» у атома-отдающего – но поляризация новой волны Навигатора, от новой связки «протон-электрон», ставшей возбуждённой, определяется ориентацией уже этой новой связки. Поэтому если квант света испытывает один или несколько внутримолекулярных квантовых перебросов по повёрнутым друг относительно друга химическим связям, то, при продвижении линейно-поляризованного света по среде с такими молекулами, плоскость поляризации будет поворачиваться – в сторону, соответствующую направлению «закрутки» химических связей в них. Даже при хаотической ориентации таких молекул в газе или жидкости, у света, распространяющегося в такой среде в любом направлении, поворачивается плоскость поляризации, скажем, по правому винту – поэтому, при прохождении светом участка такой среды туда-обратно, ориентация плоскости поляризации возвращается к исходной. Добавим, что некоторые вещества обладают естественной оптической активностью лишь в твёрдом состоянии – необходимая для этого «закрутка» химических связей образуется при упорядочивании молекул этих веществ в кристаллическую структуру.

Что касается оптической активности, наведённой с помощью постоянного «магнитного поля» (эффект Фарадея), то она обусловлена, как мы полагаем, упорядоченным вращением атомарных связок «протон-электрон», задействованных в распространении света (про это упорядочивание см. 7.7). В такой среде, при движении линейно-поляризованного света как «по полю», так и «против поля», поворот плоскости поляризации происходит в сторону вращения задействованных связок «протон-электрон» – и, в данном случае, при прохождении «туда-обратно», угол поворота плоскости поляризации не обнуляется, а удваивается.

Остановимся на ещё одном явлении, связанном с линейной поляризацией света – феномене угла Брюстера, который широко используется в лазерной технике для уменьшения потерь на отражение от поверхностей внутрирезонаторных оптических элементов. Этот феномен заключается в том, что если угол падения a светового пучка из воздуха на плоскую поверхность плотной прозрачной среды подчиняется условию tg a= n, где n - показатель преломления этой среды, то, практически, весь свет, поляризованный в плоскости падения, проходит сквозь эту поверхность без отражения от неё. Считается, что объяснение феномена угла Брюстера следует из теории Френеля. Его формула для коэффициента отражения света, поляризованного в плоскости падения, содержит в знаменателе тангенс суммы углов падения и преломления. В случае, когда угол падания равен углу Брюстера, эта сумма углов равна 90^о, а её тангенс равен бесконечности, что и даёт нулевой коэффициент отражения. Но это – опять же, математический трюк. А в чём же физика феномена? По логике сформулированных выше двух правил приоритета при квантовых перебросах, свет распространяется, главным образом, по цепочкам таких атомов, у которых задействованные связки «протон-электрон» ориентированы поперёк распространения света и параллельно друг другу. Луч света, падающий на поверхность стекла, должен разделиться на два луча: отражённый и преломлённый. Но, при падении света на плоскую поверхность под углом Брюстера, угол между отражённым и преломлённым лучами составляет 90^о. Поэтому – для падающего света, передаваемого атомарными связками «протон-электрон», которые лежат в плоскости падения – у тех атомов поверхности, которые способны «переизлучить» свет в преломлённый луч, исключена возможность «переизлучить» его в отражённый луч, и наоборот. Действительно, ориентации связок «протон-электрон», требуемые для «переизлучения» того и другого лучей, в данном случае ортогональны друг другу, поэтому атом поверхности может участвовать либо в отражении, либо в преломлении падающего света. Однако, «преломляющие» атомы имеют здесь значительное преимущество, поскольку, по ориентации своих связок «протон-электрон», они гораздо лучше соответствуют атомам, которые передавали падающий свет. Значит, в данном случае, почти весь падающий свет пойдёт в преломлённый поток. Мы говорим «почти весь», а не «весь» - как это следует из теории Френеля. И, в самом деле, опыт показывает, что, при падении света под углом вблизи угла Брюстера, для коэффициента отражения «никогда не удаётся получить нуль, а достигается только минимум» [М1].