12
Томас Юнге
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ДЕМОНСТРАЦИЯ
ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА
Ниже приведется отрывки из двух оригинальных работ Томаса Юнга:
I — из лекции, прочитанной им 24 ноября 1803 года в Королевском обществе; II — из 39-й лекции «Курса лекций по натуральной философии», опубликованного в 1807 году.
В этих работах на основе анализа явлений интерференции и диффакции строго и удивительное логично доказывается справедливость волновой теории света.
Перевод и подготовка публикации осуществлены С. Р. Филоновичем.
I. «… я обнаружил такое простое и столб легко демонстрируемое доказательство общего закона интерференции двух потоков света, который я уже пытался установить ранее, что решил представить Королевскому обществу краткое сообщение о факте, каждщемся мне столб доказательным. Утверждение, на котором я собираюсь теперь настанвать, простое: цветные полосы появляются вседствие интерференции двух потоков света. Я думаю, что факт возможности проверить это утверждение простыми экспериментами, о которых я собираюсь рассказать и которые могут быть легко повторены в любой солнечный день с помощью предметов, у каждой нахождения под рукой, не будет ответнуть даже людьми предубеженными.
Я продолжал маленькое ответение в оконной ставне и закрыл его листком толстой бумаги, которое проткнул тонкой иглой. Для большого удобства наблюдания я помещил снаряжи окна маленькое стекло так, чтобы оно отражало солнечный свет в горизонтальном направлении на противоположную стену. Расходящая световой поток проходил при этом над столом, на котором стояло несколько небольших экранов из бумажных карточек. В световой поток я внес полоску карточки шириной в 1/3 дюйма*) и наблюдал ее тень как на противоположной стене, так и на других карточках, помещенных на разных расстояниях от первой. При этом по краям тени образовались цветные полосы, а сама тень разделилась рядом параллельных полос, причем середина ее оставалась светлой. Эти полосы в самом тени являются следствием объединения двух порций света, приходящих с разных стороны полоски карточки и диффакриюших в области тени. Если маленький экран помещить в несколько дюймов от полоски так, чтобы края тени от него и полоски совпадали, все полосы, ранее наблюдаются в тени на стене, немедленно исчезнут, хотя свет, проходящий с другой стороны полоски, распространется тем же путем. Далее при увеличении интенсивности света восстанавливаются полосы было нельзя. Следовательно, один из двух потоков света не в состоянии само-
*) 1 дюйм — 2,54 см. (Здесь и далее при-mechanique переводика.)
13
стояльно образовать полосы. Если же не прерывать ни один из потоков, то линни появлялись даже в том случае, когда интенсивность уменышлась вдеять и даже в двенадцать раз…
Если постараться исследовать размеры полос в различных условиях, то можно рассчитать разность длины путей, проходимых потоками света. При этом мы найдем, что если длины путей равны, то свет всегда остается белым. Там же, где либо самый яркий свет, либо свет любого цвета появляетсяновь в первый, во второй или третий раз, разности длины путей двух потоков образуют арифметическую прогрессию, естественно, настолько точно, насколько эксперименты такого рода могут согласовываться между собой.
Наблюдения эффективов диффракции и интерференции могут быть подчас полезны с практической точки зрения, делая нас более осмотрительными в наших выводах относительно появления мелчайших тел, рассматриваемых в микросокоп. Тень от непрозрачного волокна, помещенного в пучок света, прошедшего через маленькое отверстие, всегда немного светлее в центре, чем на краю. Сходный эффект может, в определенной мере, иметь место и в отношении изображения на сетчатке глаза. Таким путем может создаваться представление о проэргности, который нет на самом деле. Если же малый пучок света действительно пройдет через вещество, то он может быть уничтожен интерференцией с диффрагированным светом, и создается впечатление частичной непрозрачности этого вещества. Таким образом, центральное пятно и светлое пятно, окруженное темным колыцом, могут соответственно получаться изобразениями полупрозрачных или непрозрачных частиц и производить впечатление сложности структуры, которое нет на самом деле. Для того чтобы избежать ошибки, мы можем положить на стекло две или три ниточки
Интерференционная топографическая карта поверхности слюды. Расстояние от одной темной линии до другой соответствует увеличению толщины на 1/40000 см.
Интерференционная картина выполнена еще более удобное средство — изменить увеличение микросокоп, и если явление остается неизменным по величины и характеристим, можно быть уверенным
14
Рис. 1.
в том, что оно действительное принадлежит природу рассматриемого объекта…».
II. «Природа света — предмет неслишком важный с материальной точки зрения, которая касается жизни и практики, но во многих других аспектах этот предмет очень интересный, поскольку обогащает наш знания о природаче чувств и о Вселенной вообще. Исследование получения цветов и богатства их оттенков тесто связывано с теории их важнейших свойств и их принцип. Многие из этих явлений помогут нам в формировании представления о природае и источнике света вообще.
Предполагается, что свет либо состоит из потока весма малых частиц светоносных веществ, существование которых поступрется (эти частицы движутся со скоростью, рисуней света), либо представляется собой возбужdenе волнообразного движения в легкой и упругой среде, наполняющей Вселенную, такого, которое соответствует звуку. Мнення ученых всех веков разделялись, когда требовалось отдать предопчение одному из этих сухдений. Кроме того, есть обстоятельства, которые заставляют разделяющихся первуго точку зрения либо верить вместе с Ньюотоном, что излучению частиц всегда сопутствует волнообразное движение эфироной среды, либо считать, что мелчайшие частицы сами в момент излучения получают неокторые врашательные и колбательные движения, которые они сохраняют все время их предполагаемого движения. Эти дополнительные сообщения, которые были придуманы для объяснения некоторых конкретных явлений, никогда не рассматривались и не принимались в общем, хотя не делалось никаких попыток для того, чтобы приспособить теорию для объяснения этих явлений каким-либо другим путем.
Предполагается, что свет любого данного цвета состоит из колбаний данной длины или данной частицы, мы приходим к выводу, что эти волновые движения ответственных за эффекты, которые мы уже изучили в случае волн на воде и звуковых импульсов. Было показано, что две равные группы волн, получающие от двух центров, расположенных рядом, могут в определенных точках уничтожить влияние друг друга, а в других точках удвоить его; биение двух звуков объясняется аналогичной интерфейсией. Теперь мы применим эти принципы к переменному сложению и погашению цветов.
Для того чтобы действия двух потоков света могли таким образом сложиться, необходимо, чтобы они порождены одним источником и чтобы они достигли одной точки разными путем по направлениям, не сильно различующимся друг от друга *). Это различие в пути может получить с помощью диффракиции, отражения, преломления, либо с по-
*) Как говорят теперь, потоки света должны быть корреентными.
15
мощью любой комбинации этих явлений. Простейшим является случай, когда поток однородного света падает на экран с двумя очень малыми отверстиями или щелями (рис. 1), которые могут считаться центрами расхождения, и от которых свет диффрагирует во всех направлениях *). В этом случае, когда два вновь образованных потока падают на поверхности, где они перекрывают, их свет разделяется темными полосами, приблизительно равными по величины, но становятся шире, когда экран отодвгается от отверстии. Середина между двумя потоками всегда светлая, а светление полосы с каждой стороны находится на таких расстояниях, что свет, приходящий к ним от одного отверстия, должен пройти путь больший, чем от другого, на величины, которая равна длине одной, двух, трех или более волн, в то время как лежащие между ними темные полосы соответствуют разности в пути в 1/2, 3/2, 5/2, … длины волны.
Из сравнения результатов различных экспериментов следует, что длина волн для красного света должна равняться в воздухе 1/36000 дюйма, для филотового света — 1/60000 дюйма; средняя величины по всему спектру равна приблизительно 1/45000 дюйма **). Исходя из этих размеров и учитывая выше известную величины скорости света, можно подсчитать, что даже для длиноволого света в одну секунду в глаз попадает 500 000 000 000 таких волн.
Еще более простую и удобную демонстрацию общего закона интерференции света представляют цвет тонких пленок произных веществ. Здесь можно наблюдать интерферению света, частично отраженного отверхней и нижней поверхности пленки, или, при рассмотрении в прохо-
*) Знаменный эксперимент Юга по дифракту от двух щелей.
**) Дейстительная область видимого света лишь немного выходит из этого диапазона. Наблюдая Юга были видимые точки.
Интерференционные полосы в горячее воздухе, поднимающимся от пламени свечи.
16
желтой, затем красной, темно-красной и синей, после чего эффект исчезает вследствие перехода пленки в непрозрачное состояние.
Объчно, правда, чередование цветов, полученных в отраженном свете, несколько иное. Плотность пленки окисла большие, чем плотность воздуха, а плотность металла большие, чем окисла; но если плотность среды над и под пленкой одновременно либо большие, либо меньше плотности пленки, то различные поверхности по-разному меняют состояние волны, и веса тонкий слой пленки становится темным вместе того, чтобы быть светлым, один поток света уничтожает другой вместе того, чтобы обединиться с ним *).
Если получить мыльную пленку и поставить ее в вертикальное положение, то верхний край пленки становится очень тонким и будет почти черным, в то время как нижние области будут подлеены горизонтальными линиями на серии цветных полос (рис. 2).
Когда два стекла, одно из которых слегка выпукло, прижаты друг к другу с некоторой силой, слой воздуха, находящейся между ними, обусловливает появление цветных колцес **), начинающихся с темного пятна в центре и становящся все уже и уже по мере того, как искривление стекла все быстро увеличивает толщину слоя воздуха между стеклами. Черное пятно сменяется таким слабым филолетовым цветом, что он едва заметен; затем следует оранжево-желтый, темно-красный и синей (рис. 3).
Если заменить воздуха, находящаяся между стеклами, водой или другой жидкостью, то колца появятся при толщине, меняющей толщину слоя воздуха, поскольку плотность жидкости больше. Это непосредственно следует из отношения скорости, с которым свет,
*) Это проискодит вследствие изменения фазы на противоположную при отражении от вещества с большим коэффициентом преломления.
**) Так называемые «кольца Ньютона».
Рис. 2. Интерференционная картина, полученная при отражении света от тонкой мыльной пленки. Снимок сделан: в белом свете; в красном свете; тоже в красном свете, но несколько позже предыдущего.