Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна

ТАИНСТВЕННЫЙ КАМЕНЬ

В середине XVII века Исландия находилась под властью Дании. Весной 1668 года король Фредерик III снарядил геологическую экспедицию, которая должна была исследовать восточное побережье острова до Хельгустадира. Ее целью было собрать образцы разновидностей кальцита (который также называют исландским шпатом). Минерал имел необыкновенную прозрачность. Расмус Бартолин, профессор геометрии и медицины в Копенгагенском университете, изучил его оптические свойства и пришел к удивительному открытию. Луч света, падая на поверхность исландского шпата и проходя через кристалл, раздваивался (см. рисунок 4), и в воздушной среде эти два луча продолжали свой путь параллельно друг другу. Раздвоение лучей объясняло, почему, если смотреть через шпат, изображение также двоилось.

РИС. 4

Любопытно, что два результирующих луча вели себя по-разному. Один подчинялся закону Снелля и поэтому стал называться обычным лучом, а второй назвали необычным лучом, и его углы падения и отражения не соответствовали соотношению между синусами.

В 1671 году астроном Жан Пикар, член Королевской Академии наук, побывал в Копенгагене и захватил с собой в Париж несколько образцов шпата. Гюйгенс с присущей ему скрупулезностью подверг камни тщательному анализу и открыл явления, которые ускользнули от Бартолина. Самое удивительное происходило, когда два кристалла помещали рядом друг с другом. Вначале луч, как и следовало ожидать, двоился. Однако проходя сквозь первый камень и попадая на второй, лучи больше не разделялись. Что же происходило со светом, проходящим сквозь кальцит? Помимо отклонения, что-то, казалось, меняло его природу. Гюйгенс натолкнулся на неожиданное свойство света, которое человеческий глаз, в отличие от сверхчувствительных органов зрения многих насекомых и головоногих, не в состоянии воспринять, — речь идет о поляризации.

Как и многочисленные облики Сатурна, двойное лучепреломление не вписывалось в общепринятую теоретическую картину. Если поведение света можно свести к геометрической оптике, то такое вещество, как хельгустадирский кальцит, невозможно — однако вот он, его только что добыли из-под земли. Упорное желание Гюйгенса объяснить двойное лучепреломление вывело его за рамки диоптрики. Первая попытка решить этот вопрос была предпринята в 1672 году, но окончилась неудачей. Пять лет спустя, во время продолжительного пребывания в Гааге, ученый опять пошел в наступление, оказавшееся решающим. Шестого августа 1677 года он сделал в своей тетради еще одну пометку «Эврика», и на сей раз ему не пришлось зачеркивать ее. В октябре Гюйгенс писал Жан-Батисту Кольберу, влиятельному министру Людовика XIV, объявляя о своем решении головоломки: «Это важное чудо природы, и открыть его было непросто». В середине 1679 года он представил свою теорию во Французской Академии наук, поделившись при этом большей частью идей, позже изложенных в его Traite de la lumiere («Трактате о свете»). Эту работу ученый, но своему обыкновению, опубликовал лишь десять лет спустя.

В то время как геометры доказывают свои предложения с помощью достоверных и неоспоримых принципов, в данном случае принципы подтверждаются при помощи получаемых из них выводов. Природа изучаемого вопроса не позволяет, чтобы это происходило иначе.

Христиан Гюйгенс, «Трактат о свете»

В геометрической оптике надо было учитывать только изгиб линз и закон преломления. Достаточно знать о математическом соотношении между α и ß и о распространении света по прямой, чтобы свести его поведение к геометрической задаче. Но на чем основывался закон о синусах? Что такое на самом деле луч света? Он состоит из отдельных частиц или же является неделимым? Как работает механизм его распространения?

Для Гюйгенса пришло время заняться всеми этими вопросами:

«Доказательства, применяющиеся в оптике, — так же как и во всех науках, в которых при изучении материи применяется геометрия, — основываются на истинах, полученных из опыта. Таковы те истины, что лучи света распространяются по прямой линии, что углы падения и преломления равны и что при преломлении излом луча происходит по правилу синусов... Большинство писавших по вопросам, касающимся разных отделов оптики, довольствовались тем, что просто принимали эти истины заранее. Но некоторые, более любознательные, стремились выяснить происхождение и причины этих истин, рассматривая их сами как замечательные проявления природы.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

В своей модели Гюйгенс описал распространение физической волны, не прибегая к столкновениям. Представим себе веревку, один конец которой мы двигаем вверх и вниз, образуя волну, в то время как другой зафиксирован. Волна при этом распространяется по веревке в горизонтальном направлении (см. рисунок 1). К такой волне можно применить понятие поляризации, которая указывает направление движения руки — вверх и вниз. В этом случае мы сказали бы, что волна имеет вертикальную поляризацию. Но она может иметь и горизонтальную поляризацию (см. рисунок 2). Сочетая движение по вертикали и горизонтали, рука может рисовать самые разные траектории, не выходя из плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Используя технический язык, мы сказали бы, что поляризация веревки включает совокупность горизонтальных и вертикальных элементов.

РИС. 1

РИС. 2

Свет имеет схожие характеристики, так как, встречаясь с заряженной частицей, такой как электрон, может заставить ее двигаться в направлении, перпендикулярном своей траектории. В солнечном свете сочетается вертикальная и горизонтальная поляризация, но расположение атомов в исландском шпате объясняет асимметричную реакцию его электронов: одни из них могут колебаться только в вертикальном направлении, другие — только в горизонтальном. Когда солнечный свет достигает их, электроны одной группы реагируют только на горизонтальную составляющую луча, а электроны другой — только на вертикальную. Каждая группа отклоняет свет по-разному, и появляются два луча: один с вертикальной поляризацией, другой — с горизонтальной. Если на их пути встанет еще один кристалл, лучи больше не раздваиваются, поскольку каждый из них уже поляризован (см. рисунок 3).

РИС.З