Wave teoria luminii

Wave teoria luminii

Să ne amintim de ce am oprit descrierea fenomenelor optice. Scopul nostru a fost să introducem o altă teorie a luminii, diferită de cea corpusculară, dar și să încercăm să explicăm același domeniu al faptelor. Pentru a face acest lucru, a trebuit să ne întrerupem povestea și să introducem conceptul de valuri. Acum ne putem întoarce la subiectul nostru. Prima persoană care a prezentat o nouă teorie a luminii a fost contemporanul lui Newton, Huygens. În tratatul său despre lumină, el a scris:







"Dacă, în plus, lumina folosește trecerea timpului - ceea ce vom verifica acum - atunci rezultă că această mișcare, comunicată materiei înconjurătoare, urmează una după alta în timp; prin urmare, ca sunet, se răspândește prin suprafețe sferice și valuri; Eu îi spun valuri prin similitudinea pe care o au cu valurile formate pe apă atunci când o piatră este aruncată în ea și reprezintă cercuri care se extind succesiv, deși apar dintr-o altă cauză și sunt doar pe o suprafață plană ".

Potrivit Huygens, lumina este un val, transferul de energie, mai degrabă decât substanță. Am văzut că teoria corpusculară explică multe dintre faptele observate. Este teoria valurilor capabilă să facă asta? Trebuie să ridicăm din nou acele întrebări la care sa răspuns deja cu ajutorul teoriei corpusulare, pentru a vedea dacă teoria undelor le poate răspunde cu același succes. Vom face acest lucru sub forma unui dialog între H și D, unde H este conlocuitorul convins de valabilitatea teoriei corpusulare a lui Newton, iar G este interlocutorul convins de valabilitatea teoriei lui Huygens. Nici nu li se permite să aplice argumentele primite după ce au fost finalizate lucrările celor doi maeștri mari.

H: În teoria corpusculară, viteza luminii are un înțeles complet clar. Aceasta este viteza cu care corpuscul se deplasează în spațiu gol. Ce înseamnă în teoria undelor?

G: Desigur, înseamnă viteza unui val de lumină. Toată lumea știe că valul se propagă cu o anumită viteză, și același lucru trebuie să fie cu valurile de lumină.

N: Nu este la fel de ușor cum sună. Undele sonore se propagă în aer, în valuri de mare - în apă. Fiecare val trebuie să aibă un mediu material în care se propagă. Dar lumina trece prin vid, în timp ce sunetul nu trece. A presupune un val în spațiu gol înseamnă, de fapt, să nu presupunem nici un val.

G: Da, aceasta este o dificultate, deși nu este nouă pentru mine. Profesorul meu a studiat-o foarte atent și a decis că singura cale de ieșire este să presupună existența unei substanțe ipotetice, eter. transmițând un mediu care umple întregul univers. Universul, ca să spunem așa, este scufundat în eter. Dacă avem curajul de a introduce acest concept, atunci totul devine clar.

N: Dar mă opun acestei ipoteze. În primul rând, introduce o nouă substanță ipotetică și deja avem prea multe substanțe în fizică. Există și un alt motiv împotriva acesteia. Nu te îndoiești că trebuie să explicăm totul, rămânând în mecanică. Și eterul? Puteți răspunde la întrebarea simplă despre modul în care eterul este construit din particulele sale elementare și cum apare acesta în alte fenomene?

G: Prima obiecție, desigur, este corectă. Dar, introducând un eter artificial fără greutate, scapăm imediat de mult mai multe corpusculi de lumină artificială. Avem doar o substanță "misterioasă" în loc de un număr infinit de ele, ceea ce corespunde unui număr imens de culori din spectru. Nu credeți că acest lucru este un progres real? Cel puțin, toate dificultățile sunt concentrate într-un singur punct. Nu avem nevoie de nici o presupunere artificială că particulele care aparțin unor culori diferite se mișcă cu aceeași viteză în spațiu gol.

A doua obiecție este, de asemenea, adevărată. Nu putem da explicații mecanice despre eter. Dar nu există nici o îndoială că studiul ulterior al fenomenelor optice și, probabil, al altor fenomene va dezvălui structura sa. În prezent, ar trebui să așteptăm noi experimente și concluzii, dar sper că în cele din urmă vom putea rezolva problema structurii mecanice a eterului.

N: Să lăsăm această întrebare pentru o vreme, deoarece nu poate fi rezolvată acum. Aș dori să văd cum teoria ta, chiar dacă am scăpa de dificultăți, explică acele fenomene care sunt atât de clare și de înțeles în teoria corpusculară. Să luăm, de exemplu, faptul că razele de lumină trec în vid sau în aer pe linii drepte. O bucată de hârtie așezată în fața unei lumanări creează o umbră clară și delimitată pe perete. Shadow-urile umbrite nu ar fi posibile dacă teoria valurilor ar fi corectă, pentru că valurile ar merge în jurul marginilor hârtiei și, astfel, ar fărâmița umbra. O navă mică nu este un obstacol în calea undelor maritime, după cum știți; ei doar merg în jurul ei, nu arunca o umbră.

G: Acesta este un argument neconvingător. Luați undele scurte de pe râu, lovind marginea unei nave mari. Valurile care apar pe o parte a navei nu vor fi vizibile pe cealaltă parte. Dacă valurile sunt destul de mici și nava este destul de mare, apare o umbra foarte clară. Este foarte posibil ca lumina să pară să treacă prin linii drepte numai pentru că lungimea de undă este foarte mică în comparație cu mărimea obstacolelor obișnuite și a găurilor utilizate în experimente. Este posibil ca, dacă am putea crea obstacole suficient de mici, nu ar fi nici o umbră. Ne putem întâlni cu mari dificultăți experimentale în proiectarea dispozitivelor care ar putea arăta dacă lumina poate sări peste obstacole. Cu toate acestea, dacă un astfel de experiment ar putea fi realizat, ar fi decisiv în lupta dintre teoriile valurilor și corpusculă ale luminii.

H: Teoria undelor poate duce la noi fapte în viitor, dar nu cunosc niciun fel de date confirmând în mod convingător. Deși nu a fost dovedită experimental cu certitudine că lumina poate bloca obstacole, nu văd nici un motiv să abandonez teoria corpusculară, care mi se pare mai simplă și deci mai bună decât teoria undelor.

În acest sens, putem întrerupe dialogul, deși subiectul nu este în nici un caz epuizat.

Rămâne să arătăm cum teoria undelor explică refracția luminii și varietatea de culori. După cum știm, teoria corpusculară este capabilă să ofere o astfel de explicație. Vom începe cu refracția, dar mai întâi va fi util să luăm în considerare un exemplu care nu are nimic de-a face cu optica.







Lăsați doi oameni să meargă de-a lungul spațiului larg deschis, ținând o tijă solidă între ele. La început merg direct, ambele cu aceeași viteză. În timp ce viteza lor este aceeași, ele sunt mari sau mici - nu contează, tija va face o mișcare paralelă, adică nu va roti sau nu va schimba direcția. Toate pozițiile succesive ale tijei sunt paralele una cu cealaltă. Dar să ne imaginăm acum că pentru un timp foarte scurt, poate egal cu fracțiunile unei secunde, mișcările celor două persoane au devenit inegale. Ce se va întâmpla? Este clar că în acest timp tija se va roti astfel încât să nu se mai miște în paralel cu poziția inițială. Când mișcarea cu viteze egale se reia, va avea o direcție diferită față de cea originală (Figura 43.) Schimbarea direcției apare în intervalul de timp în care viteza ambilor pietoni era diferită.

Wave teoria luminii

Acest exemplu ne va permite să înțelegem refracția unui val. Planul undei care se mișcă în eter atinge suprafața sticlei. În Fig. 44 vedem un val cu o față relativ largă, care se mișcă înainte. Partea din față a valului este un plan în care, în orice moment, toate părțile eterului sunt în aceeași stare. Deoarece viteza depinde de mediul prin care trece lumina la un anumit moment, viteza din sticlă va diferi de viteza din spațiul gol. Pentru o perioadă scurtă de timp, pentru care frontul valului intră în sticlă, diferite părți ale frontului undei vor avea viteze diferite. Este clar că acele părți care au ajuns deja la geam se vor deplasa la viteza luminii din sticlă, în timp ce celelalte părți se mișcă încă la viteza luminii din eter. Datorită acestei diferențe de viteze de-a lungul frontului undei existente în timpul perioadei de "imersiune" în sticlă, direcția valului în sine se va schimba.

Wave teoria luminii

Deci, vedem că nu numai teoria undelor corporale, ci și a valurilor duce la o explicație a refracției. Mai multă atenție și o anumită aplicare a matematicii arată că explicația teoriei undelor este mai simplă și mai bună și că consecințele ei sunt în deplină concordanță cu observația. De fapt, metodele cantitative de analiză ne permit să derivăm viteza luminii într-un mediu de refracție dacă știm cum este refractat fasciculul când acesta intră în el. Măsurătorile directe confirmă cu strălucire aceste predicții și, prin urmare, și teoria undelor luminoase.

Rămâne întrebarea de culoare.

Trebuie să ne amintim că valul este caracterizat de două numere - viteza și lungimea de undă. Următoarea afirmație a teoriei undelor de lumină este foarte importantă: valuri de diferite lungimi corespund diferitelor culori. Lungimea de undă a luminii omogene galbene este diferită de lungimea de undă a culorii albastru sau violet. În loc de separare artificială a corpusculilor legate de culori diferite, avem o diferență firească în lungimea de undă.

Rezultă că experimentele lui Newton privind dispersia luminii pot fi descrise în două limbi diferite - limbajul teoriei corpusulare și limbajul teoriei undelor. De exemplu:

Corpuscul aparținând unor culori diferite are aceeași viteză în vid, dar viteze diferite în sticlă.

Lumina albă este o colecție de corpuscuri legate de culori diferite, în timp ce în spectre acestea sunt separate.

Raze de diferite lungimi de undă, legate de culori diferite, au aceeași viteză în eter, dar viteze diferite în sticlă.

Lumina albă este o colecție de valuri de toate lungimile, în timp ce în spectru ele sunt separate.

Cred că ar fi înțelept pentru a evita ambiguitatea derivată din existența a două teorii diferite ale aceleași fenomene, de a decide în favoarea uneia dintre ele, după o analiză atentă a avantajelor și dezavantajelor fiecărui. Dialogul dintre N și G arată că aceasta nu este o sarcină ușoară. Decizia din acest punct de vedere, ar fi mai mult o chestiune de gust decât o chestiune de convingeri științifice. La vremea lui Newton și 100 de ani mai târziu, majoritatea fizicienilor au preferat teoria corpusculară.

Istoria a făcut verdictul în favoarea teoriei undelor și împotriva teoriei corpusulare mult mai târziu, la mijlocul secolului al XIX-lea. În conversația sa cu G, el a declarat că, în principiu, a fost posibil să se rezolve experimental disputa dintre cele două teorii. Teoria corpusculară nu permite ca lumina să înfrunte obstacolele și necesită umbre clare. Potrivit teoriei undelor, obstacolele destul de mici nu vor arunca nici o umbra. În lucrările lui Jung și Fresnel acest rezultat a fost obținut experimental; Concluzii teoretice au fost, de asemenea, trase acolo.

Am discutat deja experimentul foarte simplu, în care un ecran cu o gaură a fost plasat în fața unei surse de lumină punctiformă, o umbră este aruncat pe perete. În viitor, vom simplifica experimentul, ceea ce sugerează că sursa emite lumină omogenă. Pentru rezultate optime, sursa de lumină trebuie să fie puternică. Imaginați-vă că gaura de pe ecran devine din ce în ce mai mică. Dacă vom obține o sursă puternică, și suntem capabili de a face o gaura destul de mic, vom găsi fenomen nou și surprinzător, nu este clar în ceea ce privește teoria corpusculară. Nu există o distincție mai clară între lumină și întuneric. Lumina se estompează treptat, trecând în fundalul întunecat printr-o serie de inele luminoase și întunecate. Apariția inelelor este foarte caracteristică teoriei undelor. Explicarea luminii alternantă și benzi întunecate vor fi clare în cazul unui sistem experimental oarecum diferit. Să presupunem că avem o foaie de hârtie neagră cu două găuri de pin, prin care trece lumina. Dacă orificiile sunt foarte apropiate unul de altul și sunt foarte mici, iar în cazul în care o lumină uniformă este suficient de puternic, atunci peretele va fi o mulțime de benzi de lumină și întuneric, slăbind treptat și transformându-se într-un fundal întunecat. Explicația este foarte simplă. Banda întunecată apare în cazul în care adânciturile val dintr-o gaură se întâlnește cu creasta valului de cealaltă, astfel încât ambele să fie plătit. O bară de lumină - în cazul în care există două jgheaburi sau două coame ale undelor din cele două găuri, și se susțin reciproc. Complicată explicațiile inele întunecate și luminoase în exemplul anterior, în care am folosit un ecran cu o gaura, dar este în mod fundamental aceleași. Este aspectul de benzi întunecate și luminoase atunci când lumina trece prin două fante, și inele întunecate și luminoase atunci când trec găurile ar trebui să fie păstrate în minte, pentru că mai târziu vom reveni la o discuție a celor două imagini diferite. Experimentele descrise aici arată lumina difracție - abaterea de la propagarea rectilinie a luminii atunci când calea undelor luminoase situate mici orificii sau obstacole (Figura 45-47.).

Wave teoria luminii

Fig. 45. La partea de sus vedem o imagine de spoturi luminoase după două grinzi au trecut prin două găuri mici, unul după altul (primul se deschide fanta, apoi a fost închis și celălalt deschis.) În partea de jos vom vedea trupa, care rezultă din faptul că fasciculul este trecut prin cele două găuri mici, în același timp (foto V. Arkadieva)

Wave teoria luminii

Fig. 46. ​​Difracția luminii ca urmare a unui obstacol foarte mic îndoit în jurul fasciculului (foto de V. Arkad'eva)

Wave teoria luminii

Fig. 47. Difracția luminii ca urmare a trecerii unei raze printr-o deschizătură foarte mică (foto de V. Arkadiev)

Cu ajutorul matematicii suntem capabili să mergem mult mai departe. Este posibil să se stabilească cât de mare sau mai degrabă cât de mică ar trebui să fie lungimea de undă, pentru a crea un model de difracție. Astfel, experimentele descrise ne permit să determinăm lungimea de undă a luminii omogene. Pentru a da o idee despre cât de mici sunt aceste cantități, vom indica lungimile de undă ale radiațiilor extreme ale spectrului solar vizibil, adică lungimile de undă ale radiațiilor roșii și violete. Lungimea de undă a luminii roșii este 0.00008 cm. Lungimea de undă a luminii violete este 0.00004 cm.

Nu trebuie să fim surprinși de faptul că aceste cantități sunt foarte mici. O umbră precis delimitată, adică un fenomen de propagare a luminii rectilinii, este observată în natură numai pentru că găurile și obstacolele întâlnite în mod obișnuit sunt extrem de mari în comparație cu lungimea de undă a luminii. Natura ei de undă este detectată numai atunci când sunt utilizate găuri și obstacole foarte mici.

Dar istoria căutării teoriei luminii nu este în nici un caz finalizată. Verdictul secolului al XIX-lea nu a fost definitiv și definitiv. Pentru fizicienii moderni întreaga problemă de alegere între corpuscul și valurile există din nou, acum într-o formă mult mai profundă și mai complexă. Să acceptăm înfrângerea teoriei corpusulare a luminii până când vom constata că natura victoriei teoriei valurilor este problematică.

Distribuiți această pagină







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: