Вся бібліотека

Брокгауз і Єфрон

 

Довідкова бібліотека: словники, енциклопедії

Енциклопедичний словник

Брокгауза і Ефрона



::

 

 

Оптика

 

I. Зміст цієї науки. - Оптика представляє собою відділ фізики, в якому розглядаються світлові явища; поділяється на такі частини: а) геометрична О., b) фізична О. та з) фізіологічна О. Підстава геометричної О. складають досвідом знайдені закони прямолінійного поширення, відбивання і заломлення світла, а також закон квадратів відстаней і поняття про лучі; ні критика тих дослідів, на підставі яких уклали про існування цих законів, ні тих розгляд можливі і ймовірних фізичних причин, з яких ці закони є простим математичним, тобто логічним наслідком, в область геометричної О. не входять. Геометрична O. ставить своїм завданням математичне дослідження ходу світлових променів при різних умовах; ці дослідження можуть мати метою: або знайти шлях променів, коли задані властивості і форма тих прозорих середовищ, за яким промені повинні проходити; або назад - розшукати властивості (оптичні) та форму прозорих середовищ, при яких шляху променів задовольняли б деяким заздалегідь поставленим вимогам; при всіх цих питання закони руху різних середовищ і закони переходу з однієї в іншу передбачаються відомими. Головне і єдине засіб, за допомогою якого геометрична оптика отримує свої результати, є чистий математика. Фізична оптика займається разысканием умов, необхідних для того, щоб ті чи інші світлові явища відбувалися, а також законів, зв'язують кількісну сторону відбуваються світлових явищ з кількісною стороною інших фізичних явищ, які є або причиною розглянутих світлових явищ, або супроводжують їх, або суть безпосередні наслідки. Не обмежуючись тільки разысканием вищевказаних умов і зв'язків - фізична О. намагається пояснити їх, роблячи різні гіпотези про сутність світлових явищ; виходячи з цих гіпотез, виражених математично, намагаються показати необхідність тих, вже з досвіду відомих, законів, яким світлові явища підкоряються, також намагаються отримати вказівку на існування нових оптичних явищ, закони, за якими вони повинні відбуватися, і на ту дослідну обстановку, при якій вони можуть бути наблюдаемы. Отримавши такі вказівки, намагаються підтвердити передвіщене досвідом. Отже, гіпотези і розвиваються з них теорії служать не тільки для систематизації величезного досвідченого матеріалу, що відноситься до світловим явищ, але і служать показниками того, в якому напрямку і при якій обстановці потрібно працювати далі; завдяки таким теоретичним наведениям і вказівок знайдені такі разючі явища, як конічне лучепреломление, деякі особливі випадки дифракції, явища Герца та ін. Головним засобом фізичної О. служить досвід, математика і механіка, причому вирішальна роль належить досвіду. Фізіологічна (див.) О. займається дослідженням відчуттів, що викликаються у спостерігача світлом, що потрапляє на сітківку ока.

II. Історичний нарис розвитку Оптики. Вище зазначений поділ О. утворилося тільки з накопиченням достатнього досвідченого і теоретичного матеріалу; поступове зростання цього матеріалу в загальних рисах такий: за 300 років до Н. Х. Евкліда встановлює факт прямолінійного поширення світла і закони відбивання, чим і кладе підстава геометричної О., але розгляд відбиття світла від дзеркал плоских і сферичних зроблено тільки в I ст. по Р. Х. Птолемеєм в його трактаті про оптиці; у цьому ж столітті (50 років за Н. Х.) Клеомед встановлює якісно закони заломлення, тобто, що при переході променя з менш щільного середовища в середовище більш щільну він наближається до перпендикуляру, і навпаки; Птолемей намагався знайти кількісну зв'язок між кутами падіння і заломлення, але це йому не вдалося: його вимірювання призвели до невірного висновку, а саме - кути заломлення пропорційні кутах падіння. Близько 1000 років за Н. Х. Алхацен показує, що від кожної точки предмета світиться йдуть промені до віч, висловлює думку, що світ не може поширюватися миттєво, розглядає відображення від циліндричних і конічних дзеркал і, досліджуючи заломлення світла, знаходить невірність закону Птолемея, але точного закону йому знайти не вдається; розбираючи заломлення при проходженні променів через прозору кулю показує, що сонячна теплота і промені збираються в деякій відстані від кулі. У XIII ст. по Р. Х. Роджер Бакон, розглядаючи заломлення через сферичні поверхні, вказує, що, завдяки переломленню, здаються розміри предметів можуть бути збільшені, так що, отже, можливо "...читати дрібні літери з величезних відстаней...", але досвідом цього не підтверджує; крім цього Бакон розбирає параболічні дзеркала і показує існування сферичної аберації у сферичних дзеркалах; ж столітті винайдені окуляри, але ім'я винахідника невідомо. У XVI ст. Мавролик відкриває сферичну аберацію в чечевицах, пояснює дію очок і зображення через малі отвори, Делла-Порту винаходить камеру-обскуру; кінця XVI і початку XVII ст. грунт для винаходу мікроскопа і зорової труби виявляється цілком підготовленою, так що обидва ці величезної важливості приладу винаходяться, але імена перших організаторів цих приладів з достовірністю нам не відомі. XVII століття особливо багатий прекрасними оптичними відкриттями: Кеплер знаходить і пояснює повне внутрішнє відображення, розбирає хід променів в стеклах і трубах, дає плани нових зорових труб, причому справжній закон заломлення йому невідомий; він намагався його знайти, але невдало, тому при всіх своїх оптичних роботах користується законом наближеним; істинний закон заломлення був знайдений Снеллем (1626), але опублікований тільки (самостійно) Декартом; Кірхер описує явища фосфоресценции і флуоресценції; Кавальєрі, прийнявши показник заломлення рівним 3/2, дає вирази для фокусних відстаней чечевиц; Марци пропонує отримати спектр на екрані у темній кімнаті і стверджує, що раз переломлений промінь зберігає при наступних преломлениях один і той же колір (але дослідів не робить); Грімальді відкриває явище дифракції світла і висловлює ідею про хвилеподібною теорії; Гук теж намічає теорію хвилювання і навіть висловлює думка, що коливання повинні бути поперечні щодо направлення поширення їх; крім того Гук займається дослідженням квітів тонких платівок, застосовує зорову трубу для вимірювання кутів; Ремер з спостережень над затемнень супутників Юпітера відкриває і визначає швидкість світла; Сміт, Джюрин, Бюффон розробляють фізіологічну О.; Гюйгенс досліджує закони подвійного заломлення в ісландському шпате, дає спосіб побудови ходу преломленных променів, підтримує теорію хвилювання і на підставі її пояснює більшість оптичних явищ, але зовсім забуває думка Гука про поперечности коливань і вважає їх поздовжніми, і, нарешті, Ньютон відкриває кольорове світлорозсіювання, досліджує кольори тонких пластинок, розробляє явища дифракції, влаштовує перший дзеркальний телескоп, розвиває теорію закінчення і завдяки своїй геніальності так вдало і добре приспособляет цю теорію до всіх відомих тоді оптичним явищам, що всі його учні стають на його точку зору і на початку ігнорують, а потім і зовсім забувають ідеї Гука і Гюйгенса про хвилеподібною теорії світла, внаслідок чого теорія закінчення залишається панівною і всіма прийнятої до 1800 р. В 1800 р. Юнг знову висуває забуту теорію хвилювання і у 1801-1802 рр .. остаточно стає на її бік; він встановлює принцип і факт інтерференції світла, нею пояснює кольори тонких пластинок, обчислює довжини світлових хвиль, але нападки опонентів, накопичення нових фактів, які не могли бути пояснені через неприйняття поперечности коливань, змусили Юнга майже втратити віру в правильність його ідей. В цей час швидко відкриття слідували одне за іншим: Малюс (1808) відкриває поляризацію світла відображенням, у 1810 р. показує, що подвійне заломлення супроводжується поляризацією обох преломленных світлових пучків, одночасно з Біо в 1811 р. відкриває поляризацію простим заломленням; в тому ж році Араго відкриває хроматичну поляризацію, яка далі розробляється Брюстером; в той же час Біо дуже дотепно приспособляет теорію до закінчення цим явищам; стосується Юнга - то він не може з'ясувати ролі поляризації у всіх цих явища і лише висловлює думку, що всі вони можуть бути пояснені інтерференцією світла; теорія закінчення знову починає брати верх, але вже ненадовго. У 1818 р. Френель являє паризької академії наук свій знаменитий мемуар про дифракції світла, з'єднує принцип елементарних хвиль з принципом інтерференції, з'ясовує прямолінійне поширення світла, наводить нові випадки інтерференції, спільно з Араго встановлює закони інтерференції поляризованих променів, на підставі яких приходить до висновку про поперечности коливань, але такий висновок видається йому в таке протиріччя з уявленнями про природу коливань пружних рідин, що він не наважується прийняти це висновок, так що Юнг, познайомившись з роботами Араго і Френеля, опубліковує гіпотезу поперечности раніше самого автора. Багатьом математикам ця гіпотеза здається жахливою, безглуздою, але в мемуарі про поляризацію світла (1821) і про подвійне заломленні проміня Френель показує, з якою легкістю з цієї гіпотези випливають пояснення всіх в той час відомих явищ поляризації, далі дає теорію подвійного заломлення, вводить гіпотезу про еліптичної поляризації і всім цим змушує більшість фізиків прийняти його сторону; коли ж у 1832 р. Гамільтон теоретично, на підставі формул Френеля, передбачив існування конічного променезаломлення (див.) а Ллойд підтвердив передбачене досвідом, і потім в 1850-х роках Фізо і за ним Фуко визначили швидкість світла в повітрі і в воді і знайшли її згідною з теорією хвилювання і суперечить теорії закінчення, тоді перша була остаточно прийнята всіма. При детальній розробці теорії хвилювання довелося переконатися, що хоч величезну більшість оптичних явищ добре пояснюється цією теорією, але для пояснення багатьох явищ доводиться робити різні припущення щодо властивостей ефіру та його зв'язку з тілами; завдяки таким допущеннях з'явилися, так би мовити, варіанти та подальші розвитку Френелевской теорії (теорії Гріна, Неймана, Мак-Куллага, Коші, Бусинеска, Гельмгольца та ін) і, нарешті, в кінці 1860-х і початку 1870-х років з'явилася нова, так звана електромагнітна теорія світла, дана англійським вченим Максвелем (див.). Ця теорія до кінця 1880-х років (до дослідів Герца над поширенням електромагнітних коливань) не користувалася успіхом, але після названих дослідів почала звертати на себе увага і в даний час починає прийматися більшістю. Паралельно з розробкою теоретичних питань О. в нашому столітті відбувається ряд блискучих відкриттів в експериментальній частині. Волластон відкриває, Фрауэнгофер (1814-1815) в подробиці вивчає темні лінії в сонячному спектрі і (1821-1822) отримує спектр від дифракційних решіток. Гершель (1822-29) досліджує спектри деяких тіл, за ним Тальбот вказує на можливість оптичного аналізу; але ні той, ні інший не встановлюють факту залежності певних ліній в спектрі від присутності відповідного елемента у полум'я. Ниепс і Дагерр (1829-35) кладуть початок фотографії, Кірхгоф і Бунзен (1859) створюють спектральний аналіз. Встановлення співвідношення між спектрами поглинання і випущення тягне за собою безліч нових робіт: відкриваються спектральним аналізом нові тіла (цезій, рубідій, талій), ним користуються для вивчення будови небесних світил і, користуючись принципом Доплера, застосовують спектральний аналіз до відкриттю руху небесних світил. Ле-Ру (1862), Христианзен (1870) відкривають аномальне світлорозсіювання, Кундт його докладно досліджує і, нарешті, починаючи з 1888 р., завдяки дослідженням Герца, з'являється величезна кількість робіт, що мають на меті показати, що всі відомі нам оптичні явища можуть бути повторені з променями електромагнітними. Досвід разюче підтверджує як передбачену Максвелем аналогію променів обох роду, так і деякі явища, що випливають як наслідок з електромагнітної теорії, змушуючи цим поставити цю теорію світла на перше місце. Допомога, надана різними оптичними відкриттями іншим наук, громадна: зорова труба дозволила відкрити безліч астрономії невидимих неозброєним оком світив, точно координувати їх положення і визначати координати місця спостерігача на земній поверхні; мікроскоп ввів біологію в новий світ мікроорганізмів, неозброєному оку недоступний; спектральний аналіз дав можливість судити про будову небесних світил, про рух їх у тому разі, якщо їх відстань від спостерігача настільки велике, що спостережуване положення світила на небесному зводі здається постійним, про присутність в полум'я або електричній іскрі тих чи інших тіл в таких малих кількостях, визначення яких хімічному аналізу недоступне; сахариметры дали можливість швидко визначати кількість цукру в розчинах і, нарешті, фотографія (успіхи якої залежали також і від хімічних досліджень) дає спосіб закріпити все, що мабуть в трубу, мікроскоп, у спектроскоп або неозброєним оком на платівці і зберегти цей неупереджений документ на невизначено довгий час. Виклад гіпотез і теорій світла див. Світло і статті: Подвійне лучепреломление, Дифракція, Диоптрика, Оптичні інструменти, Оптичні скла, Катоптрика та ін.

А. Садовський.

 

  Енциклопедичний словник Брокгауза і Ефрона Буква >>>