Юнг - Об интерференции света и ее проявлениях

О ТЕОРИИ СВЕТА И ЦВЕТОВ

Хотя изобретение правдоподобных гипотез, независимых от каких-либо экспериментальных наблюдений, может принести очень мало пользы для развития естествознания, тем не менее открытие простых и единых принципов, с помощью которых большое число явно разнородных явлений сводятся к согласованным и универсальным законам, должно всегда считаться имеющим большое значение для усовершенствования человеческого разума: и чем больше и больше явлений оказываются согласующимися с принципами, заложенными в основу, тем более эти принципы могут претендовать на замену звания "гипотеза" званием "фундаментальный закон природы".

Цель сегодняшнего доклада не столько выдвижение каких-либо абсолютно новых мнений, сколько обращение к ряду предложенных ранее теорий и к их непосредственным создателям, чтобы подкрепить эти теории дополнительными доказательствами и применить эти теории к большому числу разнообразных фактов, которые раньше были погружены в темноту. В этой связи не было абсолютно никакой необходимости проводить хотя бы один новый опыт, поскольку набралось уже большое количество экспериментов в высшей степени превосходных, поскольку они должны были проводиться без малейшей приверженности их авторов к системе, с помощью которой они будут объяснены. Тем не менее здесь будет изложен ряд фактов, ранее не наблюдавшихся, с тем чтобы показать полное согласие упомянутой системы с разнообразными явлениями природы, которые с ней связаны. <...>

Гипотеза I. Вселенную наполняет светоносный эфир малой плотности и в высшей степени упругий. <...>

Гипотеза II. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире всякий раз, как тело становится светящимся.

Комментарий. Я использую термин "волнообразное движение" (undulation), отдавая ему предпочтение перед словом "колебание" (vibration), потому что колебание обычно понимаются как движение, происходящее попеременно то вперед, то назад вследствие сложения импульса тела и ускоряющей силы, которое, естественно, более или менее непрерывно. Волнообразное же движение предполагается состоящим из колебательного Движения, последовательно распространяющегося через различные части среды без всякого стремления каждой частицы продолжать свое движение, кроме как в связи с передачей следующих друг за другом волнообразных движений от явно колеблющегося тела. Так в воздухе вибрирующая струна создает волнообразные движения, представляющие звук. <...>

Гипотеза III. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом в сетчатке. <...>

Предложение VIII. Когда два волнообразных движения от разных источников либо точно совпадают, либо очень близки по направлению, их общее действие состоит в комбинации движений, принадлежащих каждому из них.  

Поскольку каждая частица среды подвержена действию каждого волнообразного движения, где бы ни совпадали их направления, волнообразные движения могут распространяться не иначе как объединяя свои движения, так что объединенное движение может быть либо суммой, либо разностью отдельных движений в соответствии с тем, сходные или несходные части волнообразных движений совпадают.

Я уже раньше¹ настаивал на широком применении этого принципа к гармоникам [звука], однако далее выяснится, что он еще более полезен для объяснения явлений цветов. Волнообразные движения, которые теперь нужно сравнить, имеют равные частоты. Когда два ряда в некий момент времени точно совпадают, то очевидно, что общая скорость движений частицы должна быть наибольшей. Ясно также, что она должна быть наименьшей и, если волнообразные движения равны по силе, полностью исчезать, когда момент наибольшего прямого движения, принадлежащего одному волнообразному движению, совпадает с моментом наибольшего обратного движения, принадлежащего второму. В промежуточном состоянии объединенное волнообразное движение будет обладать промежуточной силой: однако то, по каким законам должна изменяться эта промежуточная сила, нельзя определить без дополнительных данных. Хорошо известно, что в области звука сходные причины вызывают явление, называемое биениями. Два ряда волнообразных движений почти равной величины попеременно то объединяются, то уничтожают друг друга в зависимости от того, когда они более или менее точно совпадают по времени совершения соответствующих движений.

Следствие 1. О цветах бороздчатых поверхностей. Бойль, по-видимому, был первым, кто наблюдал цвета царапин на полированных поверхностях. Ньютон их не заметил. Мазеас и м-р Брум провели на эту тему несколько экспериментов, однако не получили каких-либо удовлетворительных выводов. Между тем все разнообразие этих цветов очень просто выводится из этого предложения.

Пусть в данной плоскости имеются две отражающие точки, очень близкие друг к другу, и пусть плоскость расположена так, что отраженное изображение светящегося предмета, видимое в ней, окажется совпадающим с этими точками. Тогда очевидно, что длины падающего и отраженного лучей, взятые вместе, равны по отношению к двум точкам, если считать эти лучи способными к отражению во всех направлениях. Пусть теперь одна из точек опустилась ниже данной плоскости; тогда полный путь света, отраженного от нее, будет удлинен на величину, которая равна понижению точки, умноженному на удвоенный косинус угла падения.

Теперь, если равные волнообразные движения размеров заставить отразиться от двух точек, расположенных достаточно близко для того, чтобы казаться глазу одной точкой, то если только эта линия равна половине ширины полного волнообразного движения², то отражение от пониженной точки будет так интерферировать с отражением от фиксированной точки, что поступательное движение одного будет совпадать с возвратным движением другого и оба они будут уничтожены. Когда же эта линия равна полной ширине волнообразного движения, эффект будет удвоен; а когда она будет равна полтора ширинам, то движения снова уничтожатся, и так далее для значительного числа изменений. Если же отраженные волнообразные движения будут разных типов³, то они будут действовать друг на друга по-разному в зависимости от их отношений к различным длинам той линии, которая является разностью их двух путей и которая может быть названа интервалом запаздывания.  

Для того чтобы эффект был более ощутимым, ряд пар точек нужно объединить в две параллельные линии; если поместить несколько таких пар линий рядом друг с другом, то они облегчат наблюдение. Если одну такую линию заставить поворачиваться вокруг другой как вокруг оси, то понижение относительно данной плоскости будет равно синусу угла наклона; и поскольку глаз и светящийся объект остаются фиксированными, разность длин путей будет меняться как этот синус.  

Наилучшими объектами для экспериментов⁴ являются превосходные микрометры м-ра Ковентри; наиболее удобны те из них которые состоят из параллельных линий, проведенных на стекле на расстоянии одной пятисотой дюйма друг от друга. Каждая из этих линий при рассмотрении в микроскоп оказывается состоящей из двух или более тонких линий, в точности параллельных, расположенных на расстоянии, несколько большем, чем одна двадцатая расстояния между смежными линиями. Я расположил один из микроскопов так, чтобы он отражал солнечный свет под углом 45^о, и зафиксировал микрометр таким образом, что, когда он вращался вокруг одной из линий как вокруг оси, я мог измерять угловое движение, и я обнаружил, что наиболее яркий красный свет получается при наклоне в 10¹/₄^о , 20³/₄^о, 32^о и 45^о, синусы которых относятся как числа 1, 2, 3 и 4. При всех других углах, когда солнечный свет! отражался от поверхности, этот цвет пропадал при изменении наклона и был одним и тем же при равных наклонах в любую сторону.  

Этот эксперимент дает очень сильное подтверждение теории. Невозможно вывести никакое его объяснение из предлагавшихся до сих пор гипотез: и я уверен, что трудно будет изобрести какую-нибудь новую гипотезу, объясняющую его. Существует впечатляющая аналогия между разделением цветов и получением музыкальной ноты с помощью последовательных отражении от эквидистантных железных стержней, что, как я обнаружил, прекрасно согласуется с известной скоростью звука и расстояниями между поверхностями.

Не представляется невероятным, что цвета покровов некоторых насекомых и некоторых других естественных тел, дающих при различном освещении красивейшее разнообразие, могут иметь такое происхождение, а не получаться из тонких пластин. В некоторых случаях одна царапина или бороздка может создавать сходные эффекты из-за отражений от се противоположных краев.

Следствие II. О цветах тонких пластин. Когда ноток света падает на две параллельные преломляющие поверхности, частичные отражения точно совпадают по направлению, в этом случае интервал запаздывания, взятый между поверхностями, так относится к их пути, как удвоенный косинус угла преломления к единице. Так, рисуя АВ и CD перпендикулярно лучам, мы получаем, что времена прохождения BС и AD равны, a DE будет составлять половину интервала запаздывания, но DE относится к CE как синус DСЕ к единице. Следовательно, для того чтобы DE оставалось постоянным или чтобы один и тот же цвет мог отражаться, толщина СE должна меняться как секанс угла преломления CED, что точно согласуется с экспериментами Ньютона, поскольку исправления, которые он ввел, совершенно незначительны.

Пусть среда между поверхностями будет более разреженной, чем окружающие среды. Тогда импульс, отраженный от второй поверхности, встречая последующее волнообразное движение на первой поверхности, будет придавать способность частицам более разреженной среды полностью останавливать движение более плотной и уничтожать отражение (предложение IV)⁵, в то время как они сами будут испытывать более сильное побуждение к движению, чем если бы они находились в покое, и количество прошедшего света будет увеличено. Таким образом. цвета, создаваемые отражением, будут уничтожаться, а цвета, создаваемые при прохождении, станут более яркими, когда удвоенья толщина, или интервал запаздывания, оказывается кратной полной ширине волнообразного движения, а при промежуточных толщинах эффект будет обратным в соответствии с наблюдениями Ньютона.

Если окажется, что такие же отношения хорошо выполняются по отношению к тонким пластинам более плотной среды, что, вообще говоря, не кажется невероятным, то необходимо будет принять исправленное доказательство Предложения IV. Однако в любом случае если тонкая пластина будет помещена между менее плотной и более плотной средами, то можно ожидать, что цвета, создаваемые при отражении и прохождении, поменяются местами.

Из ньютоновских измерений толщин, отражающих различные цвета, можно очень точно определить ширину и продолжительность соответствующих им волнообразных движений. Оказывается, что весь видимый спектр укладывается в отношение трех к пяти. Волнообразные движения красного, желтого и синего цветов должны быть связаны по величине как числа 8, 7 и 6, так что интервал от красного до голубого составляет одну четверть. <...> Абсолютная длина и частота каждого колебания представлена в таблице. Предполагается, что свет проходит 500 000 000 000 футов за 8¹/₈ мин. <...>

КОММЕНТАРИИ:

Перевод с английского выполнен С. Р. Филоновичем. Отрывок взят из работы: On the theory of light and colours (Bakerian lecture, 1801), "Philosophical Transactions", 1802, vol. 92, Pt. I, p. 12—48.

¹ Речь идет о работе Юнга "Очерк экспериментов и исследований относительно звука и света".

² Половина ширины волнообразного движения в современной терминологии — это половина длины волны (l/2), полная ширина — l.

³ Т. е. разных длин волн.

⁴ Далее по существу следует описание результатов опытов с дифракционной решеткой.

⁵ Предложение IV гласит: когда волнообразное движение доходит до поверхности, которая является границей сред с различными плотностями, имеет место частичное отражение, по силе пропорциональное разности этих плотностей.