Волновая оптика и ее создатели Т. Юнг и Ж. Френель

Рассматривая оптику XVIII в., мы отмечали тот факт, что хотя в этот период корпускулярная и волновая теории света сосуществовали, однако преимущество отдавалось корпускулярной теории. Несмотря на то что явления дифракции и интерференции, открытые еще в XVII в., не объяснялись на основе корпускулярных представлений, ученые XVIII в. надеялись на их объяснение на основе корпускулярной теории в будущем. Но это была тщетная надежда. XIX век стал веком торжества волновой теории света, созданной и обоснованной, главным образом, работами Томаса Юнга (1773— 1829) и Огюстена Жана Френе­ля (1788—1827).

Т. Юнг родился 13 июня 1773 г. в Милвертоне (Англия). Уже в двухлетнем возрасте он научился читать, в 4 года знал наизусть много сочинений английских поэтов. В восьмилетнем возрасте Юнг овладел токарным ремеслом, используя его в дальнейшем при конструировании различных физических приборов. Образование он получил в частном пансионе г. Комптона, где самостоятельно изучил дифференциальное исчисление и овладел французским, итальянским, древнееврейским, персидским, арабским и другими языками. К 15 годам Юнг знал в совершенстве до десяти языков и читал в подлиннике работы греческих и римских классиков.

Девизом жизни Юнга было: «Всякий человек может сделать то, что делают другие». Следуя этому правилу, Юнг даже сделался цирковым наездником. Он был прекрасным музыкантом и играл почти на всех известных в то время музыкальных инструментах, глубоко знал живопись и виднейших ее представителей. Выбирая профессию, Юнг решил остановиться на медицине, которой занимался в Лондоне, Эдинбурге, Геттингене и Кембрид­же. В 1795 г. он получил степень доктора медицины.

Огромная разносторонность Юнга проявилась в его научных работах по механике, оптике, акустике, кораблестроению, астрономии, геофизике и др. Около 60 статей написал он для «Британской энциклопедии». Причем некоторые из них ему приходилось печатать анонимно, чтобы не повредить своей репутации врача. В 1801 г. Юнг становится профессором Королевского института в Лондоне.

Первой работой Юнга было сочинение «Наблюдения над процессом зрения», написанное в 1793 г., в котором он разработал теорию аккомодации глаза. Занимаясь вопросами оптики, Юнг в 1800 г. сформулировал принцип суперпозиции волн, объяснил явление интерференции, введя в науку этот термин. В 1801 г. вышла его «Теория света и цвета», где была изложена волновая теория света. Суть ее словами Юнга можно выразить так: «Лучистый свет состоит из колебательных движений светоносного эфира». По Юнгу, все богатство цветов объяснялось колебательными движениями эфира, а их различие — различием частот ко­лебаний.

На основе принципа суперпозиции: «световые колебания распространяются в эфире от различных источников, не мешая друг другу», Юнг формулирует следующий закон: «Везде, где части одного и того же света попадают в глаз по разным направлени­ям, свет становится или более сильным, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в проме­жуточных состояниях. и эта длина различна для света различных цветов». Все это Юнг подтвердил на известном опыте, когда свет из небольшого отверстия в ставне освещал экран с двумя маленькими отверстиями, проколотыми булавкой. (Этот опыт в физике сейчас называется по имени ученого). Измеряя ширину полос, Юнг определил впервые в истории физики длину световой волны. Он доказал волновую природу и ультрафиолетовых лучей, открытых в 1802 г. Юнг считал световые волны продольными. Это положение привело к непреодолимому противоречию волновой теории с явлением поляризации, открытым в 1808 г. фран­цузским физиком Малюсом (1775—1812).

Суть этого явления состоит в том, что из естественного света, колебания в котором происходят во всевозможных направлени­ях, можно выделить свет, направления колебаний в котором каким-либо образом упорядочены. Такой свет называется поляризованным. Если колебания, например, происходят в одной плоскости, то свет называется линейно- или плоскополяризованным.

Объяснение явления поляризации требовало принять условие поперечности световых волн. В этот период в области оптики шло накопление и других экспериментальных фактов, требующих создания единой теории, объясняющей все разнообразие оптиче­ских явлений. Создателем ее явился французский инженер Огюстен Жан Френель — гений, который, по словам Дж. Гершеля, «составил честь Франции и своего века».

Френель родился 10 мая 1788 г. в Нормандии, в семье архитектора. В отличие от Юнга, он только к восьми годам научился читать. Здоровье Френеля было слабым, но среди своих сверстников он выделялся искусством конструирования бузиновых пушек и луков. В 1801 г. Френель поступил в школу г. Кана, а в 1804 г. — в Политехническую школу, где обратил на себя вни­мание своими способностями. Из Политехнической школы Френель перешел в школу мостов и дорог и закончил ее в звании инженера. Однако работа по ремонту и прокладке дорог мало интересовала Френеля, и он пытается заниматься то философией и богословием, то химией и техникой. Примерно в 1811 г., прочитав работы Био по поляризации, он заинтересовался этим явлением и начал изучать оптику.

В октябре 1815 г. он представил в Парижскую академию свою первую работу по дифракции света. В 1819 г. Его «Заметка о теории дифракции» получила первую премию академии паук. С 1823 г. Френель — член Парижской академии наук, с 1825 г. — член Лондонского Королевского общества. Однако слабое здоровье уже в 1824 г. заста­вило его отказаться от научной работы. Приятное известие о награждении медалью Румфорда застало Френеля очень больным. 14 июля 1827 г. в возрасте всего лишь тридцати девя­ти лет он умер.

Взяв за основу принцип Гюйгенса для построения фронта механических волн, Френель дополнил его принципом интерфе­ренции. Так в физике появился принцип Гюйгенса — Френеля1.

Суть принципа Гюйгенса — Френеля состоит в том, что для определения освещенности какой-либо точки экрана, надо светящуюся поверхность разбить на элементарные площадки и рассматривать их действие в данной точке экрана с учетом разности хода волн. На основе этого принципа Френель объяснил прямо­линейное распространение света, законы отражения и прелом­ления.

Здесь есть смысл рассказать об одном интересном случае, связанном с работами Френеля. В 1817 г. Парижская академия объявила конкурс на лучшее решение задачи о дифракции. Причем сама формулировка задачи была такой, что решение ее предполагалось на основе корпускулярных представлений. Фре­нель долго не решался принять участие в конкурсе, но сдался на уговоры друзей и в апреле 1818 г. представил в академию «Заметку о теории дифракции». Работа шла под девизом «Природа проста и плодотворна», написанном на конверте. Когда комиссия в составе Био, Араго, Лапласа, Гей-Люссака и Пуассо на рассматривала эту работу, то Пуассон пришел к выводу, что по предлагаемой теории в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого экрана всегда должно быть светлое пятно. Это был ошеломляющий вывод. Араго тут же поставил опыт, и предсказание подтвердилось. Так возражение Пуассона против теории Френеля превратилось с помощью Араго в одно из убедительнейших доказательств ее справедливости.

Обращаясь еще раз к эпиграфу «Природа проста и плодотворна», следует отметить его глубокий философский смысл. В своих воззрениях Френель придерживался принципа: природа создает максимум явлений при помощи минимума причин. Он писал, что «хотя очень трудно открыть основания этой замечательной экономии, но этот общий принцип философии физических наук... может направлять усилия человеческого ума».

Из своей теории Френель сделал вывод о том, что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе. Вывод Ньютона, основанный на корпускулярных представлениях, был противоположным. Физика вскоре подтвердила правильность вывода Френеля.

Одна из главных трудностей, которая встала перед волновой теорией Френеля, состояла в объяснении ею явления поляризации. Еще в 1816 г. он писал, что волновая теория пока что не дала объяснения явлению поляризации, что для такого объясне­ния она должна быть видоизменена; это видоизменение состоит в принятии предположения о поперечности световых волн. Придя к этому выводу в 1816 г., Френель не торопился его опубликовать, предвидя громадные трудности согласования его с механикой упругих сред. И только после тщательных совместных экспериментов с Араго Френель полностью принимает идею поперечности световых волн и на ее основе создает свою теорию поляриза­ции и двойного лучепреломления.

Объяснив все существующие к тому времени экспериментальные факты в оптике, волновая теория Френеля поставила перед физикой новую проблему: каким образом эфир, не сопротивляющийся движению небесных тел, упруго сопротивляется, как твердые тела, деформации сдвига. Ведь только в среде, упругой по отношению к сдвигу, могут распространяться поперечные волны. Полное решение эта проблема получила лишь в конце XIX—начале XX