Стрэтт Дж.В. (лорд Рэлей). Волновая теория света.
(Волновая оптика). Пер. с англ. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

"Волновая теория света" Джон-Вильяма Стрэтта, лорда Рэлея (правильнее – Рейли), написана им, как статья для 9-го издания "Encyclopaedia Bfitannica" в 1888 году. Мастер глубокого и тонкого анализа сложнейших физических явлений, Рэлей в этой работе дает в очень сжатой и вместе с тем удивительно изящной форме сводку основных достижений физической оптики к этому времени.

"Волновая теория света" – настоящее классическое произведение в физике. Несмотря на свой солидный возраст, эта книга – одна из немногочисленных сравнительно объемистых работ Рэлея – имеет исключительный интерес для современных физиков, которые найдут в ней богатый источник ценных сведений и глубоких обобщений.

Книга Рэлея не похожа ни на какой другой курс оптики. Изложение Рэлея всегда оригинально. Он умеет выделить основное физическое зерно в запутанной совокупности фактов и изложить с предельной ясностью существо сложной теории. Его выводы настолько глубоки и просты, что иногда кажутся парадоксальными: физическое явление неожиданно предстает перед читателем в многообразных своих связях с другими явлениями, из частного факта вырастает далеко идущий общий закон.

Рэлей никогда не отрывает теорию от эксперимента. Всюду, где это только возможно, он ссылается на опыт и предлагает читателю самому произвести простые и остроумные эксперименты, прямо ведущие к цели.

Многое из того, что изложено в книге Рэлея, объяснено или открыто им самим; многие привычные нам понятия оптики введены им. Можно указать на его исследования по рассеянию света малыми частицами, на то его фундаментальное открытие, что цвет неба может быть объяснен молекулярным рассеянием света. Общее понятие о групповой и фазовой скорости дано Рэлеем. Им же введено понятие разрешающей силы спектральных аппаратов, произведшее переворот в этой области оптики, и т.д.

Немногие места книги, связанные, главным образом, с природой световых волн, устарели. Однако отжившие "упругие теории эфира", в особенности в мастерском изложении Рэлея, имеют еще большой интерес для современного читателя, который легко перейдет от них к привычным представлениям электромагнитной теории света.

Книга не является учебником; ее чтение требует серьезной математической и физической подготовки. Наиболее близким к ней по характеру учебником физической оптики является "Введение в теоретическую оптику" Шустера, к которой можно обращаться для справок по наиболее трудным или устаревшим местам книги. Рэлей часто ссылается на статью "Оптика", написанную им также для "Encyclopaedia Britannica"; эта статья находится в его "Собрании сочинений", т.II ("Scientific Papers").

В примечаниях оставлен богатый список литературы, даваемый Рэлеем по каждому вопросу и представляющий собой ценный материал для истории физики.

В 1900 году Рэлей сделал некоторые дополнения к статье для 10-го издания. Эти дополнения включены в текст в квадратных скобках, подобно тому, как это сделано в "Собрании сочинений" (т.III).

В 1910 году Рэлей более основательно переработал статью для 11-го издания "Encyclopaedia Britannica", разбив ее на три отдельные статьи: "Интерференция света", "Диффракция света" и "Небо".

Многочисленные сделанные им при этом дополнения, не вошедшие в "Собрание сочинений" помещены как "Дополнения" в конце книги и ссылки на них даны в тексте в квадратных скобках.

Кроме того, добавлены три известные статьи Рэлея, посвященные вопросу о групповой и фазовой скорости света, не освещенному в основном тексте.

Перевод "Волновой теории света" предпринят по предложению акад. Мандельштама, проявившего неустанное внимание к работе по подготовке рукописи к печати.

Введение

В статье "Свет" (Enc. Brit,, том XIV, изд.1888 г.) уже был дан в элементарной форме общий очерк основ волновой теории, а в статье "Эфир" мастерски изложены доводы в пользу существования всепроникающей среды, различные части которой могут находиться в периодически изменяющихся состояниях. Предмет этот, однако, столь важен и столь тесно связан с новыми оптическими, исследованиями и открытиями, что более подробному изложению теории с приложениями к основным явлениям посвящается отдельная статья. Что этот предмет труден, – ясно с первого взгляда. Даже в теории звука, распространяющегося посредством колебаний воздуха – среды, с природой и свойствами которой мы хорошо знакомы, – не очень легко освоиться с основными концепциями, а их развитие предъявляет серьезные требования к нашим математическим средствам. Легко понять, что положение не улучшается в том случае, когда среда является гипотетической. Действительно, хотя существуют чрезвычайно убедительные доказательства в пользу предположения, что свет распространяется посредством колебаний, мы находимся, однако, почти в полном неведении в вопросе о том, что именно колеблется и каков характер этих колебаний. Это незнание сообщает оттенок некоторой неопределенности даже тем частям предмета, трактовка которых не изменилась бы существенно от приобретения более точных знаний, например, теории цветов тонких пластинок и теории разрешающей силы оптических инструментов. В других же вопросах, например, при объяснении законов двойного преломления и интенсивности света, отраженного от поверхности прозрачной среды, неопределенность имеет не только терминологический характер; если мы желаем априорным путем притти к определенным результатам, то мы должны ввести недостаточно обоснованные гипотезы. Следует отчетливо усвоить указанное здесь различие. Многие оптические явления необходимо должны согласоваться с любой волновой теорией; другие же явления могут быть или не быть в согласии с той или иной частной формой теории. В последнем случае мы можем считать эту специальную форму опровергнутой опытом, тогда как волновая теория в собственном, более широком смысле слова остается непоколебленной.

Наиболее известной из таких специальных форм волновой теории является та, которая отождествляет свет с поперечными колебаниями упругого твердого тела. Поперечность их необходима для объяснения явлений поляризации. Эта теория оказывает большую помощь воображению и позволяет вывести результаты, имеющие во всяком случае механический смысл. Изотропное твердое тело обладает, вообще говоря, двумя упругими свойствами – одним, связанным с восстановлением измененного объема, и другим, связанным с возвращением из состояния сдвига, при котором слои вынуждены скользить друг по другу. Как показал Грин, необходимо предположить, что светоносная среда несжимаема, так что единственно допустимыми различиями между изотропными средами являются различия в упругости и плотности. На первых порах мы свободны в выборе между этими свойствами. Более медленное распространение света в стекле, чем в воздухе, можно одинаково хорошо объяснить, как предположив, что упругость в обоих случаях одна и та же, тогда как плотность в стекле больше, так и предположив, что плотность в обоих случаях одна и та же, тогда как упругость в воздухе больше. В действительности пока нет никаких оснований исключать возможность и более сложного случая, при котором и упругость, и плотность изменяются при переходе от одной среды к другой, при одном лишь условии, чтобы отношение скоростей распространения было принято равным известному из опыта относительному показателю преломления двух сред.

Применяя эту теорию к исследованию интенсивности света, отраженного, например, от стеклянной поверхности, и рассеяния света весьма малыми частицами (например, в атмосфере), мы находим, что удовлетворительное согласие с опытом можно получить, лишь предположив, что упругость в разных средах одна и та же (приблизительно, во всяком случае) и что изменяется только плотность. Кроме того, мы должны принять, что колебания перпендикулярны к плоскости поляризации.

До сих пор соответствие можно считать вполне удовлетворительным; однако, когда мы распространяем исследование на кристаллические среды в надежде объяснить наблюденные законы двойного преломления, мы находим, что предположения, которые были бы здесь наиболее подходящими, несовместимы с заключениями, к которым мы уже пришли ранее. Прежде всего, строго придерживаясь аналогии с упругим твердым телом, мы можем объяснить двойное преломление лишь анизотропией упругости, а это едва ли можно совместить с гипотезой, что упругость в разных изотропных средах одна и та же. Если же мы оставим в стороне эту трудность и посмотрим, какого рода двойное преломление возможно в твердом кристаллическом теле, то не обнаружим такого совпадения с опытом, которое заставляло бы нас думать, что мы находимся на правильном пути. Теория анизотропных твердых тел с ее двадцатью одной константами упругости кажется слишком широкой для оптического двойного преломления, имеющего гораздо более простой характер.

По этим и другим причинам, в частности, вследствие громоздкости объяснения дисперсии, упругую теорию света, ценную как образец чисто динамического рассуждения и, вероятно, не лишенную математической аналогии с реальностью, в оптике можно рассматривать лишь в качестве иллюстрации.

В последнее время большим успехом пользуется теория, рассматривающая свет как электромагнитное явление. Предполагается, что диэлектрическая среда подвергается действию периодического "электрического смещения", изменения которого обладают магнитными свойствами электрического тока. Основываясь на чисто электрических наблюдениях, Максвелл вычислил скорость распространения таких возмущений и получил величину, не отличающуюся заметным образом от скорости света. Такое совпадение весьма поразительно; и дальнейший вывод из этой теории – что диэлектрическая постоянная прозрачной среды равна квадрату показателя преломления – в известной мере подтверждается опытом. Основы электромагнитной теории пока еще не вполне очищены от более или менее произвольных гипотез; однако, поскольку выясняется с несомненностью, что в диэлектрической среде возможны колебания, распространяющиеся со скоростью света, можно, не задумываясь, допустить тождество этих колебаний с теми, которыми обусловлены оптические явления. В то же время электромагнитная теория, совершенно независимо от вопроса о степени достоверности ее, весьма поучительна в том отношении, что она показывает нам, как тщательно должны мы избегать слишком большого ограничения наших представлений о природе световых колебаний.

Об авторе

Родился в 1842 г. В 1865 г. окончил с отличием Тринити-колледж, а через три года создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе. В 1871 г. вывел соотношение, известное как закон рассеяния света Рэлея. В 1879 г. и стал профессором экспериментальной физики в Кембридже и директором Кавендишской лаборатории.

За более чем пятьдесят лет своей исследовательской деятельности Дж. В.Стрэтт опубликовал свыше 400 работ по исключительно широкому кругу вопросов, в том числе по световым и звуковым волнам, электромагнетизму, теоремам механики, вибрации пластичных сред, капиллярности и термодинамике. Его ставшая классической двухтомная монография "Теория звука" вышла в свет в 1877–1878 гг. и до сих пор остается неизменным руководством для современных ученых и инженеров. В 1904 г. Дж. В.Стрэтт был награжден Нобелевской премией по физике "за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований".