Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Такім чынам, перадача дзеяння ад аднаго цела да другога можа адбывацца з дапамогай хваль.
1 Гэтыя ўводзіны даюць уяўленне аб змесце і значэнні таго, што мы цяпер будзем вывучаць. 1х дастаткова прачытаць адзін раз.
105
Рыс. 91
Карпускулярная і хвалевая тэорыі святла. У адпаведнасці з двума магчымымі спосабамі перадачы дзеяння ад крыніцы да прыёмніка ўзніклі і пачалі развівацца дзве зусім розныя тэорыі аб тым, што такое святло, якая яго прырода. Прычым узніклі яны амаль адначасова ў XVII ст.
Адна з гэтых тэорый звязана з імем Ньютана, а другая — з імем Гюйгенса.
Ньютан прытрымліваўся так званай карпускулярнай' тэорыі святла, згодна з якой святло — гэта паток часціц, якія ідуць ад крыніцы ва ўсе бакі (перанос рэчыва).
Згодна ж з уяўленнямі Гюйгенса, святло — гэта хвалі, што распаўсюджваюцца ў асобым, гіпатэтычным асяроддзі — эфіры, які запаўняе ўсю прастору і пранікае ўнутр усіх цел.
Абедзве тэорыі доўгі час існавалі паралельна. Hi адна з іх не магла атрымаць рашаючай перамогі. Толькі аўтарытэт Ньютана прымушаў большасць вучоных аддаваць перавагу карпускулярнай тэорыі. Вядомыя ў той час з доследу законы распаўсюджвання святла больш ці менш паспяхова растлумачваліся абедзвюма тэорыямі.
На аснове карпускулярнай тэорыі было цяжка растлумачыць, чаму светлавыя пучкі, перасякаючыся ў прасторы, ніяк не дзейнічаюць адзін на аднаго. Светлавыя ж часціцы павінны сутыкацца і рассейвацца.
Хвалевая ж тэорыя гэта лёгка растлумачвала. Хвалі, напрыклад на паверхні вады, свабодна праходзяць адна скрозь адну, не робячы ўзаемнага ўплыву.
Аднак прамалінейнае распаўсюджванне святла, якое прыводзіць да ўтварэння за прадметамі рэзкіх ценяў, цяжка растлу
1 Лацінскае слова карпускула ў перакладзе на беларускую мову азначае «часці ца».
106
мачыць, зыходзячы з хвалевай тэорыі. Па карпускулярнай жа тэорыі прамалінейнае распаўсюджванне святла з’яўляецца проста вынікам закону інерцыі.
Такое няпэўнае становішча адносна прыроды святла працягвалася да пачатку XIX ст., калі была ўпершыню вывучана з’ява агібання святлом перашкод (дыфракцыя) і з’ява ўзмацнення ці аслаблення святла пры накладанні светлавых пучкоў адзін на аднаго (інтэрферэнцыя). Гэтыя з’явы ўласцівы выключна хвалеваму руху'. Растлумачыць іх з дапамогай карпускулярнай тэорыі нельга. Таму здавалася, што хвалевая тэорыя атрымала канчатковую і поўную перамогу.
Такая ўпэўненасць асабліва ўзмацнілася, калі Максвел у другой палавіне XIX ст. паказаў, што святло ёсць прыватны выпадак электрамагнітных хваль. Работамі Максвела былі закладзены асновы электрамагнітнай тэорьй святла.
Пасля эксперыментальнага выяўлення электрамагнітных хваль Герцам ніякіх сумненняў у тым, што пры распаўсюджванні святло паводзіць сябе як хваля, не засталося. Няма іх і цяпер.
Аднак у пачатку XX ст. уяўленні аб прыродзе святла пачалі карэнным чынам змяняцца. Нечакана высветлілася, што адхіленая карпускулярная тэорыя ўсё ж мае адносіны да рэчаіснасці. Аказалася, што пры выпраменьванні і паглынанні святло паводзіць сябе падобна да патоку часціц.
Былі выяўлены перарывістыя, або, як гавораць, квантавыя, уласцівасці святла. Узнікла незвычайная сітуацыя: з’явы інтэрферэнцыі і дыфракцыі паранейшаму можна было растлумачыць, лічачы святло хваляй, а з’явы выпраменьвання і паглынання — лічачы святло патокам часціц.
Мы спачатку пазнаёмімся з хвалевымі ўласцівасцямі святла. Аб карпускулярнахвалевым дуалізме (дваістасці) уласцівасцей святла будзе расказана ў далейшым. Але перш за ўсё коратка напомнім, што гаварылася пра святло ў VIII класе.
Геаметрычная і хвалевая оптыка. Пры першапачатковым азнаямленні з аптычнымі з’явамі было ўведзена паняцце светлавога праменя. Прамені паказваюць напрамак распаўсюджвання святла. Каб вызначыць гэты напрамак, мы вылучаем вузкія светлавыя пучкі, дыяметр якіх значна перавышае даўжыню хвалі. Затым мы замяняем гэтыя пучкі лініямі, якія з’яўляюцца восямі светлавых пучкоў. Гэтыя лініі і паказваюць светлавыя прамені.
Асноўная карысць ад увядзення паняцця светлавога праменя заключаецца ў тым, што паводзіны праменяў у прасторы вызначаюцца простымі законамі — законамі геаметрычнай оптыкі.
Геаметрычнай оптыкай называецца раздзел оптыкі, у якім вывучаюцца законы распаўсюджвання светлавой энергіі ў празрыстых асяроддзях на аснове ўяўлення аб светлавым прамені.
Гэтыя законы былі ўстаноўлены эксперыментальна задоўга
1 Аб дыфракцыі і інтэрферэнцыі падрабязна будзе расказана ў далейшым.
107
да высвятлення прыроды святла. Але яны вынікаюць з хвалевай тэорыі святла як прыбліжэнне, справядлівае, калі даўжыня хвалі многа меншая за размеры перашкод, якія размешчаны не вельмі далёка ад месца назірання.
У VIII класе былі сфармуляваны два законы геаметрычнай оптыкі: закон прамалінейнага распаўсюджвання святла ў аднародным асяроддзі і закон адбіцця. Аб праламленні святла гаварылася якасна. Закон праламлення не быў сфармуляваны. Мы атрымаем законы адбіцця і праламлення святла з дапамогай уяўлення аб святле як аб хвалевым працэсе.
Раздзел 5
СВЕТЛАВЫЯ ХВАЛI
§ 40. СКОРАСЦЬ СВЯТЛА
У геаметрычнай оптыцы даследуецца толькі напрамак светлавых праменяў. Пытанне аб тым, як адбываецца працэс распаўсюджвання святла ў часе, выходзіць за рамкі геаметрычнай оптыкі. Больш глыбока ўласцівасці святла і яго ўзаемадзеянне з рэчывам разглядаюцца ў фізічнай (хвалевай) оптыцы. Мы лачнём гэты раздзел з расказу аб тым, як была вымерана скорасць святла.
Калі мы паварочваем выключальнік, то ўвесь пакой адразу ж азараецца святлом. Здаецца, што святлу зусім не трэба часу, каб дасягнуць сцен. Рабіліся шматлікія спробы вызначыць скорасць святла. Для гэтага спрабавалі вымераць па дакладнаму гадзінніку час распаўсюджвання светлавога сігналу на вялікія адлегласці (некалькі кіламетраў). Але гэтыя спробы не далі рэзультатаў. Пачалі думаць, што распаўсюджванне святла зусім не патрабуе часу, што святло любыя адлегласці пераадольвае імгненна. Аднак аказалася, што скорасць святла не бесканечна вялікая, і гэта скорасць была ўрэшце вызначана.
Астранамічны метад вымярэння скорасці святла. Скорасць святла ўпершыню ўдалося вымераць дацкаму вучонаму О. Рэмеру ў 1676 г. Рэмер быў астраномам, і яго поспех тлумачыцца іменна тым, што праходзімыя святлом адлегласці, якія ён выкарыстаў для вымярэнняў, былі вельмі вялікія. Гэта адлегласці паміж планетамі Сонечнай сістэмы.
Рэмер назіраў зацьменні спадарожнікаў Юпітэра — самай вялікай планеты Сонечнай сістэмы. Юпітэр, у адрозненне ад Зямлі, мае чатырнаццаць спадарожнікаў. Найбліжэйшы яго спадарожнік— Іо — стаў прадметам назірання Рэмера. Ен бачыў, як спадарожнік праходзіў перад планетай, а затым уваходзіў у яе цень і знікаў з поля зроку. Затым ён зноў з’яўляўся, як імгненна ўспыхнуўшая лямпа. Прамежак часу паміж дзвюма ўспышкамі аказаўся роўным 42 г 28 мін. Такім чынам, гэты «месяц» уяўляў
108
велізарны нябесны гадзіннік, які праз роўныя прамежкі часу пасылаў свае сігналы на Зямлю.
Спачатку вымярэнні рабіліся ў той час, калі Зямля пры сваім руху вакол Сонца бліжэй за ўсё падышла да Юпітэра (рыс. 92). Такія ж вымярэнні, праведзеныя праз некалькі месяцаў, калі Зямля аддалілася ад Юпітэра, нечакана паказалі, што спадарожнік спазніўся з’явіцца з ценю на цэлыя 22 мін у параўнанні з момантам часу, які можна было разлічыць на аснове ведання перыяду абарачэння Іо.
Рэмер растлумачваў гэта так: «Калі б я мог застацца на другім баку зямной арбіты, то спадарожнік усякі раз з’яўляўся б з ценю ў назначаны час; назіральнік, які знаходзіцца там, убачыў бы Іо на 22 мін раней. Спазненне ў гэтым выпадку адбываецца па той прычыне, што святло выкарыстоўвае 22 мін на праходжанне ад месца майго першага назірання да майго цяперашняга становішча». Ведаючы спазненне з’яўлення Іо і адлегласць, якой яно выклікана, можна вызначыць скорасць, падзяліўшы гэту адлегласць на час спазнення. Скорасць аказалася надзвычай вялікай, прыкладна 300 000 км/с1. Вось таму вельмі цяжка заўважыць час распаўсюджвання святла паміж двума аддаленымі пунктамі на Зямлі, бо за адну секунду святло праходзіць адлегласць, большую за даўжыню зямнога экватара ў 7,5 раза.
Лабараторныя метады вымярэння скорасці святла. Упершыню скорасць святла лабараторным метадам удалося вымераць французскаму фізіку I. Фізо ў 1849 г.
У доследзе Фізо святло ад крыніцы факусіравалася лінзай і падала на паўпразрыстую пласцінку / (рыс. 93). Пасля адбіцця ад пласцінкі сфакусіраваны вузкі пучок накіроўваўся на перы
1 Сам Рэмер з прычыны малой дакладнасці вымярэнняў і недакладнага ведання радыуса арбіты Зямлі атрымаў для скорасці святла значэнне 215 000 км/с.
109
ферыю зубчастага кола, якое хутка вярцелася. Прайшоўшы паміж зубцамі, святло дасягала люстра 2, што знаходзілася на адлегласці некалькіх кіламетраў ад кола. Адбіўшыся ад люстра, святло, перш чым папасці ў вока назіральніка, павінна было прайсці зноў паміж зубцамі. Калі кола вярцелася павольна, святло, адбітае ад люстра, было бачнае. Пры павелічэнні скорасці вярчэння яно паступова знікала. У чым жа тут справа? Пакуль святло, якое прайшло паміж двума зубцамі, ішло да люстра і назад, кола паспявала павярнуцца так, што на месца проразі станавіўся зубец, і святло пераставала быць бачным.
Пры далейшым павелічэнні скорасці вярчэння святло зноў станавілася бачным. Відавочна, што за час распаўсюджвання святла да люстра і назад кола паспела павярнуцца настолькі, што на месца ранейшай проразі стала ўжо новая проразь. Ведаючы гэты час і адлегласць паміж коламі і люстрам, можна вызначыць скорасць святла. У доследзе Фізо адлегласць роўна 8,6 км і для скорасці святла было атрымана значэнне 313 000 км/с.
Было распрацавана яшчэ многа іншых, больш дакладных лабараторных метадаў вымярэння скорасці святла. У прыватнасці, амерыканскі фізік А. Майкельсан распрацаваў дасканалы метад вымярэння скорасці святла з прымяненнем люстраў, якія верцяцца.
Была вымерана скорасць у розных празрыстых рэчывах. Скорасць святла ў вадзе была вымерана ў 1856 г. Яна аказалася ў 4/3 раза меншай, чым у вакууме. Ва ўсіх іншых рэчывах яна таксама меншая, чым у вакууме.
Па сучасных даных, скорасць святла ў вакууме роўна 299 792 458 м/с з дакладнасцю + 1,2 м/с1. Прыбліжана скорасць святла можна лічыць роўнай 3 108 м/с. Гэта значэнне скорасці святла трэба абавязкова запомніць.
КНІГІ ОНЛАЙН
