ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ им.

СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ

В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ:

«Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света»

Выполнила студентка

Руководитель:

Ацюковский Владимир Акимович

Москва 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Античные взгляды на природу свет
______________________________________________________3
2. Взгляд на свет в период раннего средневековья
______________________________________________________4
3. Опыты по измерению скорости света
______________________________________________________5
4. Открытия Ньютона о природе цветов
______________________________________________________5
5. Работы Гюйгенса. Волновая теория света
_____________________________________________________10
6. Развитие взглядов на волновую теорию света. Работы Френеля
_____________________________________________________11
7. Электромагнитная теория света. Работы Фарадея и Максвелла
_____________________________________________________15
8. Давление света
_____________________________________________________17
9. Поляризация
_____________________________________________________18
10. Квантовая теория света
_____________________________________________________20
11. Фотоны
_____________________________________________________23
12. Заключение
_____________________________________________________24
13. Список использованной литературы
_____________________________________________________26

АНТИЧНЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ СВЕТА.

Оптикой увлекались еще философы классического периода, которые больше интересовались физиологическими, а не физическими проблемами.
Они задавались вопросами: каким образом мы видим, каково соотношение между ощущением и видимым предметом? Дискуссия была, по-видимому, долгая и страстная, но дошедшие до нас документы весьма немногочисленны и толкования их сомнительны. Здесь будут упомянуты теории, развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе позднейшей истории.
По-видимому, именно пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» как бы щупальцами предметы, давая их ощущение. Атомисты же были сторонниками испускания предметами «призраков» или «образов», которые, попадая в глаза приносят душе ощущение формы и цвета теория эта связывается с именем Платона.
Согласно Платону, от предметов исходит специальный флюид, который встречается с «мягким светом дня», «ровно и сильно» бьющим из наших глаз. Если оба флюида подобны друг другу, то, встречаясь, они «крепко связываются» и глаз получает ощущение видимого. Если же «свет очей» встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает глазам никаких ощущений.
Наиболее ранним из известных нам документов, касающихся работ, является трактат по оптике Евклида, великого геометра, расцвет творчества которого относится к 300 г. до н.э. Трактат состоит из двух частей – «Оптики» и «Катоптрики».
Как следует из первого положения, или постулата:
«Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути».
Евклид следует теории зрения Платона. От второго постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения»:
«Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета».
На этих и других десяти постулатах (по другим свидетельствам – двенадцати) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В
«Оптике» он исследует геометрические проблемы, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с отражением от плоских и сферических зеркал. Из постулатов
«Катоптрики» замечателен второй постулат:
«Все, что видно, видно по прямой».
Это основной принцип физиологической оптики. Однако непонятно, как его можно было согласовать с третьим постулатом, дающим точный закон отражения света, известный грекам еще с древнейших времен. Если световой луч – это то же самое, что «свет очей», то как он может не отклоняться на зеркале в соответствии со вторым постулатом и менять свое направление в соответствии с третьим? В истории физики противоречия часты, и ученые преодолевали их почти всегда так же, как и
Евклид, т.е. обходили молчанием.

ВЗГЛЯД НА СВЕТ В ПЕРИОД РАННЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ.

Наиболее ярким в арабской физике был, несомненно, период Ибн Аль-
Хатайна, известного на Западе под именем Альхазена. Умер Альхазен в
Каире в 1039 г. По всеобщему мнению, это был наиболее крупный физик средневековья. Кроме того, он был астрономом, математиком и комментатором Аристотеля и Галена.
В своем первом фундаментальном постулате он утверждает:
«Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза».
Этот постулат он подкрепляет наблюдением, что глаза испытывают боль при падении на них солнечного света, прямого или отраженного от зеркала, приводя также другие примеры ослепления. Под естественным светом Альхазен понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами – свет отраженный от цветных предметов.
Затем с помощью ряда хорошо поставленных опытов физико- физиологического характера он показывает несостоятельность представления о свете, исходящем из глаз и ощупывающем тела. В главе IV своего труда он описывает анатомическое строение глаза, заимствовав его у Галена, и далее заявляет:
«Зрительный образ получается с помощью лучей, испускаемых видимыми телами и попадающих в глаз».
Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, об обращенных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а от предмета к глазу. Но не это является главным открытием Альхазена. У
Евклида, как и у всех греческих физиков, зрение рассматривалось как глобальное явление; считалось, что ощущение воспринимает разом, в едином процессе образ всего наблюдаемого тела, потому ли, что внешняя
«оболочка» тела, отделившись, проникает в зрачок, или же потому, что
«свет очей» ощупывает его одновременно со всех сторон. Альхазен же с гениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов: он полагал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений наблюдения предмета, нужно предположить, что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке предмета может соответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен преодолел эту трудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз действенным является лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, которые он считал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хрусталика, который по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которые, исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят через геометрический центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливает точное соответствие между точками восприятия на внешней поверхности хрусталика и приходит к выводу:
«Зрительный образ получается с помощью пирамиды, вершина которой находится в глазу, а основание – на видимом теле».
Насколько это положение отличается от евклидова! Это тот же классический закон перспективы, но физика явления здесь изменена.
Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, оно представляет собой громадный шаг вперед.

ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА.

Одним из первых пытался измерить скорость света Галилей - он предлагает эксперимент для решения спора о том, конечна или бесконечна скорость света. Два экспериментатора, вооруженные фонарями, становятся на некотором расстоянии друг от друга и, согласно предварительной договоренности, первый открывает свой фонарь, как только заметит свет открытого фонаря второго. Тогда сигнал первого экспериментатора вернется к нему через удвоенное время распространения света от одного наблюдателя ко второму.

Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скорости света. Но за Галилеем остается заслуга первой постановки этой проблемы в экспериментальном плане и проектирования эксперимента столь гениального, что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорости света в земных условиях. Действительно, в принципе опыт Физо отличается от опыта Галилея лишь тем, что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедший световой сигнал.

ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ.

Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работы
Ньютона. В 1669 г. в Кембридже Ньютон начал читать оптику. К этому периоду относятся его «Лекции по оптике», опубликованные посмертно в
1729 г. Научный мир узнал открытии Ньютона о природе цветов из доклада, опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы там, в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием «Оптика» в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук.) В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества для прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу.
Еще при жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третье в 1721 г.
«Оптика состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению.
Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содержит краткое экспериментальное исследование дифракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера».
Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез:
«Мое намерение в этой книге, - предупреждает автор, - не объяснять свойства гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами.
Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет и речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этого, поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит:
«Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям».
А что означает утверждение: «Луч света – это его мельчайшая часть»?
Из этого утверждения ясно, что для Ньютона луч света – это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится в пояснении к этому определению, «наименьший свет или часть света … которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет».
Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, но одновременно основывает истолкование своих экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча – концепции корпускулярной, или если пользоваться современным термином, квантовой.
Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по существу осталась основой современной физической оптики.
Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Сенеки.
Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этот опыт позволил Ньютону прийти к фундаментальному выводу:
«Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости».
И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оно высказывалось еще в 1648 г. Марко Марчи (1595-1667), зато весь комплекс последующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, был весьма новым, так что не мог пройти незамеченным. Проделав небольшое круглое отверстие в ставне окна темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял «спектр» на противоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. В первой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его к установлению взаимно однозначного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления
Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но меняются только цвета.
В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы, направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, и направляет свет, проходящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектроскопии, привела Ньютона к понятию однородного света:
«Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях».
Тем самым с предельной очевидностью было экспериментально подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не сами по себе; лучам свойственна определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета. Следуя многовековой традиции Ньютон насчитывает семь цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), не считая белого и черного.
После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов в равной серии изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся в учебниках физики. Сюда относится, например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон не дал более точного объяснения, или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы.
Все эти свойства открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать новое, более полное объяснение радуги истолковать цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света.
В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей, описывается теория основополагающих опытов, проведенных с исключительным и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то же время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него, все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т.е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное последовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец радужной окраски.
Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но и монохроматическом. Качественно явление носило такой же характер, но в то время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец, в монохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явление представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматривать через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно друг друга.
Многочисленные опыты с этим явлением и точные измерения позволили
Ньютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по настоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца – втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемости света, т.е. радиусы колец одного и того же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах слоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются, если пространство между обеими линзами заполняется водой.
Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому
Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма «пористой», т.е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?
«Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкому отражению».
Определив «приступы» отражения или преломления как периодическое возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляется:
«Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время своего пути».
Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи ему с самого момента его излучения или же они являются приобретенным свойством, т.е. приобретаются в момент прохождения света через тела?
Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительность своей позиции, но настаивал на том, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это просто констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет, правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могут представить себе, что, так же как камни падая в воду, вызывают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускулы, ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания, распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их; эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого отражения.
Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать:
«Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях».
Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой механики, может быть лучше понятно и точнее оценено.

РАБОТЫ ГЮЙГЕНСА. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА.

Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику» оказали большое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма».
Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.
Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматривается прямолинейное распространение света, во второй отражение, в третьей – преломление, в четвертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз.
Работа начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона.
Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, не возмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточно вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т.е. от тел, находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, т.е. разъединять их части, «что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной философии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распространение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит
Гюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу:
«Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества».
Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установив параллель между звуком и светом, Гюйгенс замечает, что этой средой не может служить воздух, поскольку опыты с пневматической машиной показали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, и постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет никаких свойств тяжести, но очень жесткая и упругая.
Как видно, Декарт нашел достойного последователя!
Приняв существование такого вещества, Гюйгенс рассматривает механизм распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка пламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом, это движение распространяется от частицы к частице через посредство вторичных сферических волн, подобно тому, как распространяется пожар.
Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразное движение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способно распространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас от звезд. На это Гюйгенс отвечает:
«Но это число перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих правда, из различных точек святящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой».
Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавшей бессмертным имя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, какой можно увидеть чуть ли не в каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании исчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона.
Лейбниц сразу понял значение концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1964 года:
«Безусловно, господин Гук никогда бы не пришел к объяснению законов преломления с помощью построенной им картины волновых движений. Вся суть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как излучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательными волнами»
К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света.
Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствием распространяющиеся там элементарные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными, и делает вывод:
«В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии».
Однако это утверждение остается голословным, так что его можно с равным правом принять или отвергнуть.
Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света
Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения – явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, нагромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в боле плотной среде.