Александр Леонович - Физика без формул

Начало позапрошлого столетия ознаменовалось поразительными открытиями. Опыты демонстрировали, что свет может огибать препятствия, усиливать или ослаблять себя, исчезать в непредвиденных местах и возникать там, где его не ждали. Объяснение таким переменам в его поведении оказалось возможным только в рамках волновой теории света.

А к концу XIX века было получено надежное доказательство, что свет — не что иное, как электромагнитная волна.

Казалось бы, волновая теория одержала триумфальную победу. Но начало XX века принесло новые открытия, заставившие ученых в каком-то смысле вернуться к воззрениям Ньютона. При объяснении новых фактов волновая теория была бессильна.

Так что же, свет — это все-таки частицы? Сегодня ученые считают: в каких-то случаях он ведет себя как поток микроскопических частиц-корпускул, в других — как волна. Иначе говоря, ему присущи и те, и другие свойства.

В каких случаях свет показывает себя как волна? В конце десятых годов прошлого века французские ученые были несказанно удивлены, когда молодой физик Огюстен Френельпровел на их глазах любопытный опыт. Между источником света и экраном размещался непрозрачный диск. По здравому смыслу, на экране должна была получаться круглая тень. Френель, перемещая приборы, добивался того, что в центре тени появлялось светлое пятнышко. И наоборот, если пропускать свет через круглое отверстие, то при определенных условиях в середине светлого пятна образовывалась темная точка.

Огюстен Френель(1788–1827) — французский физик. Экспериментируя с помощью примитивных средств, достиг великолепных результатов в оптике. Развил учение о свете, дополнил принцип Гюйгенса. Разработал теорию дифракции — явления, при котором свет огибает препятствия. Доказал поперечность световых воли. Изобрел ряд оптических приборов.

Объяснить эти чудеса могла только волновая теория света. Подобно звуковым волнам, способным огибать препятствия, световая волна в каких-то случаях может зайти за край, скажем, диска и попасть в зону тени. Почему же такие явления довольно часто наблюдаются для звука и намного реже — для света? Дело в том, что звуковые волны обладают значительно большей длиной — расстоянием между своими «горбами», это примерно метры. Значит, на препятствиях таких размеров и будет наблюдаться огибаниезвуковых волн.

А вот длина световых волн чрезвычайно мала — они меньше миллионных долей метра. Вот такого размера отверстия или препятствия и позволят заметить отклонение световых лучей от прямолинейной траектории.

Например, классический опыт провел в 1802 году англичанин Томас Юнг. Проделав в непрозрачном экране две близких дырочки с помощью тонкой булавки, он осветил их солнечным светом, проникавшим в комнату через маленькое отверстие в шторе. И что же? Вместо двух ярких точек за экраном наблюдалось чередование темных и светлых колец.

Томас Юнг(1773–1829) — английский ученый. Работал в различных областях естествознания, но более всего известен как физик. Один из создателей волновой оптики. Объяснил «настройку» глаза изменением толщины хрусталика, явление усиления и ослабления звуковых и световых волн. Разрабатывал теорию цветного зрения. Также исследовал упругие деформации.

Объяснить это явление можно было, считая, что световые лучи, загибаясь в дырочках, накладываются друг на друга, то усиливая себя, то ослабляя.

Вы нырнули в бассейн, а на его краю остался ваш приятель в красных плавках и голубой купальной шапочке. Какого цвета будут они казаться вам из-под воды? Неожиданный вопрос, правда? Кажется, что в нем есть подвох. Но сколько ни ныряй, всякий раз красные плавки останутся красными, да и шапочка не изменит свой цвет. Что же тут выяснять?

Да дело в том, что если считать свет волной, то хорошо бы узнать, какая его характеристика отвечает за цвет. Длина волны? Скорость? Частота? Оказалось, что при переходе в более плотную прозрачную среду свет как бы тормозится, скорость его падает. Вместе со скоростью ровно во столько же раз уменьшается длина световой волны. И если бы эти характеристики «взяли на себя ответственность» за цвет, то мир предстал бы перед нами в искаженных цветах. Ну, подумайте, вы бросаете в кастрюлю с водой ярко-красную морковку для варки, а она, «нырнув» на дно, вдруг стала синей или еще хуже, серо-буро-малиновой. Захотелось бы съесть такую морковку?

Итак, не скорость и не длина волны. Остается частота. Да, именно эта волновая величина определяет цвет световых лучей. Она будет неизменной для каждого цвета, где бы лучику ни пришлось путешествовать — в линзах, в стеклах, в призмах. Заметьте, что если длина световых волн ничтожно мала, то частота — невероятно огромна. Составляет она примерно миллион миллиардов колебаний в секунду. Самая большая частота световых волн — у фиолетового цвета, а самая маленькая — у красного.

Вы, конечно, любовались видом радуги, возникающей в небе после дождя. Отчего же появляется такая красивая, да еще цветная картина в воздухе? Однако тут мы не совсем точны, в чистом воздухе никакой радуги не было бы. Образуется она благодаря мельчайшим капелькам воды, поэтому и бывает лишь после дождя. Заметьте, что чаще наблюдать радугу удается, когда Солнце невысоко над горизонтом, а вы располагаетесь спиной к нему и лицом к «уходящему» дождю.

В чем причина появления цветов на небосклоне? Преломляясь в крохотных прозрачных капельках воды, белый свет испытывает, как говорят, разложение в спектр. И тогда становится совершенно ясно, что состоит он из набора цветов. Получить радугу можно, как это сделал Исаак Ньютон, в «домашних» условиях. Через маленькое отверстие в ставне или шторе нужно пропустить узенький пучок света. Если на его пути поставить стеклянную треугольную призму, то преломившиеся в ней лучи выйдут уже разделенными на цвета. Это будет хорошо заметно на противоположной окну стене.

Явление, описанное сейчас, получило название дисперсии света. Радужная полоска, именуемая спектром, показывает, что сильнее всего преломляются призмой фиолетовые лучи, а меньше всего — красные. Получение спектров от различных светящихся тел породило целую отрасль науки и техники — спектральный анализ.