Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Рис. 11.6. Комета Хейла-Боппа, сфотографированная в обсерватории Туорла в апреле 1997 года. В это время ее хвост был раздвоенным, Прямой хвост состоит из ионов и направлен точно от Солнца, а искривленный хвост состоит из пылевых частиц и следует за ионным хвостом. Орбитальный период этой кометы очень велик, около 4000 лет; после этого она вновь может вернуться к нам. Фото: Harry Lehto.

Глава 12 Природа света

Что такое свет, этот прекрасный и стремительный переносчик информации, без которого мы не можем изучать ни глубины Вселенной, ни секреты микромира? Ньютон считал, что свет состоит из частиц, в то время как Гюйгенс представлял свет как волны в гипотетической среде — эфире. Томас Юнг разгадал эту загадку раз и навсегда; по крайней мере, так казалось.

Юнг начал свою карьеру в медицине, которую он изучал в Лондоне, Эдинбурге и Геттингене; в конце концов ученую степень он получил в Кембриджском университете. Но еще до окончания университета ему досталось наследство от двоюродного деда, и это обеспечило его существование до конца дней (рис. 12.1). Юнг стал практикующим врачом в Лондоне, но в то же время интересовался всем, что было связано со светом: зрением, происхождением радуги и т. п. Он проводил опыты по разделению луча света на две части, а затем собирал их опять в один луч.

Рис. 12.1. Томас Юнг (1773–1829) продемонстрировавший волновую природу света.

Свет как волновое явление.

Что получается, когда сливаются два световых луча? Если свет состоит из частиц, то интенсивность света должна возрастать: свет + свет = больше света. Но если свет имеет волновую природу, то возможен и другой результат: свет + свет = тьма. Представьте себе волны на воде с выступами над поверхностью и впадинами под ней. Волны могут разрушать друг друга, если впадина одной волны попадает на некоторый участок поверхности в тот момент, когда туда же попадает выпуклость другой волны. Юнг наблюдал это явление, называемое интерференцией (рис. 12.2). Ясно, что интерференция указывает на волновую природу явления. Это опыт очень помог Юнгу измерить крошечное расстояние между соседними гребнями волны, то есть длину волны, света. Она заключена в пределах от 0,4 мкм (1 мкм = 0,001 мм) для фиолетового света до 0,7 мкм для красного света.

Рис. 12.2. Опыт Юнга по интерференции света. Свет попадает на экран через две вертикальные щели. Вместо двух ярких линий на экране получается несколько перемежающихся белых и черных полосок. На белой полоске волны, приходящие из разных щелей, усиливают друг друга. Разность пути лучей от щелей до места расположения светлой полосы равна либо нулю, либо целому числу длин волны, поэтому пики волн приходят одновременно. На темных полосках они гасят друг друга, так как разность путей равна половине длины волны. Поэтому пик одной волны совпадает с впадиной другой волны. Этот эксперимент доказал волновую природу света.

Если свет — волна, то что же колеблется? В нашем примере поверхность воды колебалась вверх и вниз, перпендикулярно направлению перемещения гребней и впадин, — это поперечная волна. Звуковая волна распространяется в воздухе как волна сжатия, перемещая молекулы туда-сюда вдоль направления движения; волна движется как при резком сжатии пружины с одного конца — это продольная волна. Юнг показал, что световые волны являются поперечными, как волны на поверхности воды. К такому же выводу независимо, но немного позже, пришел и Огюстен Жан Френель (1788–1827). Таким образом, свет — как любая поперечная волна — может быть поляризован (и это используется в солнечных очках фирмы Polaroid, что невозможно для волн сжатия. В качестве аргумента против волновой природы света ученые той эпохи указывали, что ничего не известно о той среде, в которой распространяются световые волны и которую Юнг и Френель называли эфиром.