Використання методу історизму у загальному курсі фізики за вивчення теми "Еволюція формування корпускулярно-хвильової теорії світла"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини

Використання методу історизму у загальному курсі фізики за вивчення теми «Еволюція формування корпускулярно-хвильової теорії світла»

Ільніцька Катерина Сергіївна кандидат педагогічних наук, доцент кафедри фізики та інтегративних технологій навчання природничих наук

Анотація

У статті на основі аналізу історичних, наукових та теоретико- методологічних джерел зроблена спроба у формі лекції розкрити основні етапи формування двох фундаментальних фізичних теорій - корпускулярної і хвильової теорій світла. У процесі викладу навчального матеріалу основна увага концентрується на різних концептуальних посилах цими теоріями щодо природи, властивостей, механізмів поширення та проявів світла у різних природних і штучно створених оптичних явищах.

Розгляд еволюції поглядів на природу і властивості світла у статті проводиться шляхом паралельного співставлення аналогічних проблем, які доводилося розв'язувати прибічникам обох теорій. Такими проблемами, на які звертається увага у статті, на той час були: прямолінійний характер поширення світла, пояснення механізмів його відбивання і заломлення, природа кольорів та ін. У статті відзначається, що більш-менш завершеного стану хвильова теорія світла отримала у працях Х. Гюйгенса. Крім того, особливо значний внесок у теоретичне підґрунтя і експериментальне підтвердження хвильової природи світла (а, отже, й хвильової теорії) зробили видатні фізики того часу Р. Гук, Т. Юнг, О.-Ж. Френель, І. Фізо, Л. Фуко та ін. Таким підтвердженням були досліди з інтерференції, дифракції та поляризації світлових хвиль, визначення швидкості їх поширення тощо.

Далі у статті мова йде про корпускулярну теорію, фундатором якої вважається І. Ньютон. Основні положення цієї теорії були викладені ним у його знаменитій праці «Оптика». Однією з проблем, розв'язання якої складало протистояння між хвильовою і корпускулярною теоріями, була проблема наявності (відсутності) абсолютно пружного середовища («ефіру»), яке, як вважалося, заповнює весь світовий простір і в якому поширюється світло. Цю проблему було вирішено у результаті серії експериментів А. Майкельсона, які однозначно заперечували наявність ефіру, що значно послабило основи хвильової теорії.

Експериментальним же підтвердженням корпускулярного характеру світла стали явища фотоефекту, ефекту Комптона, лінійчастий характер спектрів випромінювання і поглинання світла тощо. Наступним опосередкованим підтвердженням хвильової природи світла слугували теоретичні дослідження М. Фарадея і Д. Максвелла, які виявили його електромагнітний механізм випромінювання, що експериментально було підтверджено Г. Герцем. А. Ейнштейном же було доведено, що енергетичний спектр випромінювання не є суцільним (тобто хвильовим). Це означало, що випромінювання світла відбувається частинками-«квантами» цілком певних енергій, які Ейнштейном були названі «фотонами». Тим самим підтвердження знову отримала корпускулярна теорія.

Л. де Бройль узагальнив подібні результати у вигляді теорії про наявність хвильових властивостей у будь-яких частинок речовини. Об'єднання цих теорій відбулося, коли дослідами К. Д. Девіссона і Л. Х. Джермера з дифракції електронів (як частинок) було виявлено наявність у них хвильових властивостей. корпускулярний хвильовий світло

Узагальнюючи викладений матеріал, резюмується, що світло не має окремо ні хвильової, ні корпускулярної природи; еволюція хвильової і корпускулярної теорій світла трансформувалася у становлення єдиної корпускулярно-хвильової теорії, яка домінує і в наш час.

Ключові слова: метод історизму, фізика, оптика, світло, корпускулярно-хвильова теорія.

Ilnitska Kateryna Serhiivna Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor of the Department оf Physics and Integrative Technologies оf Natural Sciences, Pavlo Tychyna Uman State Pedagogical University, Uman

THE USE OF THE HISTORICAL METHOD IN THE GENERAL COURSE OF PHYSICS FOR THE STUDY OF THE TOPIC ” EVOLUTION OF THE FORMATION OF THE CORPUSCULAR-WAVE THEORY OF LIGHT”

Abstract

In the article, based on the analysis of historical, scientific and methodological sources, an attempt is made in the form of a lecture to reveal the main stages of the formation of two fundamental physical theories - the corpuscular and wave theories of light. In the process of presenting the educational material, the main attention is focused on the various conceptual messages of these theories regarding the nature, properties, mechanisms of propagation and manifestations of light in various natural and artificially created optical phenomena.

The consideration of the evolution of views on the nature and properties of light in the article is carried out by parallel comparison of similar problems that had to be solved by the supporters of both theories. At that time, such problems to which attention is drawn in the article were: the rectilinear nature of the propagation of light, the explanation of the mechanisms of its reflection and refraction, the nature of colors, etc. The article notes that the wave theory of light reached a more or less complete state in the works of H. Huygens. In addition, outstanding physicists of that time R. Hooke, Th. Young, A.-J. Fresnel, H. Fizeau, L. Foucault and others made a particularly significant contribution to the theoretical background and experimental confirmation of the wave nature of light (and, therefore, the wave theory). This was confirmed by experiments on interference, diffraction and polarization of light waves, determination of the speed of their propagation, etc.

Further, the article deals with corpuscular theory, the founder of which is considered to be I. Newton. The main provisions of this theory were laid out by him in his famous work "Optics". One of the problems, the solution of which was the confrontation between the wave and corpuscular theories, was the problem of the presence (absence) of an absolutely elastic medium ("aether"), which was believed to fill the entire world space and in which light propagates. This problem was solved as a result of a series of experiments by A. Michelson, which unequivocally denied the existence of the ether, which significantly weakened the foundations of the wave theory.

Experimental confirmation of the corpuscular nature of light was the phenomena of the photoeffect, the Compton effect, the linear nature of light emission and absorption spectra, etc. The next indirect confirmation of the wave nature of light was the theoretical research of M. Faraday and J. Maxwell, who discovered its electromagnetic radiation mechanism, which was experimentally confirmed by H. Hertz. A. Einstein proved that the energy spectrum of radiation is not continuous (that is, wave). This meant that the emission of light occurs by particles- "quanta" of quite certain energies, which were called "photons" by Einstein. Thus, the corpuscular theory was confirmed again.

The unification of these theories took place when the experiments of C. J. Davisson and L. H. Germer on the diffraction of electrons (as particles) revealed the presence of wave properties in them, and L. de Broglie generalized similar results in the form of a theory about the presence of wave properties in any particles of matter.

Summarizing the presented material, it is summarized that light has neither a wave nor a corpuscular nature; the evolution of the wave and corpuscular theories of light was transformed into the formation of a single corpuscular-wave theory, which dominates even today.

Keywords: method of historicism, physics, optics, light, corpuscular-wave theory.

Постановка проблеми. У процесі викладання фізики увага студентів постійно звертається на те, що реальна історія наукового знання, починаючи з часів античності, являє собою процес поступового перетворення науки в універсальну перетворюючу соціальну силу. Однією із задач застосування методу історизму у викладанні природничих наук саме і є дослідження становлення цього суспільно-історичного змісту науки на різних етапах її розвитку.

Історія науки, крім того, має ще й важливе методичне і виховне значення. Тому для учителів фізики знання історії фізики (природознавства) особливо необхідне, воно озброює учителя методично і науково. Історія науки виховує інтерес і повагу до науки, сприяє формуванню наукового світогляду, а на прикладі життя і діяльності видатних учених ще й високих моральних людських якостей. Надзвичайно суттєвим є й те, що знання з історії науки допомагають боротьбі з догматизмом і формалізмом у викладанні дисциплін природничого циклу та розширює науковий і культурний кругозір суб'єктів навчання. Метод історизму у викладанні дозволяє розгорнути перед студентами (учнями) панораму становлення того, чи того наукового напряму та еволюцію теорій, законів тощо, на яких вони сформувалися. Це дозволяє студентам (учням) з самого початку вивчення дисципліни осягнути в загальному той об'єм навчального матеріалу, який належатиме їм засвоїти у майбутньому.

У статті історія формування корпускулярно-хвильової теорії світла розглядається не як еволюційний процес розвитку більш чи менш ізольованої галузі науки - оптики, а як історія системи понять, ідей, гіпотез, які виявили суттєвий вплив на прогрес не лише науки, а й світової культури загалом. За цього підкреслюється, що розвиток від однієї теорії до наступної, більш загальної і фундаментальної, відбувається не шляхом відмови з боку наступної теорії від змісту попередньої, а шляхом обмеження її застосовності і подальшого узагальнення. Такі узагальнення складаються із ланок історично пов'язаних етапів накопичення наукового знання, що стосувалися природи і властивостей світла. Розгорнути в єдиний історичний ланцюг етапи еволюції корпускулярно-хвильової теорії світла й складає актуальність проблематики цієї статті.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Якщо вести мову щодо публікацій з історії фізики загалом як науки, то їх нараховується так багато, що їх аналізу може бути присвячене не одне дослідження і, звісно, не в рамках однієї статті.

Обмежуючись тут здобутками у цій царині лише вітчизняних дослідників, то серед ранніх праць відзначимо «Історію фізики» Кордуна Г. Г. (1993 р.), «Нариси з історії розвитку фізики в Україні» Андріанова В. М. (1998 р.), серію публікацій з історії формування окремих напрямів фізичної науки школою академіка Шута М. І. (з 1996 року); серед них варто відзначити навчальні посібники авторів Шут М. І., Форостяна Н. П. «Вибрані питання історії молекулярної фізики» (2003 р.) і «Вибрані питання історії фізики» (2012 р.).

Проте, в названих роботах питанням історії розвитку оптичних досліджень приділено дуже мало уваги, або вони відсутні взагалі.

Стосовно публікацій останніх років, зокрема в яких висвітлюються й окремі проблеми, що обговорюються у презентованій статті, то варто відзначити роботи таких авторів - Садовий М. І., Трифонова О. М. [1, С. 180--198], Ільніцька К. С. та ін. [2, С. 38--47], Краснобокий Ю. М. [3, С. 195--220].

За викладу ж основного матеріалу статті посилатимемося лише на оригінальні праці класиків фізичної науки, за якими визнано історичний пріоритет у дослідженнях відповідних оптичних явищ.

Мета статті - показати, як у процесі викладання загального курсу фізики можна розгорнути історичну ретроспективу еволюції двох фундаментальних фізичних теорій світла - хвильової і корпускулярної та формування на їх основі корпускулярно-хвильової теорії матерії.

Виклад основного матеріалу. Уявлення про природу світла, його поширення і сприйняття сягають сивої давнини - ще до нашої ери. Так, наприклад, Піфагор (біля 580--500 р. до н. е.) вважав, що предмети стають видимими завдяки дрібним частинкам, які вони випускають, і які потім потрапляють до ока спостерігача. Рене Декарт (1596--1650) вважав, що світло - це стискання, яке поширюється в ідеальному пружному середовищі (ефірі), і яке заповнює весь світовий простір і проміжки між частинками тіл. Проте послідовно обґрунтувати цю точку зору Декарт не зміг, за доведення законів відбивання і заломлення він користувався уявленням про світло як про потік частинок. Роберт Гук (1635--1703) також вважав, що світло являє собою імпульси стиснення, які поширюються миттєво або ж з дуже великими швидкостями. (Швидкість світла вперше була визначена у 1676 р. Олафом Рьомером (1644--1710) із спостережень затемнень супутників Юпітера.) Кількома роками раніше Гука чеський монах Марці (1595--1677) і італійський монах Франческо Гримальді (1618--1663) дійшли до думки, що світло являє собою швидко поширювані хвилі. Подібні уривчасті висловлювання про природу світла були удосконалені, розвинуті і оформлені у більш систематичні теорії Ісааком Ньютоном (1643--1727), з одного боку, і Христіаном Гюйгенсом (1629--1695) - з іншого.

Основні оптичні роботи Ньютона доповідалися ним на засіданнях Лондонського Королівського товариства (1671--1675 рр.) і були надруковані у працях цього товариства. Зміст цих повідомлень, поряд з іншими оптичними дослідженнями Ньютона було виокремлено з його «Лекцій з оптики», які він читав у Кембриджі у 1669--1771 рр. Багато років по тому (у 1704 р.) вийшла знаменита книга Ньютона «Оптика» [4]. В «Оптиці» Ньютон зосередив основну увагу на експериментальних дослідженнях і намагався за їх викладу, як і інших розділів фізики, відділяти достовірні факти від «сумнівних гіпотез». Експериментальні дослідження Ньютона з оптики аж до ХІХ сторіччя не мали собі рівних. Його «Оптика» слугувала основним джерелом, з якого «черпали» матеріал автори всіх підручників того часу («Лекції з оптики» були опубліковані уже після смерті Ньютона і з низки різних причин залишалися майже невідомими). Що стосується природи світла, то до цього питання Ньютон відносився значно обережніше, ніж решта учених, включаючи і Гюйгенса. З самого початку він віддавав перевагу створенню чисто феноменологічної теорії, позбавленої необґрунтованих гіпотез. Все, що відноситься до фізичної природи світла, він виділив у окремий (особливий) розділ, який нараховував 31 «питання» і яким закінчувалася його «Оптика». Тут, після ретельного аналізу різних взаємно протилежних можливостей, Ньютон дійшов висновку, що факти свідчать більше на користь корпускулярної природи світла, ніж хвильової. Тому він, правда не без коливань і сумнівів, віддав перевагу саме корпускулярній теорії.

Гюйгенс у своїх висловлюваннях про природу світла не був таким стриманим і обережним, як Ньютон. Він не сумнівався у хвильовій природі світла. Свої погляди Гюйгенс виклав на засіданні Парижської Академії Наук (1678 р.), а потім більш повно у творі «Трактат про світло» [5], опублікованому у 1690 р. У цьому творі вперше в історії оптики була зроблена спроба викласти з єдиної - хвильової - точки зору поширення, відбивання, заломлення і подвійне променезаломлення світла.

Для подальшого розгляду еволюції поглядів на природу і властивості світла, доречно паралельно аналізувати основи корпускулярної і хвильової теорій.

Згідно з корпускулярною теорією, світло складається з дрібних частинок, або корпускул, які випускаються світними тілами. З цієї точки зору прямолінійне поширення світла пояснюється законом інерції. Для тлумачення закону незалежності світлових пучків необхідно було ввести припущення, що середні відстані між корпускулами у світлових пучках такі великі, що корпускули практично не взаємодіють між собою; випадки зближення, у яких має місце така взаємодія, вкрай рідкісні і навіть за суттєвої точності експерименту їх спостерігати не вдається.

Відбивання і заломлення світла корпускулярна теорія пояснювала силами притягання і відштовхування, які діяли на світлові корпускули у дуже тонкому приграничному шарі поблизу межі розділу середовищ, на яку падає світло. Всередині приграничного шару шлях світлової корпускули скривлюється, а після виходу з нього корпускула знову рухається прямолінійно і рівномірно, але вже в іншому напрямі. Якщо корпускула відбивається, то вона повертається у перше середовище з попереднім значенням швидкості. Якщо ж корпускула проходить у друге середовище, то величина її швидкості змінюється. Через те, що приграничний шар дуже тонкий, явище сприймається так, неначе на межі середовищ відбувається різкий злам траєкторії корпускули.

Для доведення кількісних законів відбивання і заломлення світла у корпускулярній теорії необхідно було ввести припущення, що сили, які діють на світлову корпускулу у приграничному шарі, перпендикулярні до межі розділу середовищ. Такі сили змінюють лише нормальні складові швидкості світлової корпускули, залишаючи дотичні складові без зміни. Якщо позначити через V\ швидкість світлової корпускули у першому середовищі, а через V2 - у другому, то з врахуванням рівності дотичних складових цих швидкостей можна записати:

де ф - кут між напрямом швидкості корпускули і перпендикуляром у першому середовищі, а кут щ - у другому.

Остання формула була отримана Ньютоном. З неї випливає, що у середовищах із сильнішими заломлюючими властивостями, швидкість світла повинна бути більшою, ніж у менш заломлюючих. Проте, щоб з формули Ньютона встановити закон заломлення Віллеборда Снеліуса (1591--1626), необхідне додаткове припущення про те, що відношення швидкостей V2 і V1 для світлових корпускул одного й того ж типу повинне бути постійним, тобто визначається лише властивостями середовищ 1 і 2, в яких корпускули рухаються, але не залежить від того яким чином (шляхом) вони туди потрапили. Якщо врахувати експериментальний факт, що у вакуумі швидкість світла постійна, то для виконання цієї умови необхідна вимога, щоб всі сили, які діють на світлові корпускули у приграничному шарі, були потенціальними. (Відмітимо, що за цього можна пояснити кольори світла, наприклад, різними розмірами корпускул). Проте, та обставина, що швидкість світлової корпускули залежить лише від середовища, у яке вона випромінюється, але не залежить від способу випромінювання, уявляється малоймовірною з точки зору класичної механіки. У цьому відношенні корпускулярна теорія поступається хвильовій теорії, оскільки у цій теорії швидкість світла є характеристикою лише самого середовища, у якому воно поширюється.

Якщо наведені припущення вважати справедливими, то показник заломлення середовища 2 відносно середовища 1 визначатиметься співвідношенням

що співпадає з раніше наведеною формулою. Проте цю обставину не варто розглядати як аргумент на користь корпускулярної теорії, оскільки таке ж співвідношення випливає й з хвильової теорії.

Згідно з хвильовою теорією, світло являє собою хвилі, які поширюються у гіпотетичному всепроникному середовищі - світовому або світловому ефірі, яке заповнює весь світовий простір і проміжки між найдрібнішими частинками тіл. Якщо коливання частинок ефіру малі, то рівняння, які описують поширення хвиль будуть лінійними і однорідними. У цьому випадку виконується принцип суперпозиції хвиль, який у хвильовій теорії є математичним виразом закону незалежності світлових пучків.

Значно складніше у межах цієї теорії пояснити прямолінійність поширення світла. Гюйгенс застосував до вирішення цієї проблеми принцип, який пізніше було названо його ім'ям.

Ним розглядалася така аналогія: якщо у воду кинути камінь, то від місця падіння, як із центра, по поверхні води поширюватимуться колові хвилі, або збурення. Цей процес, як відомо, продовжується й після того, як камінь упаде на дно, тобто коли зникне причина, яка викликала збурення. Звідси випливає, що безпосередньою причиною поширюваного хвильового процесу є не камінь, а те перше збурення води, яке він викликав.

Подібні розмірковування навели Гюйгенса на думку, що кожна точка хвильового збурення є джерелом світлових сферичних хвиль, які поширюються від неї у всі сторони. Вони отримали назву вторинних або елементарних хвиль Гюйгенса. Результуюче хвильове збурення можна розглядати як накладання таких вторинних хвиль. У цьому й полягає знаменитий принцип Гюйгенса. Він є справедливим не лише для світлових, а й для будь-яких хвильових процесів і у наведеному формулюванні цілком зберіг своє значення до цього часу. Його значення далеко виходить за рамки порівняно вузької задачі про прямолінійне поширення світла. Дійсно, принцип Гюйгенса вказує на принципову можливість визначення хвильового збурення у всьому просторі, якщо відомі всі вторинні хвилі, які були породжені у більш ранній момент часу.

Але сам Гюйгенс не розглядав задачу у настільки загальній постановці. Він доповнив формулювання свого принципу, яке наведене вище, зауваженням, що окремі вторинні хвилі надто слабкі і що помітну світлову дію вони виконують лише на їх огинаючій поверхні. Після такого доповнення принцип Гюйгенса втратив свою загальність і перетворився лише у наближений «геометричний рецепт» для побудови хвильових фронтів, тобто поверхонь, до яких дійшло світлове збурення. Він став непридатним для кількісного розрахунку світлового поля, зокрема розподілу його інтенсивності у просторі.

Розглядаючи еволюцію поглядів на природу і процеси поширення світла, не можна оминути пояснення прямолінійного поширення світла, яке було дане Гюйгенсом. Нехай точкове джерело світла S (рис. 1), яке розташоване перед непрозорим екраном з отвором АВ, випромінює сферичну хвилю. Якщо в момент часу t хвиля дійде до країв отвору АВ, то він виріже з хвильового фронту сферичну ділянку ACB. Побудуємо з кожної точки цієї ділянки, як із центра, вторинні хвилі Гюйгенса радіусом cdt. Огинаюча всіх

цих вторинних хвиль «обірветься» на краях сферичної ділянки A1B1, за межі якої проникнуть лише окремі вторинні хвилі. Дія таких хвиль, згідно з припущенням Гюйгенса, нехтовно мала, а тому хвильовий фронт збурення у момент t + dt обмежиться лише сферичною ділянкою A1B1. Розглядаючи цей фронт знову як вихідний, можна такою ж побудовою знайти хвильовий фронт A2B2 ще у пізніший момент часу і т.д. Побудова показує, що хвильове збурення буде різко обриватися на поверхні тілесного кута з вершиною S, який вирізається діафрагмою AB. А це й означає прямолі- нійність поширення світла.

Аргументація Гюйгенса дещо позбавлена твердої доказовості. У ній доводиться те, що фактично міститься у його вихідних припущеннях. А сама побудова Гюйгенса є лише одним з можливих «рецептів» побудови хвильового фронту, який узгоджується з уявленнями щодо поширення світла уздовж променів. Залишалося незрозумілим, чому пояснення Гюйгенса застосовне до світлових, але не застосовне до звукових хвиль, які, як відомо, також огинають перешкоди, що стоять на їх шляху.

Рис. 1.

Звичайно, що таке «пояснення» не могло задовольнити Ньютона. Крім того, Ньютон, як і Гюйгенс, не бачив, як у рамках хвильової теорії можна

пояснити поляризацію світла, відкриту Гюйгенсом за дослідження явища подвійного променезаломлення. Це дійсно неможливо для поздовжніх хвиль, якими, згідно з Гюйгенсом, є світло. Лише такі хвилі були відомі у фізиці того часу. Уявлень про поперечні хвилі ще не існувало. Ці труднощі для Ньютона були настільки суттєвими, що через них його прихильність виявилася саме на боці корпускулярної теорії.

Проблема прямолінійного поширення світла є частковим випадком проблеми дифракції і може бути вирішена до кінця лише в рамках останньої. Дифракція світла була відкрита Гримальді і незалежно від нього дещо пізніше Р. Гуком [6]. Ньютон багато часу приділяв експериментальним дослідженням дифракції світла. Але Гюйгенс у «Трактаті про світло» чомусь зовсім не згадував про це явище. Крім того, йому залишилася невідомою періодичність світлових процесів (на відміну від Ньютона, який першим помітив її). Гюйгенс писав, що світло, подібно до звуку, поширюється сферичними поверхнями, і саме такі поверхні він називав хвилями. Він спеціально підкреслював, що удари, які збуджують світлові збурення у центрах хвиль, відбуваються цілком хаотично, а тому не слід вважати, що самі хвилі слідують одна за одною на однакових (рівних) відстанях. У цьому відношенні висловлювання Гюйгенса подібні до більш ранніх уявлень Декарта і Гука. Поняття довжини хвилі жодним чином не зустрічається у теорії Гюйгенса, а без нього неможливо встановити, за яких умов (хоча б приблизно) виконується закон прямолінійного поширення світла.

Вартує уваги й питання щодо відбивання і заломлення світла у хвильовій теорії Гюйгенса. Нехай плоска хвиля падає на плоску межу розділу двох середовищ. У деякий момент часу у точці А хвильовий фронт AB досягне межі розділу середовищ (рис. 2). У цей момент із A почнуть поширюватися вторинні хвилі Гюйгенса: одна у перше, друга у друге середовище. У точках E і D аналогічні хвилі виникнуть дещо пізніше. Згідно з принципом Гюйгенса, від накладання таких вторинних хвиль у першому середовищі утвориться відбита, а у другому - заломлена хвилі. Огинаюча вторинних хвиль у другому середовищі FGD має форму площини, вона визначає хвильовий фронт заломленої хвилі. Аналогічним чином будується хвильовий фронт і відбитої хвилі. Саме таке пояснення відбивання і заломлення світла дається у хвильовій теорії Гюйгенса. Як видно, воно не розкриває детального механізму виникнення відбитої і заломленої хвиль. Для цього необхідно було б явно використати фізичну природу світлових хвиль, про яку в ефірній теорії Гюйгенса, фактично, мова не йде.

Що ж до геометричних законів відбивання і заломлення, то вони абсолютно не залежать від фізичної природи хвиль і від конкретного механізму відбивання і заломлення. Вони однакові у будь-якій хвильовій теорії. Дійсно, падаюча хвиля викликає збурення, яке поширюється уздовж межі розділу зі швидкістю AD = BD/sin ф = vjsin ф (за використання відповідних одиниць), де vi - швидкість світла у першому середовищі. Але відбита і заломлена хвилі породжуються падаючою хвилею і тому поширюються разом з нею уздовж межі розділу з тією ж швидкістю. Тож можна написати також, що AD = vj sin ф = v2/sin^, де V2 - швидкість світла у другому середовищі, ф - кут нахилу фронту відбитої хвилі до межі розділу середовищ (він на рис. 2 не показаний). Таким чином виходить, що

Цим співвідношенням визначаються напрямки фронтів відбитої і заломленої хвиль. Оскільки у плоскій хвилі світлові промені перпендикулярні до хвильових фронтів, то ці ж співвідношення визначають також напрямки відбитих і заломлених променів. Отже: ф - це кут падіння, ф'- кут відбивання, у - кут заломлення. Із (5) випливає, що ф = ф' (закон відбивання), а

У протилежність корпускулярній теорії (1), хвильова теорія підводить до висновку, що швидкість світла у більш заломлюючому середовищі менша, ніж у менш заломлюючому. І цей висновок справедливий незалежно від того, яка природа світлових хвиль.

Для відносного показника заломлення хвильова теорія дає

а для абсолютного

тобто ці вирази, обернені до відповідних виразів корпускулярної теорії.

У питанні про відбивання і заломлення світла між корпускулярною і хвильовою теоріями існує й ще одна суттєва відмінність. Як показано вище, дослід підтверджує, що світловий пучок, який падає на межу розділу двох середовищ, розділяється на два пучки: відбитий і заломлений (зрозуміло, що виключення складає випадок повного відбивання). У хвильовій теорії пояснення цього факту не викликає труднощів. Але як тлумачити його з точки зору корпускулярної теорії? Корпускула завжди поводить себе як ціле. Вона не може розділитися на дві частини, з яких одна відбивається, а друга проникає у друге середовище. Адже у такому випадку падаючий, відбитий і заломлений пучки повинні були б мати різні кольори, що не спостерігається. Для подолання цієї проблеми Ньютон запропонував ідею про «приступи легкого відбивання і легкого проникнення», в яких періодично може знаходитися світлова корпускула. Якщо корпускула підходить до межі середовищ у «приступі легкого відбивання», то вона відштовхується і відбивається. Якщо ж це трапляється у «приступі легкого проходження», то відбудеться притягання і проходження корпускули у друге середовище.

Аналізуючи ідею «приступів» Ньютона, деякі учені відзначають, що вона співзвучна із сучасними уявленнями про світлові кванти-фотони. Згідно з цими уявленнями, відбивання і проходження фотонів через межу розділу середовищ підлягає статистичним законам: існує певна ймовірність, що фотон відіб'ється, і певна ймовірність, що він пройде у друге середовище. Сам Ньютон, звичайно, не розкрив фізичного механізму приступів легкого відбивання і легкого проходження. Проте він ставив питання, чи не є ці приступи результатом зворотної дії якихось швидких хвиль, що збуджуються у середовищі світловими корпускулами. Ідея приступів напрошувалася ще й у зв'язку з підміченою Ньютоном періодичністю світлових процесів за дослідження ним інтерференційного явища, відомого як «кільця Ньютона». Цю періодичність Ньютон також пробував пояснити, доповнивши корпускулярну теорію хвильовими уявленнями.

Фізики XVIII і початку XIX сторіч, забувши про коливання і сумніви Ньютона, все ж схилялися до корпускулярної теорії. Прибічників хвильової теорії нараховувалися одиниці. Правда, серед них були видатні особистості, такі як Леонард Ейлер (1707--1783) і Веніамін Франклін (1706--1790), які висували заперечення проти корпускулярної і наводили аргументи на користь хвильової теорії світла. Ейлер, наприклад, стверджував, що коли б корпускулярна теорія була вірна, то завдяки випромінюванню світла корпускулами маса Сонця помітно зменшувалася б, а це впливало б на рух планет [7]. Франклін вказував, що згідно з корпускулярною теорією світло повинно було б чинити тиск на освітлювані тіла, проте всі спроби виявити цей тиск на той час закінчувалися безрезультатно. Слабкість цих заперечень полягала у тому, що вони не містили кількісних оцінок очікуваних ефектів. Втім, згідно сучасних уявлень про взаємозв'язок між масою і енергією, втрата маси через випромінювання, а також величина світлового тиску абсолютно не залежать від того, чи є світло потоком частинок, чи хвильовим процесом. Ці і аналогічні заперечення, як показав подальший розвиток фізики, не могли вирішити суперечку між корпускулярною і хвильовою теоріями світла. Необхідні були нові експериментальні факти.

Починаючи з XIX сторіччя, становище почало складатися на користь хвильової теорії завдяки роботам Томаса Юнга (1773--1839) і особливо Жана Френеля (1788--1827), які систематично досліджували явища інтерференції і дифракції світла. На основі хвильових уявлень була створена струнка теорія цих явищ, висновки і передбачення якої цілком узгоджувалися з експериментом. Пояснення прямолінійного поширення світла містилося у цій теорії як частковий випадок. Були відкриті і досліджені нові оптичні явища: поляризація світла за його відбивання (Малюс, 1808) і заломлення (Малюс і Біо, 1811), кут повної поляризації (Брюстер, 1815), інтерференція поляризованих променів (Френель і Араго, 1816), кількісні закони і теорія відбивання і заломлення світла (Френель, 1821), подвійне променезаломлення стиснутим склом (Брюстер, 1815), двохвісні кристали (Брюстер, 1815), закони і теорія поширення світла у двохвісних кристалах (Френель, 1821), обертання площини поляризації у кварці (Араго, 1811) і рідинах (Біо, 1815; обидва ці явища у подальшому детально досліджувалися Біо, Брюстером та ін.). Юнг (1807) виміряв на досліді довжину світлової хвилі. Виявилося, що хвилі червоного кольору довші, ніж синього і фіолетового [8]. Тим самим у хвильовій теорії було дане експериментально обґрунтоване пояснення кольорів світла, яке пов'язувало це явище з довжиною світлової хвилі. (Тут справедливо відзначити, що таке пояснення пропонувалося ще Ейлером, але він не зміг вказати, довжина яких хвиль більша - червоних чи синіх). Юнг (1817) висловив також думку, що світлові хвилі не повздовжні, а поперечні. До такого ж висновку незалежно від нього дійшов і Френель (1821) і обґрунтував цей висновок шляхом дослідження поляризації світла та інтерференції поляризованих променів [9]. Всі наведені факти і особливо явища інтерференції і дифракції світла без особливих труднощів знаходили своє пояснення в рамках хвильової теорії світла. Корпускулярна теорія не могла протиставити нічого еквівалентного і до початку 30-х років XIX сторіччя була залишена як неперспективна.

Особливо нищівний удар корпускулярній теорії у її ньютонівській формі було нанесено у 1850 році. До цього часу Іпполіт Фізо (1819--1896) [10] і Леон Фуко (1819--1868) [11] вперше виміряли швидкість поширення світла лабораторними методами. Як вказувалося вище, згідно з корпускулярною теорією швидкість світла у воді більша, а згідно з хвильовою теорією менша, ніж у вакуумі. У 1850 р. Фуко і незалежно від нього Фізо і Бреге порівняли обидві швидкості. Дослід виявився згідним з хвильовою і в протиріччі з корпускулярною теоріями світла. Фізики XIX сторіччя сприйняли це як вирішальний експеримент, який «остаточно» довів хибність корпускулярної теорії світла.

У свою чергу хвильова теорія теж не могла вважатися повною, поки не була встановлена природа світлових коливань, або коливань світового ефіру, як називали цю проблему фізики дев'ятнадцятого (та частково й першої чверті двадцятого) сторіччя. У них не було сумнівів, що ефір підкоряється відомим законам механіки Ньютона і до нього застосовні такі поняття, як щільність, пружність, просторове переміщення, швидкість, прискорення та ін. Вони намагалися отримати структуру і властивості ефіру із спостережуваних явищ і експериментально встановлених законів оптики. Поперечний характер світлових хвиль змусив приписати світовому ефіру властивості твердого середовища. Це породило низку труднощів, зокрема й у питаннях відбивання і заломлення світла, перелік цих труднощів і шляхи їх подолання детально описані у класичних підручниках з фізики, тому, на нашу думку, тут на них зупинятися не має рації. Звернемо увагу на розвиток описаних вище теорій і експериментів, починаючи з другої половини XIX сторіччя.

У 60-х роках XIX сторіччя Джеймсом Максвеллом (1831--1879) були встановлені загальні закони електромагнітного поля, які призвели його до висновку, що світло - це електромагнітні хвилі. Підтвердженням такої точки зору на той час були відкриті Майклом Фарадеєм (1791--1867) у 1846 р. обертання площини поляризації світла в магнітному полі і співпадання швидкості світла у вакуумі з електродинамічною сталою, яке буле встановлене на досліді у 1856 р. Вебером Кольраушем. Після відомих дослідів Генріха Герца (1857--1894) у 1887--1888 роках електромагнітна природа світла отримала визнання. А вже у першому десятиріччі XX сторіччя вона з гіпотези перетворилася у твердо встановлений факт. Світлові коливання були ототожнені з коливаннями електромагнітного поля. Оптика перетворилася у розділ вчення про електричні і магнітні явища.

Електромагнітна теорія світла усунула труднощі, з якими зустрілася теорія пружного твердого ефіру. Проте фізики XIX сторіччя вважали, що ця теорія дала не дійсне (остаточне), а лише символічне вирішення питання про природу світла. Вони дивилися на неї як на формальну схему, рівняння якої вірно передають кількісні співвідношення між різними величинами і явищами, але символи, що входять до цих рівнянь, ще не отримали чіткого фізичного тлумачення. Вважалося, що рівняння Максвелла повинні складати математичний каркас майбутньої більш повної фізичної теорії електромагнітних і світлових явищ, але самі по собі вони такої фізичної теорії ще не складають; остання стане можливою лише після того, як будуть знайдені механічні властивості ефіру.

Проте ці сподівання не виправдалися. Світловий (або, краще, електромагнітний) ефір «уперто відмовлявся» виявляти свої механічні властивості. Зокрема, зазнали невдач наполегливі спроби виявити рух Землі відносно ефіру, які були розпочаті Альбертом Майкельсоном (1852--1931) у 1881 році [12]. За вивчення оптичних і електромагнітних явищ у рухомих середовищах виявилися й інші розбіжності теорії ефіру з дослідом. Це призвело Альберта Ейнштейна (1879--1955) у 1905 р. до створення теорії відносності. Гіпотеза механічного ефіру була залишена. Тут, на нашу думку, до студентів доречно довести таку «обмовку». Вважається, що у вакуумі немає звичайної речовини, як її розуміють у хімії. Але вакуум не є «порожнечею» у буквальному розумінні цього слова. Його заповнюють фізичні поля (гравітаційне, електромагнітне, ядерне та ін.). Вони, поряд із звичайною хімічною речовиною є фізичними формами матерії. У вакуумі можуть відбуватися різні фізичні процеси. Прикладом може слугувати «поляризація вакууму»: тобто народження пар електрон-позитрон у сильних електричних полях. Можна було б не заперечувати по суті проти вживаного терміну «ефір» у розумінні носія цих фізичних властивостей «порожнього» простору. Заперечення відносяться до уявлення про ефір як про рідке, тверде, пружне або будь-яке інше середовище, яке наділене механічними властивостями. Тож у сучасній фізиці вважають за доцільне не користуватися терміном «ефір» у вказаному розумінні, а вживають термін «вакуум».

Похитнулася віра у «механістичну картину світу», побудувати яку так настійливо намагалися фізики XIX сторіччя. І весь послідуючий розвиток науки призвів фізиків до переконання у неможливості зведення всіх явищ природи до механіки. Стверджувати протилежне означало пред'являти до природи необгрунтовані вимоги. Тому, коли у сучасній хвильовій теорії кажуть, що світло - це коливання електромагнітного поля, то на це вже не дивляться як на формальне твердження, а вважають, що самі ці коливання не зводяться до чогось «більш простого і наочного».

Важливим етапом у розвитку максвеллівської електродинаміки було наповнення її атомістичними уявленнями, що було систематично здійснене в електронній теорії Хендрика Антона Лоренца (1853--1928). У теорії Максвелла речовина характеризувалася феноменологічними сталими - діелектричною і магнітною проникностями та питомою електричною провідністю. У електронній теорії ці макроскопічні сталі отримали тлумачення з атомістичної точки зору. В результаті цього не лише отримали принципове, хоча ще й не достатнє, пояснення багато відомих електродинамічних і оптичних явищ (наприклад, дисперсія і аберація світла), але були відкриті і пояснені й інші явища (Керра, Зеемана, Фарадея, Коттона-Мутона, молекулярне розсіяння світла тощо).

Проте класична фізика і, зокрема й електронна теорія, виявилися недостатніми для пояснення явищ атомного масштабу. Виникла потреба введення квантових уявлень. Необхідність і плідність останніх виявилася раніше за все у процесі вивчення проблеми розподілу енергії у спектрі випромінювання «абсолютно чорного тіла». Застосування до цієї проблеми принципів класичної фізики призводило до глибоких протиріч з дослідом. Макс Планк (1858--1947) у кінці 1900 року отримав узгоджувану з дослідом формулу для розподілу енергії у спектрі чорного випромінювання [13]. За цього він увів чужі для класичної фізики уявлення, що випромінювання і поглинання світла здійснюються не неперервно, а певними порціями, або квантами енергії, за цього енергія кванта визначається виразом є = hv, де h - стала Планка, v - частота випромінювання світла. Для вирішення проблеми чорного випромінювання Планку достатньо було зрозуміти, що цей квантовий характер випромінювання і поглинання світла відноситься до статистичних процесів. Через п'ять років Ейнштейн показав, що його необхідно поширювати і на елементарні процеси. Згідно з Ейнштейном, не лише випромінювання і поглинання, а й поширення світла у просторі відбуваються скінченними порціями - квантами світла, які мають певну енергію і певний імпульс. Так відродилося уявлення про корпускули світла, які пізніше були названі «фотонами».

Гіпотеза фотонів дозволила насамперед пояснити «загадкові» закономірності у явищах фотоефекту [14], які зовсім були незрозумілі з точки зору класичної хвильової теорії світла. Існування імпульсу у фотонів було доведено відкриттям у 1923 році ефекту Комптона - зміни довжини хвилі за розсіяння рентгенівського випромінювання. Гіпотеза світлових квантів дозволила зрозуміти хімічну дію світла і його закономірності. Квантовий характер випромінювання і поглинання світла був використаний Нільсом Бором (1885--1962) для пояснення спектральних закономірностей. (Вперше описав спектр випромінювання Сонця і заклав основи спектрального аналізу Йозеф Фраунгофер (1787--1826) [15]).

Виникла нова проблема, як узгодити корпускулярні уявлення про світло з результатами дослідів Фуко і Фізо? Адже ці досліди поза всяким сумнівом спростовують корпускулярну теорію світла у її ньютонівській формі. Вимушені були визнати, що до світлових корпускул класичні уявлення про рух незастосовні. Інтерференція і дифракція світла доводять, що у цих явищах світло поводить себе як хвилі. Фотоефект, комптонівське розсіяння рентгенівських променів та ін. з неменшою переконливістю доводять, що тут світло діє як частинки. Довелося визнати, що явища поширення світла вірно описуються у рамках хвильових теорій, а для опису взаємодії світла з речовиною необхідні корпускулярні уявлення. Цей «дуалізм хвиль і частинок» необхідно розглядати як експериментальний факт, і тому повна теорія світла повинна бути і не корпускулярною і не хвильовою, а «корпускулярно-хвильовою».

Таке парадоксальне становище ще більше загострилося після того, як Джозефом Девіссоном (1881--1958) і Халбертом Джермером (1896--1971) у 1927 році була продемонстрована дифракція електронів. Виявилося, що хвильові властивості притаманні не лише світлу, а й частинкам звичайної речовини, - ідея, яку розвивав французький фізик Луї де Бройль (1892--1987) за декілька років до відкриття дифракції електронів [16]. Розвиток квантової механіки дозволив частково пояснити виникле «парадоксальне» становище ціною відмови від основного положення класичної фізики - «принципу причинності у формі детермінізму». А дослідження в області фізики високих енергій (яку інакше називають фізикою елементарних частинок) показали, що коли енергія частинок перевершує їх енергію спокою, то частинки можуть народжуватися, зникати або перетворюватися одна в одну. У цьому відношенні вони поводять себе подібно до фотонів, які можуть випромінюватися і поглинатися. У квантовій електродинаміці фотони розглядаються як кванти електромагнітного поля. Тому у фізиці високих енергій доцільно вести мову про електронно-позитронне, мезонне, нуклонне й інші поля, квантами яких є електрони, позитрони, мезони, протони, нейтрони тощо. Таким чином, питання про природу світла стало частиною загальної проблеми будови матерії.

Висновки

Викладеним у статті (лекції) варіантом історико-наукового підходу щодо «колізій» між хвильовою і корпускулярною теоріями світла, студенти переконуються, що він жодним чином не свідчить про якусь форму фізичного плюралізму. Мова йде про різні шляхи пошуку єдиного, науково вірного, вирішення конкретної фізичної проблеми. Цьому сприяла насамперед «презумпція» історичної рухливості і мінливості основних принципів фізики, на основі яких формуються часткові теорії, поступово набуваючи загальної внутрішньої досконалості.

Перспективність подальших досліджень в обраному напрямі може стосуватися історизму становлення «Квантової теорії», «Теорії відносності» тощо.

Література

Садовий М. І., Трифонова О. М. Історія фізики з перших етапів становлення до початку XXI століття : навч. посіб. Кіровоград : ПП «Авангард», 2013. 436 с.

Історія природознавства (короткий курс) / К. С. Ільніцька та ін. Умань : Візаві, 2021. 86 с.

Краснобокий Ю. М. Історія природознавства : навч. посіб. Умань : Видавець «Сочінський М. М.», 2022. 404 с.

Newton I. Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light. Also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures. London : Sam. Smith, and Benj. Walford, 1704. 360 p.

Huygens Ch. Traite de la lumiere: ou sont expliquees les causes de ce qui luy arrive dans la reflexion & dans la refraction. Leyde, Pays-Bas / France : Pierre Vander Aa, 1690. 180 p.

Hooke R. Micrographia: or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses. With Observations and Inquiries Thereupon. London : Jo. Martyn and Ja. Allestry, 1665. 383 p.

Leonhard E. Nova theoria lucis et colorum. Opuscula varii argumenti. 1746. Volume 1. P. 169--244.

Young Th. Outlines of experiments and inquiries respecting sound and light. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1800. Volume 90. P. 106--150.

Fresnel, A. Memoire sur la diffraction de la lumiere. Memoires de l'Academie Royale des Sciences de l'lnstitut de France. 1826. Vol. V. P. 339--475.

Fizeau, H. (1851). Sur les hypotheses relatives a l'ether lumineux, et sur une experience qui parait demontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumiere se propage dans leur interieur. Comptes rendus hebdomadaires des seances de l'Academie des sciences. 1851. Volume XXXIII. P. 349--355.

Foucault L. Recueil des travaux scientifiques de Leon Foucault / ed. by C.-M. Gariel, J. Bertrand. Paris : Gauthier-Villars, 1878. Vol. 1. 592 p.

Michelson A. A. The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. The American Journal of Science. 1881. Series III, vol. XXII, no. 128. P. 120--129.

Planck M. Vorlesungen uber die Theorie der Warmestrahlung. Leipzig : J. A. Barth, 1906. 222 p.

Einstein A. Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik. 1905. Volume 322, issue 6. P. 132--148.

Frauhofer J. Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben. Denkschriften der Koniglichen Akademie der Wissenschaften zu Munchen. 1821. Volume VIII. P. 3--76.

De Broglie L. Introduction a l'etude de la mecanique ondulatoire. Paris : Hermann et Cie., 1930. 292 p.

References

Sadovyi, M. I., & Tryfonova, O. M. (2013). Istoriia fizyky z pershykh etapiv stanovlennia do pochatku XXI stolittia [History ofphysics from the first stages of development to the beginning of the 21st century]. Kirovohrad : PP «Avanhard» [in Ukrainian].

Ilnitska, K.S., Krasnobokyi, Yu.M., Mykolaiko, V.V., & Tkachenko, I.A. (2021). Istoriia pryrodoznavstva (korotkyi kurs) [History of natural science (short course)]. Uman : Vizavi [in Ukrainian].

Krasnobokyi, Yu. M. (2022). Istoriia pryrodoznavstva [History of natural science]. Uman : Vydavets «Sochinskyi M. M.» [in Ukrainian].

Newton, I. (1704). Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light. Also two treatises of the species and magnitude of curvilinear figures. London : Sam. Smith, and Benj. Walford [in English].

Huygens, Ch. (1690). Traite de la lumiere: ou sont expliquees les causes de ce qui luy arrive dans la reflexion & dans la refraction. Leyde, Pays-Bas / France : Pierre Vander Aa [in French].

Hooke, R. (1665). Micrographia: or Some Physiological Descriptions of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses. With Observations and Inquiries Thereupon. London : Jo. Martyn and Ja. Allestry [in English].

Leonhard, E. (1746). Nova theoria lucis et colorum [A new theory of light and colors]. Opuscula varii argumenti - Brochures on various topics, 1, 169--244 [in Latin].

Young, Th. (1800). Outlines of experiments and inquiries respecting sound and light. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 90, 106--150 [in English].

Fresnel, A.-J. (1826). Memoire sur la diffraction de la lumiere [Memoir on the diffraction of light]. Memoires de l'Academie Royale des Sciences de I'Institut de France - Memoirs of the Royal Academy of Sciences of the Institut de France, 5, 339--475 [in French].

Fizeau, H. (1851). Sur les hypotheses relatives a l'ether lumineux, et sur une experience qui parait demontrer que le mouvement des corps change la vitesse avec laquelle la lumiere se propage dans leur interieur [The Hypotheses Relating to the Luminous Aether, and an Experiment which Appears to Demonstrate that the Motion of Bodies Alters the Velocity with which Light Propagates itself in their Interior]. Comptes rendus hebdomadaires des seances de l'Academie des sciences - Weekly reports of the sessions of the Academy of Sciences, 33, 349--355 [in French].

Foucault, L. (1878). Recueil des travaux scientifiques de Leon Foucault [Collection of scientific works by Leon Foucault]. Gariel, C.-M., & Bertrand, J. (Eds.). (Vol. 1). Paris : Gauthier- Villars [in French].

Michelson, A. A. (1881). The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. The American Journal of Science, 3, 22 (128), 120--129 [in English].

Planck, M. (1906). Vorlesungen uber die Theorie der Wdrmestrahlung [Lectures on the theory of heat radiation]. Leipzig : J. A. Barth [in German].

Einstein, A. (1905). Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt [On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light]. Annalen der Physik - Annals of Physics, 322 (6), 132--148 [in German].

Frauhofer, J. (1821). Neue Modifikation des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen, und Gesetze derselben [New modification of light by the mutual influence and the diffraction of [light] rays, and the laws thereof]. Denkschriften der Koniglichen Akademie der Wissenschaften zu Munchen - Memoirs of the Royal Academy of Science in Munich, 8, 3--76 [in German].

De Broglie, L. (1930). Introduction a l'etude de la mecanique ondulatoire [Introduction to the study of wave mechanics]. Paris : Hermann et Cie. [in French].

Размещено на Allbest.Ru/