Оптика

I. Содержание этой науки. — Оптика представляет собой отдел физики, в котором рассматриваются световые явления; подразделяется на следующие части: а) геометрическая О., b) физическая О. и с) физиологическая О. Основание геометрической О. составляют опытом найденные законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света, а также закон квадратов расстояний и понятие о луче; ни критика тех опытов, на основании которых заключили о существовании этих законов, ни рассмотрение тех возможных и вероятных физических причин, из которых эти законы являются простым математическим, т. е. логическим следствием, в область геометрической О. не входят. Геометрическая O. ставит своей задачей математическое исследование хода световых лучей при различных условиях; эти исследования могут иметь целью: или найти путь лучей, когда заданы свойства и форма тех прозрачных сред, по которым лучи должны проходить; или обратно — разыскать свойства (оптические) и форму прозрачных сред, при которых пути лучей удовлетворяли бы некоторым заранее поставленным требованиям; при всех этих вопросах законы движения по различным средам и законы перехода из одной в другую предполагаются известными. Главное и единственное средство, при помощи которого геометрическая оптика получает свои результаты, есть чистая математика. Физическая оптика занимается разысканием условий, необходимых для того, чтобы те или другие световые явления совершались, а также законов, связывающих количественную сторону совершающихся световых явлений с количественной стороной других физических явлений, которые являются или причиной рассматриваемых световых явлений, или сопровождают их, или суть непосредственные следствия их. Не ограничиваясь только разысканием вышеуказанных условий и связей — физическая О. старается и объяснить их, делая различные гипотезы о сущности световых явлений; исходя из этих гипотез, выраженных математически, стараются показать необходимость тех, уже из опыта известных, законов, которым световые явления подчиняются, также стараются получить указание на существование новых оптических явлений, на законы, по которым они должны совершаться, и на ту опытную обстановку, при которой они могут быть наблюдаемы. Получив такие указания, стараются подтвердить предсказанное опытом. Следовательно, гипотезы и развивающиеся из них теории служат не только для систематизации громадного опытного материала, относящегося к световым явлениям, но и служат указателями того, в каком направлении и при какой обстановке нужно работать далее; благодаря таким теоретическим наведениям и указаниям найдены такие поразительные явления, как коническое лучепреломление, некоторые особые случаи дифракции, явления Герца и др. Главным средством физической О. служит опыт, математика и механика, причем решающая роль принадлежит опыту. Физиологическая (см.) О. занимается исследованием ощущений, вызываемых в наблюдателе светом, попадающим на сетчатку глаза.

II. Исторический очерк развития Оптики. Выше указанное разделение О. образовалось только с накоплением достаточного опытного и теоретического материала; постепенный рост этого материала в общих чертах следующий: за 300 лет до Р. Х. Евклид устанавливает факт прямолинейного распространения света и законы отражения, чем и кладет основание геометрической О., но рассмотрение отражения света от зеркал плоских и сферических сделано только в I в. по Р. Х. Птолемеем в его трактате об оптике; в этом же веке (50 лет по Р. Х.) Клеомед устанавливает качественно законы преломления, т. е., что при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную он приближается к перпендикуляру, и наоборот; Птолемей пытался найти количественную связь между углами падения и преломления, но это ему не удалось: его измерения привели к неверному заключению, именно — углы преломления пропорциональны углам падения. Около 1000 лет по Р. Х. Алхацен показывает, что от каждой точки светящегося предмета идут лучи к глазу, высказывает мнение, что свет не может распространяться мгновенно, рассматривает отражение от цилиндрических и конических зеркал и, исследуя преломление света, находит неверность закона Птолемея, но точного закона ему найти не удается; разбирая преломление при прохождении лучей через прозрачный шар показывает, что солнечная теплота и лучи собираются в некотором расстоянии от шара. В XIII в. по Р. Х. Роджер Бакон, рассматривая преломление через сферические поверхности, указывает, что, благодаря преломлению, кажущиеся размеры предметов могут быть увеличены, так что, следовательно, возможно "...читать мельчайшие буквы с огромных расстояний...", но опытом этого не подтверждает; кроме этого Бакон разбирает параболические зеркала и показывает существование сферической аберрации в сферических зеркалах; в этом же веке изобретены очки, но имя изобретателя неизвестно. В XVI в. Мавролик открывает сферическую аберрацию в чечевицах, объясняет действие очков и изображения через малые отверстия, Делла-Порта изобретает камеру-обскуру; к концу XVI и началу XVII вв. почва для изобретения микроскопа и зрительной трубы оказывается вполне подготовленной, так что оба эти громадной важности прибора изобретаются, но имена первых устроителей этих приборов с достоверностью нам не известны. XVII век особенно богат прекрасными оптическими открытиями: Кеплер находит и объясняет полное внутреннее отражение, разбирает ход лучей в стеклах и трубах, дает планы новых зрительных труб, причем истинный закон преломления ему неизвестен; он пытался его найти, но неудачно, поэтому при всех своих оптических работах пользуется законом приближенным; истинный закон преломления был найден Снеллем (1626), но опубликован только (самостоятельно) Декартом; Кирхер описывает явления фосфоресценции и флуоресценции; Кавальери, приняв показатель преломления равным 3/2, дает выражения для фокусных расстояний чечевиц; Марци предлагает получить спектр на экране в темной комнате и утверждает, что раз преломленный луч сохраняет при последующих преломлениях один и тот же цвет (но опытов не делает); Гримальди открывает явление дифракции света и высказывает идею о волнообразной теории; Гук тоже намечает теорию волнения и даже высказывает мысль, что колебания должны быть поперечные относительно направления распространения их; кроме того Гук занимается исследованием цветов тонких пластинок, применяет зрительную трубу для измерения углов; Рёмер из наблюдений над затмениями спутников Юпитера открывает и определяет скорость света; Смит, Джюрин, Бюффон разрабатывают физиологическую О.; Гюйгенс исследует законы двойного преломления в исландском шпате, дает способ построения хода преломленных лучей, поддерживает теорию волнения и на основании ее объясняет большинство оптических явлений, но совершенно забывает мысль Гука о поперечности колебаний и считает их продольными, и, наконец, Ньютон открывает цветное светорассеяние, исследует цвета тонких пластинок, разрабатывает явления дифракции, устраивает первый зеркальный телескоп, развивает теорию истечения и благодаря своей гениальности так удачно и хорошо приспособляет эту теорию ко всем известным тогда оптическим явлениям, что все его ученики становятся на его точку зрения и в начале игнорируют, а потом и совсем забывают идеи Гука и Гюйгенса о волнообразной теории света, вследствие чего теория истечения остается господствующей и всеми принятой до 1800 г. В 1800 г. Юнг вновь выдвигает забытую теорию волнения и в 1801—1802 гг. окончательно становится на ее сторону; он устанавливает принцип и факт интерференции света, ею объясняет цвета тонких пластинок, вычисляет длины световых волн, но нападки противников, накопление новых фактов, которые не могли быть объяснены из-за непринятия поперечности колебаний, заставили Юнга почти потерять веру в правильность его идей. В это время открытия быстро следовали одно за другим: Малюс (1808) открывает поляризацию света отражением, в 1810 г. показывает, что двойное преломление сопровождается поляризацией обоих преломленных световых пучков, одновременно с Био в 1811 г. открывает поляризацию простым преломлением; в том же году Араго открывает хроматическую поляризацию, которая дальше разрабатывается Брюстером; в то же время Био очень остроумно приспособляет теорию истечения к этим явлениям; что же касается Юнга — то он не может выяснить роли поляризации во всех этих явлениях и только высказывает мысль, что все они могут быть объяснены интерференцией света; теория истечения снова начинает брать верх, но уже ненадолго. В 1818 г. Френель представляет парижской академии наук свой знаменитый мемуар о дифракции света, соединяет принцип элементарных волн с принципом интерференции, выясняет прямолинейное распространение света, приводит новые случаи интерференции, совместно с Араго устанавливает законы интерференции поляризованных лучей, на основании которых приходит к заключению о поперечности колебаний, но такое заключение представляется ему в таком противоречии с представлениями о природе колебаний упругих жидкостей, что он не решается принять это заключение, так что Юнг, познакомившись с работами Араго и Френеля, опубликовывает гипотезу поперечности раньше самого автора. Многим математикам эта гипотеза кажется чудовищной, нелепой, но в мемуаре о поляризации света (1821) и о двойном лучепреломлении Френель показывает, с какой легкостью из этой гипотезы вытекают объяснения всех в то время известных явлений поляризации, далее дает теорию двойного преломления, вводит гипотезу об эллиптической поляризации и всем этим заставляет большинство физиков принять его сторону; когда же в 1832 г. Гамильтон теоретически, на основании формул Френеля, предсказал существование конического лучепреломления (см.) а Ллойд подтвердил предсказанное опытом, и затем в 1850-х годах Физо и за ним Фуко определили скорость света в воздухе и в воде и нашли ее согласной с теорией волнения и противоречащей теории истечения, тогда первая была окончательно принята всеми. При детальной разработке теории волнения пришлось убедиться, что хотя громадное большинство оптических явлений хорошо объясняется этой теорией, но для объяснения многих явлений приходится делать различные допущения относительно свойств эфира и его связи с телами; благодаря таким допущениям явились, так сказать, варианты и дальнейшие развития Френелевской теории (теории Грина, Неймана, Мак-Куллага, Коши, Бусинеска, Гельмгольца и др.) и, наконец, в конце 1860-х и начале 1870-х годов явилась новая, так называемая электромагнитная, теория света, данная английским ученым Максвелем (см.). Эта теория до конца 1880-х годов (до опытов Герца над распространением электромагнитных колебаний) не пользовалась успехом, но после названных опытов начала обращать на себя внимание и в настоящее время начинает приниматься большинством. Параллельно с разработкой теоретических вопросов О. в нашем веке совершается ряд блестящих открытий в экспериментальной части. Волластон открывает, Фрауэнгофер (1814—1815) в подробности изучает темные линии в солнечном спектре и (1821—1822) получает спектр от дифракционных решеток. Гершель (1822—29) исследует спектры некоторых тел, за ним Тальбот указывает на возможность оптического анализа; но ни тот, ни другой не устанавливают факта зависимости определенных линий в спектре от присутствия соответственного элемента в пламени. Ниепс и Дагерр (1829—35) кладут начало фотографии, Кирхгоф и Бунзен (1859) создают спектральный анализ. Установка соотношения между спектрами поглощения и испускания влечет за собой множество новых работ: открываются спектральным анализом новые тела (цезий, рубидий, талий), им же пользуются для изучения строения небесных светил и, пользуясь принципом Доплера, применяют спектральный анализ к открытию движения небесных светил. Ле-Ру (1862), Христианзен (1870) открывают аномальное светорассеяние, Кундт его обстоятельно исследует и, наконец, начиная с 1888 г., благодаря исследованиям Герца, появляется громадное количество работ, имеющих целью показать, что все известные нам оптические явления могут быть повторены с лучами электромагнитными. Опыт поразительно подтверждает как предсказанную Максвелем аналогию лучей обоего рода, так и некоторые явления, вытекающие как следствие из электромагнитной теории, заставляя этим поставить эту теорию света на первое место. Помощь, оказанная различными оптическими открытиями другим наукам, громадна: зрительная труба позволила астрономии открыть множество невидимых невооруженному глазу светил, точно координировать их положение и определять координаты места наблюдателя на земной поверхности; микроскоп ввел биологию в новый мир микроорганизмов, невооруженному глазу недоступный; спектральный анализ дал возможность судить о строении небесных светил, о движении их в том случае, если их расстояние от наблюдателя настолько велико, что наблюдаемое положение светила на небесном своде кажется постоянным, о присутствии в пламени или электрической искре тех или иных тел в таких малых количествах, определение которых химическому анализу недоступно; сахариметры дали возможность быстро определять количество сахара в растворах и, наконец, фотография (успехи которой зависели также и от химических изысканий) дает способ закрепить все, что видимо в трубу, в микроскоп, в спектроскоп или невооруженным глазом на пластинке и сохранить этот беспристрастный документ на неопределенно долгое время. Изложение гипотез и теорий света см. Свет и статьи: Двойное лучепреломление, Дифракция, Диоптрика, Оптические инструменты, Оптические стекла, Катоптрика и пр.

А. Садовский.