Оптика Гамильтона — Якоби

Категория реферата: Рефераты по науке и технике
Теги реферата: шпоры по химии, рефераты по биологии
Добавил(а) на сайт: Ignatenko.

Эффект Допплера тоже как будто подтверждал идею Френеля о частичном увлечении эфира; тем не менее, эту гипотезу оспаривал Джордж Габриэль Стоке (1819 —1903), один из наиболее блестящих продолжателей дела Френеля, известный прежде всего открытием в 1852 г. явления флюоресценции и закона, определяющего флюоресценцию, который и сейчас называется "законом Стокса". В известной работе, относящейся к 1845 г., Стоке отстаивает идею о полном увлечении эфира, находящегося в непосредственной близости от Земли, которое переходит постепенно в частичное увлечение, все более уменьшающееся по мере удаления от Земли.

В 1851 г. Физо пытался решить этот вопрос, заставив интерферировать два луча света, один из которых проходил столб воды в направлении ее течения, а второй — против течения. Если эфир увлекается при движении воды, то интерференционные полосы должны сместиться по отношению к тому положению, которое они занимают в опыте с неподвижной водой. Экспериментальные результаты, полученные Физо, подтвердили гипотезу Френеля. К тому же выводу привели исследования Эдуарда Кеттелера (1836 —1900), проведенные в 1871 г., и исследования Майкельсона и Морли в 1886 г.

Но еще пятью годами раньше Майкельсон в своем ставшем впоследствии знаменитом опыте пытался экспериментально обнаружить движение Земли относительно эфира, принимаемого за неподвижный, т. е. обнаружить так называемый "эфирный ветер".

Примененный Майкельсоном метод можно назвать "методом двух путей": один луч света, падая на слегка посеребренную пластину, расщеплялся на два взаимно перпендикулярных луча; эти лучи отражались по нормали от двух зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластины, возвращались обратно по тому же пути, сливались вместе и направлялись в оптическую систему. Если Земля движется относительно эфира, то из-за различия времен, требуемых для прохождения обоими лучами своих взаимно перпендикулярных путей, должна наблюдаться интерференционная картина. Хотя линейная скорость обращения Земли вокруг Солнца (30 км/сек) довольно мала по сравнению со скоростью света, экспериментальная установка была способна обнаружить даже в 100 раз меньший эффект. Этот опыт, многократно повторенный для различной ориентации прибора и в разное время года, давал у Майкельсона все время чисто отрицательный результат. Критика этого опыта со стороны Лоренца привела к тому, что Майкельсон вновь повторил его в 1887 г. вместе с Эдуардом Уильямом Морли (1838—1923) — и с тем же результатом. Таким образом, Майкельсон мог утверждать, что, согласно его опытам, эфир движется вместе с Землей. Однако явление аберрации света указывает на то, что эфир неподвижен. Эти два вывода резко противоположны один другому. Далее мы увидим, как это противоречие привело к появлению теории относительности.

Опыты Майкельсона были повторены с некоторыми усовершенствованиями Морли и Миллером в 1904 г. с тем же результатом. Позже, с 1921 по 1925 г., Миллер производил непрерывные наблюдения, которые привели его к выводу, что Земля движется по отношению к эфиру со скоростью 9 км/час. Однако этот вывод был опровергнут последующими опытами Джозефа Кеннеди и многими другими, вплоть до нового опыта Майкельсона, проведенного совместно с Пизом и Пирсоном в 1929 г.

 Невидимые излучения

 В первое тридцатилетие XIX века исследования поляризации и природы света оттеснили на второй план другие важные открытия в области световых явлений.

Тот факт, что световые лучи связаны с тепловыми лучами, ясный из непосредственного наблюдения, был известен, конечно, еще со времен античности. Само применение слова "фокус" к вогнутым зеркалам и к линзам показывает, что здесь внимание обращалось больше на концентрацию тепловых лучей, а не световых. Но различение световых и тепловых лучей мы встречаем впервые, по-видимому, в "Magia naturalise ("Натуральная магия") Порты (1589 г.), где выражается удивление, почему вогнутое зеркало концентрирует не только тепло, но и холод. Это наблюдение было предметом тщательного экспериментального исследования Академии опытов, причем было замечено ощутимое охлаждение в фокусе вогнутого зеркала, перед которым помещен большой кусок льда. А Паоло дель Буоно (1625 — 1659), корреспондент этой же Академии, заметил, что лучи, проходящие через линзу изо льда, фактически не теряют своей тепловой способности. Еще более ясно различие между световыми и тепловыми лучами выявил Мариотт, который с помощью вогнутого зеркала изо льда показал, что тепловые лучи отражаются от него без ослабления, так что в фокусе удается создать интенсивность, достаточную для того, чтобы воспламенить порох. В 1777 г. Ламберт показал, что тепловые лучи, как и световые, распространяются прямолинейно.

В 1800 г. Вильгельм Гершель произвел фундаментальное открытие. Желая проверить, действительно ли тепло, как принято было считать, распределено равномерно по солнечному спектру, Гершель перемещал чувствительный термометр вдоль солнечного спектра и обнаружил, что показываемая им температура не только непрерывно повышалась при перемещении от ультрафиолетового конца спектра к красному, но ее максимум вообще достигался в области, лежащей за красной частью спектра, т. е. там, где глаз ничего не различает. Вот пример того, насколько "в естествознании полезно сомневаться в общепринятых вещах",— замечает по этому поводу Гершель. Он тут же объясняет это явление невидимым тепловым излучением, исходящим из Солнца и отклоняемым призмой слабее красного цвета, почему оно и получило название "инфракрасного излучения". Затем Гершель исследовал это невидимое излучение, испускаемое земным источником, представлявшим собой железный цилиндр, нагретый, но не светящийся, и показал преломление этого излучения в линзах.

Юнг понимал важность открытия Гершеля и в своих лекциях в 1807 г. назвал его самым крупным открытием со времен Ньютона. Правда, Джон Лесли (1766—1832), весьма аккуратный экспериментатор, пытался объяснить опыты Гершеля воздушными течениями, однако его теоретические возражения не нашли сторонников. Более удачными были его экспериментальные исследования (1804 г.), и сейчас еще приводимые в курсах физики. С помощью дифференциального термометра, носящего его имя, но описанного еще в 1685 г. Иоганном Христофором Штурмом (1635—1703), и с помощью своего "куба", одни грани которого были зачерненными, а другие зеркальными, Лесли показал, что испускание и поглощение телом теплового излучения зависят от характера его поверхности.

За несколько лет до работ Лесли немецкий физик Иоганн Риттер (1776 — 1810) сделал другое открытие, "симметричное" открытию Гершеля и столь же важное. Повторив в 1802 г. опыты Гершеля, он задался целью исследовать химическое действие различных участков светового спектра. Для этого он применял хлористое серебро, почернение которого под действием световых лучей было обнаружено Иоганном Генрихом Шульце (1687—1744) еще в 1727 г., и установил, что химическое действие излучения возрастает постепенно по спектру от красного конца к фиолетовому и достигает максимума за фиолетовой областью, там, где глаз уже не воспринимает никакого света. Таким образом было найдено в спектре новое излучение, присутствующее в солнечном свете и преломляемое призмой сильнее, чем фиолетовое, в связи с чем оно и получило название "ультрафиолетового излучения". Томас Юнг с большей точностью повторил опыты Риттера и произвел также измерения интенсивности, а Уильям Волластон (1766—1828) подтвердил полученные Юнгом результаты в опытах с раствором гуммигута, который под действием света меняет свой цвет с желтого на зеленый.

За этим последовали работы многих других физиков, в том числе де Соссюра и Пикте, Гей-Люссака и Тенара, Зеебека и Берара, каждый из которых внес свой вклад в исследование этого явления. Эти исследования привели также к одному важному применению — фотографии, играющей столь большую роль и для самой физики. Мы не можем здесь, однако, останавливаться на истории фотографии. Достаточно лишь упомянуть, что в 1839 г. Луи Дагерр (1789—1851) сообщил об изобретенном им процессе, названном "дагерротипией", являющемся усовершенствованием метода получения фотографических изображений на металле, предложенного в 1827 г. Жозефом Ньепсом (1765—1833), сотрудником которого был Дагерр. В 1840 г. Дрейпер сфотографировал Луну, а в 1842 г. — линии Фраунгофера; в том же году Алессандро Майокки (1795—1854) сфотографировал Солнце.

Фундаментальный вклад в эти исследования внес Мачедонио Меллони (1798—1854). Меллони, один из крупнейших итальянских экспериментаторов, занялся исследованием "лучистого тепла" с помощью инструмента, значительно более чувствительного, чем бывшие тогда в употреблении обычные термометры. Он применял "термо-мультипликаторы", состоящие из термоэлектрического столбика, связанного с гальванометром Нобили, чувствительным элементом экспериментального приспособления, известного сейчас как оптическая скамья Меллони. При поддержке Араго Меллони провел свои главные опыты в Париже, где вынужден был искать политического убежища с 1831 по 1839 г., ибо оказывал помощь парижским студентам, принявшим участив в революции 1830 г.

После анализа результатов, полученных в области исследования лучистого тепла предшествующими физиками, и исправления некоторых из них Меллони начинает самостоятельные исследования с изучения поглощения лучистого тепла различными телами и обнаруживает, что каменная соль весьма прозрачна для тепла, так что особенно подходит для изготовления призм и линз, предназначенных для исследования инфракрасного излучения. Меллони показал различную преломляемость тепловых лучей, которая до того отрицалась, и "химических", т. е. ультрафиолетовых лучей; он доказал, что лучистое тепло поляризовано, и с помощью остроумного опыта, приписываемого теперь Тиндалю, показал, что интенсивность лучистого тепла убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Еще в 1833 г. Карло Маттеуччи показал, что тепловые лучи интерферируют между собой, а вслед за ним Форбс (1809—1868) подтвердил интерференцию тепловых лучей на приборе с двумя зеркалами Френеля. Большое значение имеет работа Меллони, вышедшая в Неаполе в 1842 г., куда он был приглашен в Школу искусств и ремесел (должность эту он был вынужден оставить в 1848 г. тоже по политическим соображениям).

В этой небольшой работе (всего 47 страниц) он разъясняет понятия лучистого тепла, света и химических лучей (ультрафиолета) как сходных явлений излучения, различающихся лишь длиной волны. Это было одним из крупнейших достижений науки того времени и существенным стимулом к выработке единых теорий, характерных для прогресса физики в XIX веке. В своей новой работе, вышедшей годом позже, Меллони показал, что поглощение инфракрасного излучения происходит так же, как и поглощение видимого излучения, и подобно тому, как при определенной толщине тела бывают прозрачны или непрозрачны для света, так и для тепла они бывают "теплопрозрачны" и "теплонепроницаемы". Как и свет, тепло может испытывать избирательное поглощение в телах, так что оптически прозрачное тело не всегда "теплопрозрачно", как, например, стекло, которое слабо поглощает свет и сильно поглощает тепло. Все эти явления, а также различная преломляемость тепловых лучей позволили Меллони говорить в фигуральном смысле о "тепловых цветах". В 1845 г. Меллони показал, что тепловое излучение — это не чисто поверхностное явление, в нем участвуют и внутренние слои излучающего тела.

В своей работе "La thermocrose ou la coloration calorique" ("О тепловых цветах"), опубликованной в Неаполе в 1850 г. (и переизданной в 1954 г. в Болонье в его собрании сочинений), Меллони дает захватывающее по форме цельное изложение своей теории лучистого тепла и своих классических экспериментов. После введения, носящего автобиографический характер, Меллони описывает сначала приборы для измерения лучистого тепла и источники теплового излучения, потом переходит к экспериментальным исследованиям теплового излучения в пустоте и в воздухе, а затем — к распространению лучистого тепла в различных веществах.

В этой классической работе было положено начало исследованию излучательной и поглощающей способности различных тел (и в частности, сажи, что привело к понятию черного тела) и показано, что законы, которым подчиняются классические явления оптики, совпадают с законами, определяющими аналогичные явления в области теплового излучения. Исследования Меллони были продолжены Джоном Тиндалем (1820—1893), в частности в области поглощения в газах. Тиндаль показал, что сухой воздух плохо поглощает тепловые лучи, и после долгой полемики с Генрихом Густавом Магнусом (1802—1870) продемонстрировал в 1881 г. сильное поглощение тепловых лучей водяным паром, что имеет, конечно, большое значение для метеорологии.

Так же как применение термоэлектрической батареи обусловило возможность фундаментальных открытий Меллони, применение нового чувствительного термометра — болометра — сделало возможным дальнейшее продвижение в исследовании лучистой энергии. Этот новый прибор был описан в 1881 г. американским физиком Самюэлем Ленгли (1834—1906). Тончайшая полоска платины, покрытой сажей, служащая термочувствительным элементом, является частью электрического контура. Если на полоску падает излучение, то ее температура меняется, и вследствие этого меняется электрическое сопротивление; по изменению сопротивления можно судить об изменении температуры. Болометр — исключительно чувствительный прибор, позволяющий установить изменения температуры с чрезвычайно высокой точностью. Этот новый прибор позволил Ленгли сделать ряд открытий. Он показал, что максимум излучения солнечного спектра находится в области оранжевого цвета, а не инфракрасного, как думали раньше; что инфракрасное излучение сравнительно легко проходит сквозь атмосферу; что количество энергии, необходимое для того, чтобы вызвать видимый эффект, очень сильно зависит от цвета. Наконец, Ленгли измерил для наземных источников очень большие длины волн излучения вплоть до 0,05 мм.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки