Свет как волна

Электричество и теплоту мы не можем наблюдать непосредственно — все это воспринимается через их влияние. Однако свет мы видеть можем. К началу XIX века четко сформировались две теории света, и ставить вопрос, какая из них верна, значит, смотреть на природу света односторонне.

За прошедший XVIII век умы исследователей природы света заволокло туманом национальных разногласий. В 1678 году голландец Христиан Гюйгенс предположил, что свет — это волна, а тридцать лет спустя англичанин Исаак Ньютон опроверг это, выдвинув на первый план «корпускулярную» теорию. Свет он представлял как поток частиц. Ньютону нравилось, что это позволяло ему рассматривать движение света, как и любого другого вещества. Действительно, крошечные корпускулы отскакивают от любой поверхности по всем законам движения.

К тому времени, когда Ньютон опубликовал свою теорию, его голос уже был самым громким в мировой науке. Разумеется, голосов в свое опровержение со стороны европейских ученых он почти не услышал, как и не появилось научных работ, предлагавших другие точки зрения. Власть научного авторитета Ньютона сохраняла силу и после его смерти, а это значило, что все англоязычные ученые были обречены следовать взглядам Ньютона.

Такая рябь образуется при взаимной интерференции двух лучей света, что доказывает его волновую природу

Распространение волн

В континентальной Европе взгляды на природу света были иными. Хотя первенство оставалось за Гюйгенсом, набирал популярность эфирный подход Рене Декарта. По теории Гюйгенса получалось, что свет — это периодические колебания, распространяющиеся с определенной конечной скоростью во всех направлениях от источника света.

Голландский физик разработал геометрию, которая показывала, как световые волны ведут себя при встрече с препятствием. Он описал фронт волны как геометрическое место точек, каждая из которых в свою очередь становится источником световых колебаний и посылает новые волновые возмущения во всех направлениях. Эту теорию можно использовать для объяснения многих наблюдаемых световых эффектов, некоторые из которых теория Ньютона объяснить не может. Самой уязвимой точкой теории Ньютона было то, что она не могла объяснить интерференцию — взаимодействие двух пучков света друг с другом.

Волновая теория света подразумевает, что световые колебания должны вести себя подобно волнам на воде

Молодой английский врач Томас Юнг в свои двадцать с небольшим лет оказался достаточно смелым, чтобы выступить против взглядов Ньютона. (Бенджамин Франклин также придерживался волновой теории света.) Как бы то ни было, но хор несогласных с волновой теорией Юнга вскоре затих, поскольку к 1804 году он провел две публичные демонстрации, доказавшие правоту Гюйгенса.

Вода вместо света

Первый эксперимент предполагал наблюдение за поведением волн на воде в волновом бассейне. Юнг делал так, чтобы два волновых фронта сталкивались, или интерферировали, и показывал, что наложение волн в одних точках приводило к увеличению амплитуды, а в других — к существенному ее уменьшению, даже полному исчезновению. Также Юнг посылал плоскую волну на препятствие с небольшой щелью. Все увидели то, что предсказывал Гюйгенс для света, а именно сразу за пределами препятствия небольшая часть волнового фронта, проходящая через щель, распространялась во всех направлениях.

Затем Юнг провел то, что стало впоследствии именоваться «опытом Юнга». Он направлял пучки света через систему щелей. Световой узор, появляющийся с другой стороны на экране, доказывал, что свет ведет себя как волны в волновом бассейне.

Опыт юнга по интерференции света

Также известный как «эксперимент с двумя щелями», этот опыт стал классическим и демонстрируется на уроках физики по всему миру. Первая щель используется для создания точечного источника света с единым волновым фронтом. Затем ставятся еще две щели, которые формируют уже два точечных источника. От этих источников свет распространяется во всех направлениях (за исключением направления назад).

Распространяющиеся волны сталкиваются и интерферируют. Волна имеет пики и впадины, и при столкновении волны накладываются в каждой точке экрана. Пик с пиком создает еще большую амплитуду волны (и яркость света). При наложении друг на друга впадин происходит то же. Но если пик встречается с впадиной, амплитуды уничтожают друг друга, и волна в этой точке исчезает — получается темная точка. На схеме ниже красные линии представляют пики, а желтые — впадины. Как вы видите, свет создает узор из темных и светлых линий, доказывая свою волновую природу.