3. Свет – электромагнитная волна

Открытие Ньютона

С начала XIX в. известно, что свет является волной, даже если до открытия Максвелла люди не знали, какова природа этой волны. И действительно, некоторые опыты, проведенные со светом, позволяли предположить, что мы имеем дело с волной. Чтобы лучше это понять, заглянем в прошлое и проследим за тем, как происходило постепенное понимание природы света.

В 1600 г. считалось, что свет состоит из маленьких «шариков», которые перемещаются с огромной скоростью. В XVII в. Ньютон проделал несколько весьма любопытных опытов: он пропускал белый свет (например, пламени) через обычный кусок стекла, выточенный в форме призмы (➙ рис. 19.3). На выходе из призмы свет не только отклонялся, но переставал быть белым, и на экране распадался на все цвета радуги.

Из этого Ньютон сделал вывод, что белый свет состоит из «шариков» разных цветов, которые, смешиваясь, образуют белый. В стеклянной призме красные шарики отклонялись меньше, чем синие, что вызывало видимое рассеивание цветов.

При установке второй призмы на пути одного из цветных лучей феномен не повторялся: красный цвет не рассеивался на множество других цветов, а попросту отклонялся, не распадаясь на разноцветные лучи.

Волновые свойства света в этих опытах не проявлялись. Только в начале XIX в., в частности благодаря опытам Юнга, была определена истинная природа света.

Рис. 19.3 – Дисперсия света, прошедшего через призму

Дифракция света

Опыт

В следующих опытах использован не белый луч, а один из цветных лучей, полученных Ньютоном, – допустим, красный.

Сначала направим луч на экран, в котором проделано большое отверстие. Предположим, что свет исходит из точечного излучателя во всех направлениях. Разумеется, он может пройти только через отверстие: с другой стороны экрана мы наблюдаем пучок света, размер которого пропорционален размеру отверстия. Чем больше отверстие, тем шире пучок (➙ рис. 19.4.а и рис. 19.4.b). Это само собой разумеется…

А теперь уменьшим отверстие настолько, что оно станет еле заметным. Вместо тоненького луча на выходе мы видим, что пучок света стал шире, как будто выходит из другого источника (➙ рис. 19.4.с). Начиная с определенной величины отверстия, чем больше мы его уменьшаем, тем шире становится пучок света. Это явление называется дифракцией.

Рис. 19.4 – Явление дифракции

(a) и (b) – мы уменьшили ширину отверстия, что уменьшило сноп света, выходившего из него. (с) – мы сузили отверстие еще сильнее, однако свет на выходе становится шире: таково явление дифракции.

Аналогия с волнами на поверхности воды

Этот опыт трудно объяснить, если мы будем считать свет совокупностью маленьких шариков. И будет логичнее, если мы представим свет как волну.

Чтобы это понять, проведем аналогию с волной на поверхности воды, которая появляется, когда мы кидаем в озеро камень: концентрические волны расходятся во все стороны от того места, куда упал камень.

Предположим, что эти волны достигли берега озера, в котором есть небольшая протока в другой водоем. Мы видим, что созданные волны устремляются туда и образуют новые волны в водоеме. Эти новые волны образуют круги, которые как будто бы исходят от протоки, а не от того места, куда мы бросили камень (➙ рис. 19.5). То есть протока ведет себя как новый источник волн, распространяющий их во всех направлениях.

Такое поведение можно легко понять: любой бугор на поверхности воды стремится рассосаться, заполнив окружающие впадины. Во время распространения волны это движение направлено вперед, но не в стороны, где тоже есть бугры. Но после выхода из протоки боковых бугров уже нет, потому что их остановили края берега, а бугор, прошедший через протоку, стремится сгладиться, распространяясь во все стороны. Поэтому на выходе из протоки снова образуются концентрические круги.

Рис. 19.5 – Волны на поверхности воды, проходящей через отверстие

Черным цветом показан низкий уровень воды, белым цветом – высокий. Волны движутся в направлении отверстия. Проход позволяет пройти лишь малому потоку: справа от прохода гребень волны встречается с более низким уровнем воды, расходящимся во всех направлениях. То есть волна может распространяться всюду – вверх и вниз по рисунку. В итоге пучок волн расширяется.

Наблюдения за светом дали очень похожие результаты: они показывают, что свет также является волной, даже если его природа явно другая. В случае с водой колеблется уровень воды, и это колебание распространяется. В случае со светом тоже что-то колеблется и распространяется, но что? До начала XIX в. люди этого не знали.

Интерференция света

Опыт с отверстиями Юнга

В продолжение предыдущего представим еще один опыт, результаты которого не менее впечатляющие. Снова возьмем точечный излучатель, испускающий красный свет. Но вместо одного отверстия в экране проделаем два недалеко друг от друга (➙ рис. 19.6). Каждое маленькое отверстие ведет себя как источник света, из которого позади экрана выходит новый световой пучок, который не является продолжением первого.

Рассмотрим результат прохождения света на стене, расположенной позади: стена освещена не равномерно, а содержит светлые и темные зоны. Это явление называется интерференцией. Понять его можно, только если мы имеем дело с волной.

Рис. 19.6 позволяет понять, что произошло: круги изображают «световые волны» (природа которых до сих пор не известна), по аналогии с тем, что происходит на поверхности воды.

Мы видим, что, пересекаясь друг с другом, волны, проходящие через два отверстия, создают зоны, где колебаний больше нет: в зоне В уже нет чередований темных и светлых кругов, в отличие от зоны А. Каждое мгновение волны, исходящие из обоих отверстий, «нейтрализуются» в зоне В. На стене эти зоны, где нет колебаний, выглядят как неосвещенные участки. В остальных местах есть очень быстрое чередование светлых и темных кругов по мере распространения волны. Зоны, в которых есть такое колебание, выглядят светлыми (точка А).

Мы могли бы проделать такой же опыт с волнами на поверхности воды. Сделаем два отверстия, ведущие во второй водоем, через которые могут проходить волны. Пересекаясь между собой, эти волны создают ту же геометрию, что и на рис. 19.6: в зоне А уровень воды поднимается и опускается по мере прохождения волны. Но в В уровень не меняется: на самом деле в определенный момент гребень верхней волны накладывается на впадину нижней, что в итоге гасит колебание. В следующее мгновение впадина верхней волны накладывается на гребень нижней, и снова колебание гасится. В этой точке нет никаких колебаний: для света это соответствует темной зоне.

Рис. 19.6 – Интерференция света через отверстия Юнга

Разоблаченный свет

Таким образом, с начала XIX в. нам известно, что свет является волной, но по-прежнему неизвестно, какова природа этой волны: что именно колеблется? Ответ на этот вопрос дал Максвелл: он определил, что электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 км/с в вакууме (или в воздухе), как сказано в параграфе 2 «Электромагнитные волны». Так, значит, мы можем измерить скорость света: она составляет именно 300 000 км/с! Какое прекрасное совпадение: очевидно, что свет является электромагнитной волной. Иначе говоря, свет является распространением колебаний электрического поля, которое сопровождается колебаниями магнитного поля. На рис. 19.6 светлые и темные круги представляют собой, соответственно, положительные и отрицательные электрические и магнитные поля.

Таким образом, в основе света лежат заряды, потому что именно они создают электрическое и магнитное поле: электромагнитная сила присутствует решительно всюду. Это открывает новый раздел физики – оптику.

ДИФРАКЦИОННАЯ КАРТИНА

Свет, проходящий через отверстие, подвержен дифракции: по ту сторону отверстия он распространяется во все стороны, а не определенно направленным пучком. Мы могли бы представить, что свет освещает стену в глубине равномерно, но это не так, и мы сейчас объясним почему.

Чтобы это понять, необходимо вспомнить явление интерференции: когда есть два отверстия, на стене появляются темная и светлая зоны – результат наложения двух волн. Этот эффект сохраняется, даже если мы расположим отверстия рядом: все равно две волны будут накладываться друг на друга.

Теперь представим одно-единственное отверстие вдвое шире, которое мы мысленно поделим на две половины: левую и правую. У нас получаются те же два отверстия, но без перегородки между ними. Часть волны, проходящая через левую половину, будет распространяться во все стороны; то же самое касается правой половины. Таким образом, мы легко можем представить, что речь идет о двух волнах, которые проходят по двум разным частям отверстия и накладываются друг на друга. В итоге появляются зоны интерференции, которые являются результатом этого наложения.

Именно это мы и наблюдаем: простая дифракция через отверстие приводит не только к расширению пучка света, но и к интерференции. Это называется дифракционной картиной, но мы видим, что речь идет о том же физическом явлении, что и в картине интерференции при двух отверстиях.