Как  томас юнг доказал, что свет является волной

Теперь у нас есть все необходимые знания, чтобы изучить очень важное явление интерференции световых волн, то явление, которое успешно исследовал Томас Юнг на рубеже XVIII и XIX веков с целью устранить давнее противоречие в объяснении природы света. Это противоречие тесно связано с именем Ньютона, который проводил обширные исследования оптических эффектов. Большая часть оптических исследований Ньютона начиналась в годы[52], проведенные им вдали от Кембриджа, отрезанного от него чумой. Именно эти годы привели Ньютона к созданию знаменитых “Принципов…”[53]. Ньютон своим авторитетом почти на 100 лет утвердил теорию, которая рассматривала свет как поток крошечных частиц. Гюйгенс же придерживался волновой теории света. Хотя достоверных результатов, доступных во времена Ньютона и Гюйгенса явно не хватало, чтобы предпочесть одну теорию другой, нужно признать, что точка зрения Гюйгенса даже тогда казалась более убедительной. Однако престиж имени Ньютона был таков, что очень немногие физики XVIII века решались отказаться от ньютоновской корпускулярной[54] теории света, несмотря на растущую очевидность того, что такие явления как дифракция и постоянство скорости света легко объясняются волновой теорией, но выглядят неестественно для потока частиц.

Томас Юнг, чьи работы стали окончательным “ударом милосердия[55]“ по точке зрения Ньютона, был человеком разносторонних талантов. В зените своей научной карьеры он оставил должность профессора натурфилософии Лондонского Королевского института, чтобы продолжить медицинскую практику[56]. В поздний период своей жизни Юнг увлеченно занимался расшифровкой древнеегипетских иероглифов в текстах на Розеттском камне[57].

Эксперимент, который выбрал Юнг, был связан с интерференцией света на двух щелях. Проще всего объяснить суть опыта Юнга на рисунке, который напомнит нам рассмотренный выше пример "отверстие в волнорезе" (см. рис. 7-8). Только на сей раз вообразим волнорез с двумя маленькими зазорами, расположенными неподалеку друг от друга. Плоские волны, ударяющиеся об волнорез, создадут в этом случае два синхронизированных (когерентных) источника круглой ряби. Волны от этих источников наложатся[58] друг на друга, как и показано на рис. 7-10.

В точке берега, которая лежит строго напротив центра перемычки, разделяющей зазоры, гребень одной волны всегда встречается с гребнем другой, потому что эта точка равноудалена от обоих зазоров волнореза. Волны от каждого зазора прибывают в эту точку одновременно, и интерференция здесь носит конструктивный характер — образуется волна удвоенной амплитуды (высоты), то есть наблюдается интерференционный максимум. Если мы сдвинемся вдоль берега от этой точки, то синхронизация волн будет нарушена, поскольку мы будем находиться ближе к одному зазору, чем к другому. Двигаясь вдоль берега, мы неизбежно попадем в точку, где гребни волн от одного зазора встречаются со впадинами в волнах от другого. Здесь интерференция  носит деконструктивный (разрушительный) характер — результирующие волны получаются небольшими или отсутствуют вообще, то есть наблюдается интерференционный минимум. Двигаясь в том же направлении, мы достигнем точки, где волна от более близкого промежутка встречает предыдущую волну от более далекого. Здесь снова интерференция  конструктивна, и волны снова высоки. Если мы продолжим движение по берегу, то снова достигнем точки деконструктивной интерференции, и так далее. Правило очень простое: если разница расстояний от источников волн до точки наблюдения составляет целое число длин волн, то интерференция конструктивна. Если же эта разница равна полуцелому (т.е. 1/2 ,3/2, 5/2, 7/2 и т. д. ) числу длин волн, то интерференция деконструктивна.

Вернемся теперь к опыту Юнга: заменим волнорез непрозрачным экраном, а зазоры в нем — узкими разрезами (щелями) в нем. На листе бумаги[59], расположенном достаточно далеко от щелей, можно будет увидеть картину чередующихся ярких и темных полос, параллельных щелям [60] (см. рис. 7-11). Самая яркая полоса находится в центре картины и с каждой стороны её ограничивают темные полосы. Если измерить расстояние между полосами, то несложные геометрии-ческие расчеты позволят вычислить длину световой волны. Величина оказывается фантастически малой!: длины световых волн лежат в диапазоне от 0.00007 см (красный свет) до 0.00004 см (синий свет)[61]. Чтобы наблюдать интерференционную картину щели в непрозрачном экране должны быть очень узкими и очень близкими друг к другу, а экран для наблюдения должен быть расположен далеко от разрезов[62].

Какой волной является свет

Эксперимент Юнга убедительно показал всем сомневающимся, что свет действительно имеет волновую природу. Но оставался: вопрос: что это за волна? Какой природы эта волна? Максвелл,[63], который первым осознал родство между электромагнетизмом и светом, дал ответ на этот вопрос.

Картина электромагнитной волны, которую предложил Maксвелл, показана на рис.7-12. Она опирается на два факта, обнаруженных Фарадеем[64]: 1)- при изменении электрического поля возникает магнитное поле, и 2) –возникшее магнитное поле, перпендикулярно электрическому. Связь между электрическим и магнитным полями является взаимной: изменяющееся магнитное поле тоже создает перпендикулярное себе электрическое поле.

Даже не задаваясь вопросом, как такая специфическая комбинация полей может возникнуть, ясно, что картина, показанная на рис. 7-12, нескончаема. Действительно, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, которое, так как оно тоже изменяется, создает электрическое поле. Процесс продолжается  сколь угодно долго и, в результате, электромагнитная волна перемещается в направлении, перпендикулярном направлению обоих полей.

Вернемся теперь к вопросу— как возникает та специфическая комбинация полей, что изображена на рис. 7-11. Это вполне очевидно из законов электричества и магнетизма. Предположим, что электрический заряд совершает некоторое регулярное, повторяющееся, движение. Это может быть и движением по кругу, и простыми, “назад — вперед“, колебаниями заряда вблизи положения равновесия. В любом случае вокруг заряда возникает и электрическое и магнитное поле, поскольку заряд находится в движении. Оба поля постоянно изменяются, потому что постоянно изменяется положение заряда в пространстве, а напряженность поля (“сила поля”) зависит от расстояния. Таким образом, любой объект, который испускает свет, должен содержать очень быстро колеблющиеся электрические заряды, так как частоты световых волн лежат в диапазоне 1014 Гц, то есть 100 триллионов колебаний в секунду!

Любой объект, колеблющийся столь быстро, неизбежно должен быть микроминиатюрным, так что безнадежной задачей является заметить эти колебания непосредственно. Но Максвелл совершенно справедливо заметил, что и более медленные колебания электрических зарядов также должны создавать электромагнитные волны, интенсивность которых будет достаточна, для того, чтобы обнаружить их с помощью электроизмерительных приборов. В электрических проводах можно привести в колебательное движение на частотах в несколько тысяч герц, сопоставимых с частотой звуковых волн, большое количество зарядов и попытаться обнаружить созданные этим движением зарядов электромагнитные волны. В 1887г., через двадцать лет после того, как Максвелл опубликовал свою теорию, немецкий физик Генрих Герц сделал это!

Герц создавал мощные электрические колебания в электрической цепи (контуре). В другом контуре, находящемся в той же лаборатории на расстоянии нескольких метров, и не имеющем никаких источников электричества возникали электрические колебания той же самой частоты. Частоты колебаний легко могли быть измерены; а несложные интерференционные эксперименты позволили определить длину волны. Вычисленная по формуле (7.1) скорость распространения электромагнитных волн совпала со скоростью света! После экспериментов Герца мало кто мог сомневаться, в том, что Максвелл был прав. “Волны Герца“[65], стали в XX веке основой современных радио- и теле- коммуникаций.

Вскоре после работ Герца было обнаружено рентгеновское излучение[66]. Было доказано, что это тоже электромагнитные волны, но с частотами, приблизительно в тысячу раз бóльшими, чем у видимого света. Позже было открыто и γ – излучение, испускаемое радиоактивными веществами. Снова оказалось, что это тоже электромагнитные волны, но с ещё бóльшими (еще в тысячу раз!) частотами.

В современной технике и технологии используются электромагнитные волны практически всех частот. Максвелловская теория электромагнетизма является , пожалуй, самым поразительным примером того, как "чистая" научная теория приводит к практическим результатам, на которые, исследователи, возможно, так бы никогда и не наткнулись. в своих случайных поисках.