Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Размер этого угла зависит от различных факторов: от концентрации раствора и природы растворенного вещества; от расстояния, проходимого светом в этом растворе; от длины волны света; от температуры раствора. Если стандартизировать эти факторы и посмотреть или подсчитать, какой угол вращения будет иметь свете длиной волны, которую производит натриевая лампа, проходя один дециметр раствора, содержащего 1 г/см3 при температуре 20 C°, то мы получим удельное вращение.

Значение удельного вращения характеризует любую прозрачную систему. Для многих систем оно равно 0°, то есть плоскость поляризованного света вообще не поворачивается. Такие системы называются оптически неактивными. Системы, которые поворачивают плоскость поляризованного света, называются оптически активными.

Некоторые оптически активные системы вращают плоскость поляризованного света по часовой стрелке. Это описывается как правостороннее вращение, и такие системы — правосторонние. Другие же вращают свет против часовой стрелки и являются левосторонними.

В 1848 году французский химик Луи Пастер (1822–1895) смог продемонстрировать, что оптическая активность прозрачных кристаллов зависит от асимметричности таких кристаллов. Далее, если таким асимметричным кристаллам придать форму двух зеркал, одно будет правосторонним, а другое — левосторонним. Тот факт, что определенные растворы также были оптически активными, не позволял предположить, что асимметрия должна присутствовать в самих молекулах этих веществ. В 1974 году голландский физик и химик Якоб Ван Гофф (1852–1911) представил теорию молекулярной структуры, которая рассчитывала такую асимметрию в оптически активных средах. Обсуждение этого, однако, более уместно в учебнике химии, и я не буду здесь углубляться в эту тему.

Призмы Николя не только являются приборами для формирования плоскополяризованного света. Есть некоторые типы кристаллов, которые не просто расщепляют свет на два плоскополяризованных луча, а поглощают один и передают другой. Кристаллы сульфата йодохинина ведут себя именно так. К сожалению, невозможно создать большие полезные кристаллы из этого материала, потому что они получаются хрупкими и разрушаются при малейшем воздействии.

Однако в середине 1930-х годов студент Гарварда Эдвин Герберт Ленд (р. 1909) сообразил, что большие цельные кристаллы использовать не обязательно. Крошечные кристаллы, все сориентированные в одном и том же направлении, вполне могут быть использованы для этих же целей. Чтобы поддерживать их ориентацию и удерживать от дальнейшего разрушения, их следует включить в лист прозрачной гибкой пластмассы. Ленд закончил колледж в 1936 году, ушел в бизнес и создал то, что сейчас называют поляроидом. Он может выполнять все функции призм Николя более экономичным и удобным образом (правда, не столь точным).

Как обнаружил Малюс, лучи поляризованного света могут также быть произведены отражением под определенным верным углом от такого материала, как стекло; точный размер угла зависит от коэффициента преломления вещества. Солнечные очки, сделанные из поляроида, могут блокировать большую часть отраженного поляризованного света и урезать блеск.

Так, XIX век описал свет не просто как волну, а как поперечную волну; это решило много проблем, но и поставило некоторые проблемы.

Если свет — это форма волны, то большинству ученых вплоть до начала XX века казалось логичным, что что-то должно колебаться, передавать эту волну. В случае волн на воде, к примеру, вверх и вниз движутся молекулы воды; в случае звуковых волн вперед и назад двигаются атомы или молекулы окружающей среды. Соответственно, казалось, что в вакууме должно что-то существовать, что-то, что двигалось бы вверх и вниз или вперед и назад, чтобы проводить волны света.

Это что-то не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на движение небесных тел, поэтому логично было предположить, что это чрезвычайно разреженный газ. Этот чрезвычайно разреженный газ (или нечто иное, что заполняет вакуум) получил название «эфир», от слова, которое использовал Аристотель для описания вещества, из которого состоят небеса и небесные тела (см. ч. I). Эфир может быть также средой, в которой передается сила гравитации, и может быть идентичен эфиру, который проводит (или не проводит) свет. Для того чтобы выделить эфир, именно проводящий свет (на случай, если существуют несколько разновидностей эфира), в XIX веке было введено популярное словосочетание «люминофорный (что означает «светоносный») эфир».

Когда мы начинаем говорить об эфире, разница в свойствах между поперечными и продольными волнами становится важной. Продольные волны могут передаваться в среде, находящейся в любом состоянии — твердом, жидком или газообразном. Поперечные же волны могут передаваться только в твердых телах или при наличии гравитационного поля по поверхностям жидкостей (см. ч. I). Поперечные волны не могут проходить через массу газа или жидкости. Именно по этой причине в ранних версиях волновой теории света, в соответствии с которыми эфир считался газом, также считалось, что свет состоит из продольных волн, которые могут проходить через газ, а не из поперечных, которые не могут.

Однако когда вопрос о поляризации, казалось, твердо установил тот факт, что свет состоит из поперечных волн, концепцию эфира пришлось кардинально пересмотреть. Для того чтобы пропускать поперечные световые волны, эфир должен быть твердым телом; он должен быть веществом, все частицы которого жестко закреплены на своем месте.

Если бы это было так, то, когда участок эфира подвергался бы искажению под правильным углом по направлению от движения светового луча (как требовалось бы, если бы свет являлся поперечно-волновым явлением), силы, держащие этот участок на месте, толкнули бы его обратно. Этот участок пролетел бы свое прежнее место, его бы толкнуло назад, он бы снова пролетел свое законное место и т. д. (Именно так происходит в случае волн на воде, когда гравитация является той силой, которая обеспечивает толкание взад-вперед, а в случае звуковых волн эту работу проделывают межмолекулярные силы.)

Так, колебания эфира вверх-вниз и создают световую волну. Более того, скорость, с которой поперечная волна проходит сквозь среду, зависит от размера силы, толкающей обратно сдвинутую область. Чем больше сила, тем быстрее толчок обратно, тем быстрее движется волна. В случае света, движущегося со скоростью 186 000 миль в секунду, обратный толчок должен быть действительно сильным, и сила, удерживающая каждую часть эфира на месте, должна быть гораздо жестче, чем сталь.

Следовательно, светоносный эфир должен быть одновременно и чрезвычайно разреженным газом, и иметь жесткость выше, чем сталь. Такую комбинацию сложно представить[90], но в середине XIX века физики упорно работали, чтобы создать последовательную модель такого «твердого газа» и обнаружить его наличие. Они делали это по двум причинам. Во-первых, они не видели альтернативы, раз свет состоит из поперечных волн. Во-вторых, эфир был нужен им в качестве точки отсчета для измерения движения. Эта вторая причина чрезвычайно важна, потому что в отсутствие такой точки отсчета сама идея движения теряет четкость и все физические построения XIX века становятся зыбкими.