§ 67. Краткие сведения из истории оптики

Ответ на вопрос о природе световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом, как обычно бывает при развитии наших научных воззрений, представление о природе света менялось по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления о природе света развивались еще в XVII веке X. Гюйгенсом и поддерживались на протяжении XVIII века Л. Эйлером, М.В. Ломоносовым и В. Франклином. Однако в течение всего этого периода наиболее обоснованными оставались корпускулярные представления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся потоку быстро летящих частичек (И. Ньютон). Лишь в начале XIX века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надежно обоснована волновая природа света (см. гл. XIII и XIV). При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сходным до известной степени с волнами, обуславливающими акустические явления. Однако две важные особенности отличают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство, откуда удален воздух или другая среда, тогда как звук в вакууме распространяться не может (см. § 33). Распространение света в вакууме можно наблюдать в электрических лампочках накаливания, из баллона которых откачан воздух. Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звезд, отделенных от нас огромными пространствами, содержащими в единице объема еще меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы.

По современным данным в межзвездном пространстве приходится в среднем около одного атома на , тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее  атомов или молекул в .

Во-вторых, отличительной особенностью световых  волн по сравнению с волнами звуковыми является огромная скорость их распространения. Астрономические наблюдения над затмениями спутников Юпитера, выполненные Рёмером (см. § 157), показали, что скорость распространения света в мировом пространстве близка к . Такова же практически и скорость света в воздухе, где звук распространяется со скоростью, примерно в миллион раз меньшей.

Огромная скорость распространения света выделяла оптические явления из всех других, известных в первой четверти XIX века. Примерно полвека спустя Дж. Максвелл установил, исходя из теоретических соображений, что с такой именно скоростью должно распространяться всякое электромагнитное возмущение. Через некоторое время Г. Герц на опыте осуществил электромагнитные волны, скорость распространения которых действительно оказалась равной скорости распространения света.

Дальнейшими исследованиями и в первую очередь опытами П. Н. Лебедева, получившего самые короткие потому времени электромагнитные волны , было установлено, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами волн световых. Все эти важные факты привели к мысли, что световые волны представляют собой электромагнитные волны, отличающиеся от волн, обычно применяемых в радиотехнике, своей очень малой длиной (меньше микрометра) (см. §58).

Электромагнитной природой световых волн объясняется испускание электронов освещенными металлами, т. е. так называемый фотоэлектрический эффект, о котором мы упоминали в томе II, § 9 и с которым подробнее познакомимся в гл. ХХI. Существует и ряд других явлений, обнаруживающих связь между светом и электромагнитными процессами. Опираясь на всю совокупность экспериментальных и теоретических данных, мы можем считать установленным, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Светящиеся тела (например, Солнце) испускают электромагнитные (первичные) волны. Попадая на какое-нибудь тело, такая первичная волна вызывает вынужденные колебания его электронов, которые становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Все многообразие световых явлений, все видимые нами окраски и очертания предметов представляют собой суперпозицию (наложение) первичных и вторичных волн. Как уже указывалось раньше, многие черты волновых явлений оказываются сходными для волновых процессов самой разнообразной природы. Поэтому и в дальнейшем, знакомясь с основными законами и понятиями оптики, мы воспользуемся сведениями о волнах, изложенными в гл. IV, V и VI. Накопление новых экспериментальных данных привело в XX веке к заключению, что свет наряду с волновыми обладает и корпускулярными свойствами (кванты света или фотоны, § ]84). В настоящее время квантовая теория объединяет волновые и корпускулярные представления о свете в единое целое, так же как она объединяет волновые и корпускулярные представления об электронах, атомах и других частицах (см. §210).