Свет как волна

Через сто лет после Ньютона Томас Юнг тоже просверлил небольшое отверстие в оконных ставнях; закрыл его куском плотной бумаги, предварительно проткнув ее тонкой иглой. В 1803 г. он писал:

«Я поставил на пути солнечного луча узкую полоску карты шириной в одну тридцатую дюйма и наблюдал тень от нее либо на стене, либо на других картах, расположенных на разных расстояниях. Помимо цветовых каемок, появившихся по обе стороны от тени, я наблюдал, что сама тень разделилась на несколько таких же каемок меньших размеров, число которых зависело от расстояния до тени, причем центр тени всегда оставался белым. Эти каемки были результатом совместного действия различных частей света, проходивших с разных сторон полоски карты и загибавшихся, или дифрагировавших, внутрь тени. Ибо, как только я помещал небольшой экран либо перед полоской карты, либо на расстоянии нескольких дюймов позади нее, но так, чтобы либо край тени от экрана попадал на полоску, либо сам экран воспринимал часть тени от полоски, все каемки, которые до этого наблюдались на тени, отбрасываемой полоской карты на стене, немедленно исчезали, хотя свет, дифрагировавший с другой стороны полоски, при этом не задерживался…».

Но Исаак Ньютон писал:

«Не ошибочны ли все гипотезы, в которых свет приписывается давлению или движению, распространяющемуся через некоторую жидкую среду? … Если бы свет состоял в давлении или движении, распространяющихся мгновенно или во времени, он должен был загибаться внутрь тени. Ибо давление или движение не могут распространяться в жидкости по прямым линиям около препятствия, задерживающего часть движения, — они будут загибаться и распространяться повсюду внутри покоящейся среды, лежащей за препятствием».

И далее:

«Волны на поверхности стоячей воды, проходя по сторонам широкого препятствия, задерживающего часть волн, после этого загибаются и постоянно расширяются в покоящуюся воду за препятствием. Волны, пульсации или колебания воздуха, из которых состоит звук, ясно загибаются, однако не так сильно, как водяные волны. Ибо колокол или пушку можно слышать за холмом, загораживающим вид звучащего тела, и звук распространяется так же легко по извилистым трубкам, как по прямым. Относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь тени. Ибо при прохождении одной из планет между Землей и неподвижными звездами последние перестают быть видимыми»¹.

Своими опытами Томас Юнг пытался доказать, что свет обнаруживает точно такую же способность огибать препятствия и интерферировать, как и волна. Он писал:

«Проводя некоторые наблюдения цветовых каемок, окружающих тени, я нашел настолько простое и наглядное доказательство общего закона интерференции двух частей света, который мне ранее удалось установить, что я счел достойным изложить перед Королевским обществом краткий перечень тех фактов, которые мне кажутся решающими. Предположение, на котором я намереваюсь сейчас настаивать, состоит в том, что цветовые каемки образуются в результате интерференции двух частей света; и я думаю, что даже наиболее предубежденные не станут отрицать, что верность этого предположения доказывается теми экспериментами, которые я собираюсь здесь изложить и которые легко повторить, пока солнце светит, причем не используя никаких приборов, кроме тех, какие у каждого есть под рукой».

Работая независимо во Франции, Огюстен Жан Френель представил в 1816 г. Французской академии наук статью по волновой теории света, в которой предсказывались такие явления, как дифракция и интерференция. Понятно, что он был крайне расстроен, когда узнал, что до него эти явления наблюдал Томас Юнг. В письме к Юнгу в 1816 г. Френель писал:

1. Однако Ньютон писал: «Лучи, проходящие очень близко от краев какого-нибудь тела, немного загибаются действием тела… [Но] как только луч проходит мимо тела, он идет дальше по прямой».

«Когда кто-то думает, что он сделал открытие, он не может без сожаления узнать, что кто-то другой опередил его; и я откровенно Вам признаюсь, месье, что я был сильно расстроен, когда Араго показал мне, что только несколько из тех наблюдений, что описаны в представленном мною Институту мемуары, являются поистине новыми. Но если что-нибудь и может утешить меня, потерявшего приоритет, то это случай встретить ученого, обогатившего физику таким огромным количеством важных открытий. Вместе с тем происшедший случай значительно усилил мою уверенность в справедливости той теории, которую я принял».

В начале девятнадцатого века возродился интерес к волновой теории света. Изучаемые явления не были совершенно новыми. Дифракцию наблюдал еще Гримальди; некоторые эффекты интерференции были замечены Ньютоном; а волновая теория была предложена Гюйгенсом. Но каким-то образом эта теория находилась в забвении до тех пор, пока Юнг и Френель не сконцентрировали свое внимание на том явлении, которое позволяет решительно размежевать две теории света, а именно на явлении интерференции.

Френель и Юнг пытались показать, что при определенных условиях наложение пучка света на другой пучок может привести к появлению темного пятна. Довольно трудно представить себе частицы или теннисные мячи, которые бы взаимно уничтожались; при добавлении некоторого количества мячей к другим мячам их общее число возрастает. Волны же, как хорошо известно, обладают тем свойством, что при определенных условиях наложение одной волны на другую приводит к появлению областей, где возмущение уменьшается.

В статье, представленной Королевскому обществу, Юнг писал в 1802 г.:

«Везде, где две части одного и того же света попадают в глаз различными путями — либо точно, либо весьма близко по направлению, — свет становится более сильным там, где разность путей есть целое кратное некоторой длины, и наименее сильным в промежуточных состояниях интерферируемых частей; и эта длина различна для света различных цветов».

Позднее Френель сказал:

«Теория световых колебаний обладает именно такими свойствами и требуемыми ценными преимуществами. Благодаря этой теории нам удалось открыть наиболее сложные законы оптики, предсказать которые было весьма трудно…»

Говоря это, Френель, очевидно, имел в виду один драматический эпизод. В 1818 г. Французская академия предложила в качестве темы на соискание ежегодной премии объяснение различных дифракционных и интерференционных явлений. Френель представил свою теорию и описание экспериментов в комиссию, куда входили Араго, восторженно приветствовавший волновую теорию, скептически настроенные Лаплас, Пуассон и Био и придерживавшийся нейтральной точки зрения Гей-Люссак.

На заседании комиссии Пуассон отметил, что из теории Френеля должно следовать одно удивительное явление. Если на пути светового пучка поместить круглый непрозрачный диск, то по теории Френеля на определенном расстоянии от диска в центре его тени должно появиться светлое пятно, обусловленное дифракцией волн у края преграды (фиг. 254). Такое явление казалось настолько неправдоподобным, что теория Френеля была отклонена. Мы не знаем, что ожидал увидеть Френель, когда проводил предложенный ему эксперимент, но мы можем представить его радость, когда он обнаружил светлое пятно в середине тени, о существовании которого никто раньше не подозревал. Это пятно никем ранее не наблюдалось, но то, что оно должно было появиться, вытекало из уравнений, предложенных Френелем для описания поведения света.