Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Розвиток уявлень про природу світла

Розвиток уявлень про природу світла

ФІЗИКА

Частина 4

ОПТИКА. СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ

Розділ 10 ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ТЕОРІЯ СВІТЛА

10.1. Розвиток уявлень про природу світла

Уся історія розвитку поглядів на природу світла свідчить про виняткове значення для науки положення матеріалістичної діалектики про єдність протилежностей.

Протягом багатьох віків точилася боротьба між корпускулярними, атомістичними і хвильовими уявленнями про світло. І лише в сучасній фізиці переконливо доведено корпускулярно-хвильову природу світла.

Питання про природу світла

виникло давно. Наприклад, грецький мислитель Піфагор (бл. 580 до н. е.) вважав, що зорові відчуття виникають унаслідок “гарячих випаровувань”, які виходять з ока до предметів. Грецький математик Евклід (бл. 450 – 380 до н. е.) розвинув теорію “зорових променів”, послідовником якої був Птолемей (II ст. н. е.). Згідно з поглядами Евкліда з ока виходять чутливі нитки, які обмацують своїми кінцями тіла і створюють зорові відчуття.

Протилежний погляд на природу зорових відчуттів розвинули Демокріт (бл. 460 – 370 до н. е.), Емпедокл (бл. 490 – 430 до н. е.) і Епікур (341-270 до н. е.). Демокріт вважав, що зір зумовлений падінням

на поверхню ока атомів, які випромінюються тілами. Особливо різко виступав проти теорії “зорових променів” грецький філософ Арістотель (384-322 до н. е.). Він писав, що світло випромінюється джерелами і передається прозорим середовищем, яке є посередником у передачі руху, який і викликає зорові відчуття. Внаслідок цього Арістотель започаткував вчення про світлоносне середовище – ефір. Він зробив першу наївну спробу пояснити кольори. Різні кольори він пояснював змішуванням світла й темноти.

Застосування до вивчення світла математики дало можливість зробити ряд правильних висновків. Евклід заснував учення про прямолінійне поширення світла, відкрив закони відбивання і заломлення світла. Герон Александрійський (І ст. н. е.) встановив принцип, згідно з яким світло проходить між предметом і оком найкоротшим шляхом. Птолемей вивчав заломлення світла. Евклід і Птолемей займались теорією вгнутих дзеркал. Архімеду навіть приписували спалення ворожого флоту вгнутими дзеркалами, якими він немов би концентрував сонячні промені на ворожих кораблях.

Хоча погляди стародавніх мислителів грунтуються не на дослідах, а на найпростіших спостереженнях явищ природи, їх можна вважати лише здогадками, інколи геніальними, проте вони мали досить великий вплив на вчених більш пізніх часів.

У середньовіччя, в період панування схоластики, інквізиції, в період поширення лженаук помітних досліджень з оптики не було. Дослідження стосувалися насамперед вивчення ходу променів у дзеркалах і лінзах, а також анатомії і фізіології ока (Р. Бекон, бл. 1214- 1294). Були винайдені також окуляри (бл. 1285). Цей винахід приписується італійцю С. Арматі.

Епоха Відродження була для Західної Європи перехідним етапом у розвитку від феодального до капіталістичного способу виробництва. Цей період характеризується загальним піднесенням економіки, культури, техніки, мистецтва і боротьбою прогресивних світоглядів із схоластикою середньовіччя. У сфері науки поступово перемагає експериментальний метод вивчення природи. В оптиці за цей період було досягнуто великих успіхів. Насамперед слід назвати винайдення оптичних інструментів. Г. Галілей удосконалив зорову трубу і застосував її в астрономії. Найвизначнішим досягненням цього періоду було відкриття дифракції світла італійським ученим Ф. Гримальді (1618-1663).

Друга половина XVII ст. характеризується подальшою перемогою експериментальних методів вивчення природи. Виникнення капіталістичного способу виробництва зумовило прогрес техніки. Значного розвитку набула математика. Все це сприяло й прогресу в галузі фізики, зокрема механіки й оптики. Найвизначніші відкриття цього періоду належать І. Ньютону. У 1666 р. він відкрив явище дисперсії світла. Грунтуючись на дослідах, пов’язаних з дисперсією світла, І. Ньютон розробив теорію кольорів, яка стала важливим досягненням вчення про світло. Згідно з теорією кольорів І. Ньютона кожне тіло відбиває тільки промені того кольору, в який воно пофарбоване, тоді як інші воно поглинає.

І. Ньютону належать також роботи з дифракції та інтерференції світла. Він здійснив інтерференційний дослід, відомий під назвою кілець Ньютона, розглянув питання про природу світла, зокрема розвинув корпускулярну теорію світла, яку названо теорією витікання. Згідно з положенням ньютонівської теорії витікання, світло – це потік особливих найдрібніших частинок, що випромінюються тілами, які світяться. Розміри частинок для різних кольорів різні: вони більші для червоних променів, менші для фіолетових. Між цими граничними випадками розміщуються відповідні частинки проміжних розмірів.

Теорія витікання крім кольорів добре пояснювала прямолінійне поширення світла. Проте в теорії витікання при поясненні явищ відбивання і заломлення, інтерференції й дифракції виникли значні труднощі. Для узгодження теорії витікання з цими фактами І. Ньютону довелося доповнювати її різними додатковими гіпотезами, які були недостатньо обгрунтовані.

Незважаючи на те що хвильова теорія світла, розвинена сучасником І. Ньютона голландцем X. Гюйгенсом (1629-1695), пояснювала ці факти, І. Ньютон відкрито заявив про свою прихильність до корпускулярної теорії. Завдяки величезному науковому авторитету І. Ньютона хвильова теорія світла була надовго відкинута і, отже, не розвивалась. Хвильову теорію світла крім X. Гюйгенса розвивав англійський фізик Р. Гук (1635-1703). Ці вчені розуміли під світлом пружні хвилі, які поширюються в особливому світлоносному середовищі – ефірі. Коливання ефіру спричинюються рухом частинок, з яких складаються тіла, що світяться. Р. Гук вважав світлові хвилі поперечними, що потім було підтверджено. Проте Р. Гук не навів будь-яких фактів і доказів цього положення. Навпаки, X. Гюйгенс вважав світлові хвилі поздовжніми (подібно до звукових). X. Гюйгенсу вдалося досить добре пояснити заломлення, відбивання, подвійне заломлення променів. Проте він не зміг пояснити теорію кольорів, прямолінійне поширення світла і явище поляризації світла.

Усі ці недоліки хвильової теорії світла Гюйгенса призвели до того, що вона не змогла протистояти теорії витікання Ньютона, яка і панувала близько ста років після смерті І. Ньютона.

Проти Теорії витікання виступив Л. Ейлер. Послідовним прихильником хвильової теорії світла був М. В. Ломоносов. Він вважав, що світло – це коливальний рух ефіру. Однак і цим видатним ученим не вдалося розхитати теорію витікання.

Хвильова теорія світла замінила корпускулярну лише у XIX ст. завдяки працям англійського фізика Т. Юнга (1773-1829). Він розробив основні положення про інтерференцію світлових хвиль. Проте він вважав світлові хвилі поздовжніми. Розвиток хвильової теорії світла пов’язаний з ім’ям французького фізика 0. Френеля (1788- 1827). Він відродив принцип Гюйгенса і поєднав його з принципом інтерференції Юнга. Це дало йому змогу створити строгу математичну теорію дифракції світла і пояснити з погляду хвильової теорії прямолінійне поширення світла. О. Френель пояснив явище поляризації світла. З цією метою О. Френель і його прихильник Д. Араго (1786-1853) провели дослідження з інтерференції поляризованих променів і дійшли висновку, що світлові коливання можуть бути лише поперечними, а не поздовжніми.

Незважаючи на великі успіхи хвильової теорії, розробленої О. Френелем, більшість фізиків того часу вважали уявлення про поперечність світлових хвиль зовсім неймовірним, оскільки в цьому разі ефіру треба було б приписати властивості пружного твердого тіла. Виникло питання про те, як тоді в ефірі вільно може переміщатися Земля, Сонце та інші планети, космічні тіла. Внаслідок цього хвильова теорія світла спочатку мала менше прихильників, ніж теорія витікання.

Крім того, явища, виявлені у цей період, не можна було пояснити з погляду хвильової теорії світла, зокрема явища флюоресценції, фосфоресценції, фотохімії. Хвильова теорія також не могла пояснити виникнення лінійчастих спектрів, теплове випромінювання. Внаслідок цього в хвильовій теорії вже тоді виявились суперечності, які були розв’язані пізніше на основі квантової теорії світла.

Проте хвильова теорія, незважаючи на ці труднощі, продовжувала з успіхом розвиватись. Відкриття поперечності світлових хвиль привело до того, що О. Френель, зробивши чимало незвичайних припущень, створив пружну теорію світла, яка дала змогу пояснити досить велике коло оптичних явищ. Після О. Френеля багато відомих фізиків намагалися знайти інше розв’язання цієї проблеми, користуючись методами теорії пружності. У 1865 р. англійський фізик Дж. Максвелл розробив електромагнітну теорію світла. Внаслідок цього зменшився інтерес до механічних теорій світла, оскільки тепер будь-яка механічна теорія, що претендувала на пояснення оптичних явищ, мала пояснити і електричні явища. Це завдання було непосильним для механічної теорії світла, внаслідок чого з розвитком електромагнітної теорії вона була відкинута переважною більшістю фізиків.

Значний інтерес становило поширення світла в рухомих тілах, зокрема вивчення взаємодії рухомих тіл і ефіру. Варті особливої уваги результати дослідження А. Майкельсоном руху Землі відносно ефіру, які стали експериментальною основою для створення 1905 р. А. Ейнштейном спеціальної теорії відносності. Кінець XIX – початок XX ст. характеризуються відкриттям фізичних явищ, які привели до революції в фізиці завдяки принципово новим поглядам на природу випромінювання світла. Німецький фізик М. Планк 1900 р. висунув гіпотезу про квантову природу випромінювання. У 1905 р. А. Ейнштейн розробив квантову теорію фотоефекту. З позицій квантової механіки і квантової електродинаміки вдалося пояснити численні спектральні закономірності й особливості процесів випромінювання.