«Шесть лекций о свете»

Объяснение этих колец было величайшей оптической трудностью, с которой когда-либо сталкивался Ньютон. Он вполне осознавал эту трудность. Над его орлиным взором не было никакой пелены — никакой расплывчатости в его концепциях. С самого начала его теория столкнулась с вопросом: почему при падении пучка света на прозрачное тело часть световых частиц отражается, а часть проходит сквозь него? Неужели существуют два вида частиц, из которых одни специально приспособлены для прохождения, а другие для отражения? Это не может быть причиной; ибо если мы позволим пучку света, отраженному от одного куска стекла, упасть на другой, он, как правило, также делится на отраженную и прошедшую части. Частицы, отраженные однажды, отражаются не всегда, равно как и частицы, прошедшие однажды, не всегда проходят. Ньютон видел все это; он знал, что должен объяснить, почему одна и та же частица в один момент отражается, а в следующий момент проходит. Это могло произойти только через какое-то изменение в состоянии самой частицы. Сама эта частица, утверждал он, подвержена «приступам» (fits) легкого прохождения и отражения.

§ 9. Теория «приступов», примененная к кольцам Ньютона.

Если вы пожелаете следовать за мной в попытке раскрыть умозрительную основу этой теории приступов, умственная дисциплина, я полагаю, вознаградит вас за необходимое усилие внимания. Ньютон не спешил заявлять о том, что он считал причиной приступов, но едва ли может быть сомнение в том, что его мысль останавливалась на физической причине. Не может быть сомнения и в том, что здесь, как и во всех попытках построения теорий, он был вынужден обратиться к опыту за материалами для своей теории. Давайте попытаемся восстановить ход его мыслей и наблюдений. Магнит мог дать ему представление о притягивающих и отталкивающих полюсах; и тот, кто привычно видел в видимом образ невидимого, естественно наделил бы свои световые частицы такими полюсами. Поворачивая свои притягивающие полюса к прозрачному веществу, частицы затягивались бы внутрь и проходили; поворачивая отталкивающие полюса, они отталкивались бы или отражались. Таким образом, посредством приписывания полюсов можно было бы объяснить прохождение и отражение одной и той же частицы в разное время.

Рассмотрите эти кольца Ньютона, видимые в чистом красном свете: они попеременно светлые и темные. Воздушная пленка, соответствующая самым внешним из них, не толще обычного мыльного пузыря, и она становится тоньше при приближении к центру; тем не менее Ньютон, как я уже сказал, измерил толщину, соответствующую каждому кольцу, и показал разницу в толщине между кольцом и кольцом. Теперь отметьте результат. Для удобства назовем толщину воздушной пленки, соответствующую первому темному кольцу, d; тогда Ньютон нашел расстояние, соответствующее второму темному кольцу — 2d; толщину, соответствующую третьему темному кольцу — 3d; толщину, соответствующую десятому темному кольцу — 10d и так далее. Обязательно должен быть какой-то скрытый смысл в этом маленьком расстоянии, d, которое так постоянно всплывает! Можно вообразить тот интенсивный интерес, с которым Ньютон размышлял над его значением. Обратите внимание на вероятный итог его мысли. Он наделил свои световые частицы полюсами, но теперь он вынужден ввести понятие периодического повторения. Здесь его способность к переходу от чувственного к дочувственному позволила бы ему легко предположить, что световые частицы одушевлены не только поступательным движением, но и вращательным движением. Астрономические знания Ньютона делали все подобные концепции привычными для него. Земля обладает таким двойным движением. За время, затрачиваемое на преодоление полутора миллионов миль своей орбиты — то есть за двадцатьчетыре часа — наша планета совершает полный оборот; и за время, необходимое для прохождения расстояния d, можно было бы предположить, что световая частица Ньютона совершает полный оборот. Правда, световая частица меньше планеты, и расстояние d, вместо того чтобы составлять полтора миллиона миль, чуть превышает девяностотысячную долю дюйма. Но обе концепции с точки зрения интеллектуального качества идентичны.

Вообразите же частицу, входящую в воздушную пленку там, где она обладает этой точной толщиной. Чтобы войти в пленку, должен быть предъявлен ее притягивающий конец. Внутри пленки она способна повернуться один раз полностью вокруг; на другой стороне пленки ее притягивающий полюс снова окажется обращенным вперед; поэтому она войдет в стекло с противоположной стороны пленки и станет невидимой для глаза. Вокруг места контакта, везде, где пленка обладает этой точной толщиной, свет будет одинаково исчезать — поэтому мы получим темное кольцо.

А теперь обратите внимание на то, как хорошо эта концепция согласуется с законом пропорциональности, открытым Ньютоном. Когда толщина пленки равна 2d, частица успевает совершить два полных вращения внутри пленки; когда толщина равна 3d — три полных вращения; когда 10d — совершается десять полных вращений. Очевидно, что в каждом из этих случаев при достижении второй поверхности пленки будет представлен притягивающий полюс частицы. Следовательно, она пройдет сквозь нее; и поскольку никакой свет не направляется в глаз, мы получим темное кольцо в каждом из этих мест.

Светлые кольца непосредственно следуют из той же концепции. Они возникают между темными кольцами, причем толщины, которым они соответствуют, также являются промежуточными между толщинами темных колец. Возьмем случай первого светлого кольца. Толщина пленки равна ½d; в этом промежутке вращающаяся частица может совершить лишь половину оборота. Поэтому, когда она достигает второй поверхности пленки, представлен ее отталкивающий полюс; следовательно, она отталкивается назад и достигает глаза. На всех расстояниях вокруг центра, соответствующих этой толщине, производится тот же эффект, и следствием является светлое кольцо. Остальные светлые кольца объясняются аналогичным образом. На втором из них, где толщина равна 1½d, совершается полтора оборота; на третьем — два с половиной оборота; и в каждом из этих мест частицы предъявляют свои отталкивающие полюса нижней поверхности пленки. Поэтому они отсылаются обратно к глазу и производят там впечатление яркости. Этот анализ, хотя и сопряженный с трудностями при внимательном рассмотрении, позволяет нам увидеть, как теория приступов могла вырасти в стройную систему в уме Ньютона.

Уже было сказано, что корпускулярная теория приписывала свету большую скорость в стекле и воде, чем в воздухе или в звездном пространстве; и что по этому пункту она находилась в прямом противоречии с волновой теорией, которая делает скорость в воздухе или звездном пространстве большей, чем в стекле или воде. Посредством эксперимента, предложенного Араго и выполненного с безупречным мастерством Фуко и Физо, этот вопрос был доведен до решающей проверки и решен в пользу волновой теории.

В настоящем случае обе теории также расходятся во мнениях. Ньютон предполагал, что действие, производящее чередующиеся светлые и темные кольца, происходит на одной-единственной поверхности; то есть на второй поверхности пленки. Волновая теория утверждает, что кольца вызываются интерференцией волн, отраженных от обеих поверхностей. Это также было продемонстрировано экспериментом. При правильном расположении, как мы узнаем позже, мы можем уничтожить отражение от одной из поверхностей пленки, и когда это сделано, кольца исчезают вовсе.

Кольца слабой интенсивности образуются также прошедшим светом. Волновая теория относит их к интерференции волн, которые прошли непосредственно сквозь пленку, с другими волнами, претерпевшими два отражения внутри пленки, и таким образом они получают полное объяснение.

§ 10. Дифракция света.

Принятие Ньютоном корпускулярной теории, как говорят, затормозило научное открытие. Однако можно поставить под сомнение, не играют ли в конечном счете ошибки великих людей ту роль, что делают интеллектуальный прогресс ритмичным, вместо того чтобы позволять ему оставаться равномерным, причем «замедление» в каждом случае служит прелюдией к более бурному продвижению. Нам следует избегать путаницы и застоя, а не ошибок. Таким образом, хотя волновая теория была на некоторое время задержана, она набрала силу за этот интервал, и ее развитие за последние полвека оказалось столь стремительным и триумфальным, что не оставило ей соперников на поле боя. Теперь мы должны обратиться к исследованию новых классов явлений, удовлетворительное объяснение которых способна дать лишь она одна.

Ньютон, который был знаком с идеей эфира и ввел его в некоторые из своих рассуждений, возражал, как уже говорилось, что если бы свет состоял из волн, тени не могли бы существовать; ибо волны огибали бы края непрозрачных тел и приводили бы в движение эфир позади них. Он был прав, утверждая, что это огибание должно происходить, но ошибался, полагая, что оно не происходит. Огибание реально, хотя во всех обычных случаях оно маскируется действием интерференции. Это искривление света получает название дифракции.

Для изучения явлений дифракции необходимо, чтобы наш источник света был физической точкой или тонкой линией; ибо когда используется светящаяся поверхность, волны, исходящие из разных точек поверхности, затушевывают и нейтрализуют друг друга. Точка света высокой интенсивности получается путем пропускания параллельных лучей солнца через отверстие в оконной ставне и концентрирования пучка линзой с коротким фокусом. Маленькое солнечное изображение в фокусе образует подходящую точку света. Изображение солнца, сформированное на выпуклой поверхности стеклянной бусины или часового стекла, почерненного изнутри, хотя и менее интенсивное, также подойдет. Интенсивная линия света получается при пропускании солнечного света через щель и направлении его через сильную цилиндрическую линзу. Срез света сокращается до физической линии в фокусе линзы. Стеклянная трубка, почерненная изнутри и помещенная на свет, отражает от своей поверхности светящуюся линию, которая, хотя и менее интенсивна, также служит этой цели.

В эксперименте, который предстоит описать, вертикальная щель переменной ширины помещается перед электрической лампой, и на эту щель смотрят с некоторого расстояния через другую вертикальную щель, также имеющую переменную ширину и удерживаемую в руке.

Свет лампы сначала делают монохроматичным, поместив перед щелью чистое красное стекло. Когда глаз располагают на прямой линии, проведенной через обе щели, наблюдается необычное явление (показанное на рис. 15). Во-первых, щель перед лампой видна в виде яркого прямоугольника света; но справа и слева от него располагается длинный ряд прямоугольников, уменьшающихся по яркости и отделенных друг от друга интервалами абсолютной темноты.

Видно, что ширина этих полос изменяется в зависимости от ширины щели, удерживаемой перед глазом. Когда щель расширяют, полосы становятся более узкими и теснятся ближе друг к другу; когда щель сужают, отдельные полосы расширяются, а также удаляются друг от друга, оставляя между собой более широкие, чем прежде, промежутки темноты.

Fig. 15.

Оставляя все остальное неизменным, поместим на пути света синее стекло или раствор аммиаката меди, который дает очень чистый синий цвет. В результате получается серия синих полос, во всех отношениях точно таких же, как прежние, за одним исключением: синие прямоугольники более узкие и расположены ближе друг к другу, чем красные.

Если мы используем цвета промежуточных преломляемостей (что можно сделать, пропуская через щель различные цвета спектра), мы получаем полосы цвета промежуточной ширины, занимающие промежуточные положения между полосами красного и синего цветов. Внешний вид полос в красном, зеленом и фиолетовом свете представлен на рис. 16. Следовательно, когда белый свет проходит через щель, различные цвета не накладываются друг на друга, и вместо серии монохроматичных полос, отделенных друг от друга интервалами темноты, мы получаем серию цветных спектров, расположенных бок о бок. Когда далекая щель освещается пламенем свечи, а не более интенсивным электрическим светом, или когда используется удаленная платиновая проволока, раскаленная до белого каления электрическим током, наблюдаются в существенных чертах те же эффекты.

Fig. 16.

§ 11. Применение волновой теории к явлениям дифракции.

Корпускулярная теория неспособна дать сколько-нибудь удовлетворительное объяснение этим и множеству подобных эффектов. Посмотрим, как они объясняются волновой теорией.

И здесь, стремясь к абсолютной ясности, я должен обратиться к той способности, важность которой я столь настойчиво подчеркивал здесь и в других местах, — к способности воображения. Представьте себя на морском берегу, к которому приближается хорошо сформированная волна. Возьмем ряд частиц вдоль фронта волны, находящихся на одинаковом расстоянии ниже гребня: все они поднимаются одинаковым образом и с одинаковой скоростью. Возьмем аналогичный ряд частиц на тыльной стороне волны: все они опускаются одинаковым образом и с одинаковой скоростью. Возьмем ряд частиц вдоль гребня: все они находятся в одинаковом состоянии относительно движения волны. То же самое справедливо и для ряда частиц вдоль подошвы волны.

Частицы, упомянутые в каждом из этих случаев, находясь в одинаковом состоянии относительно движения волны, как говорят, находятся в одинаковой фазе вибрации. Но если вы сравните частицу на фронте волны с частицей на ее тыльной стороне или, более allgemein, если вы сравните любые две частицы, не занимающие одинакового положения в волне, то, поскольку их состояния движения неодинаковы, говорят, что они находятся в разных фазах вибрации. Если одна из частиц лежит на гребне, а другая на подошве волны, то, поскольку одна вот-вот начнет подниматься, а другая — опускаться, говорят, что они находятся в противоположных фазах вибрации.

Fig. 17.

Есть еще один момент, который необходимо прояснить, и он имеет важнейшее значение для нашей нынешней темы. Пусть O (рис. 17) — точка в спокойной воде, которая при возмущении создает серию круговых волн; возмущение, необходимое для создания этих волн, представляет собой просто колебание воды вверх и вниз в точке O. Пусть mn будет положением гребня одной из волн в какой-то момент времени, а m'n' — его положением секундой или двумя позже. Теперь каждая частица воды по мере прохождения волны колеблется, как мы узнали, вверх и вниз. Если это колебание является достаточным источником волнового движения, то каждая отдельная частица волны mn должна давать начало серии круговых волн. Это тот важный момент, к которому я хочу вас подвести. Каждая частица волны mn действует именно так. Принимая каждую частицу за центр и окружая ее круговой волной с радиусом, равным расстоянию между mn и m'n', мы получаем, что слияние всех этих маленьких волн образует большой гребень m'n' именно так, как мы находим его в природе. Здесь, по сути, мы разлагаем волновое движение на его элементы, и, преуспев в этом, мы не встретим больших затруднений в применении наших знаний к оптическим явлениям.

Fig. 18.

Теперь вернемся к нашей щели и для простоты сначала рассмотрим случай монохроматичного света. Вообразим серию волн эфира, движущихся от первой щели ко второй и в конечном итоге заполняющих вторую щель. Когда каждая волна проходит через последнюю, она не только продолжает свое прямолинейное движение к сетчатке, но и расходится вправо и влево, стремясь привести в движение всю массу эфира позади щели. Фактически, как уже объяснялось, каждая точка волны, заполняющей щель, сама по себе является центром новой волновой системы, которая передается во всех направлениях через эфир позади щели. Это знаменитый принцип Гюйгенса: теперь мы должны рассмотреть, как эти вторичные волны действуют друг на друга.

Рассмотрим сначала центральную полосу серии. Пусть AP (рис. 18) — ширина отверстия, удерживаемого перед глазом (конечно, сильно преувеличенная), а точки поперек отверстия представляют частицы эфира, находящиеся в одинаковой фазе вибрации. Пусть ET представляет часть сетчатки. Из точки O в центре щели мысленно проведем перпендикуляр OR на сетчатку. Движение, сообщаемое точке R, будет тогда суммой всех движений, исходящих в этом направлении от частиц эфира в щели. Учитывая крайнюю узость отверстия, мы можем без заметной погрешности считать все точки волны AP одинаково удаленными от R. Ни одна из частичных волн заметно не отстает от других: следовательно, в точке R и в ее непосредственной близости мы не наблюдаем заметного ослабления света вследствие интерференции. Этот неуменьшенный свет создает яркую центральную полосу серии.

Теперь рассмотрим те волны, которые расходятся в стороны позади второй щели. В этом случае волны от двух сторон щели должны пройти неравные расстояния, чтобы сойтись на сетчатке. Пусть AP (рис. 19) представляет, как и прежде, ширину второй щели. Теперь мы должны рассмотреть действие различных частей волны AP на точку R' сетчатки, не расположенную на линии, соединяющей две щели.

Fig. 19.

Рассмотрим частный случай, когда разность хода от двух краевых точек A и P до сетчатки равна целой длине волны красного света; как эта разность должна повлиять на окончательное освещение сетчатки?

Сосредоточим наше внимание на конкретной наклонной линии, которая проходит через центр O щели к сетчатке в точке R'. Разность хода между волнами, проходящими по этой линии, и волнами от двух краев в предполагаемом здесь случае составляет пол-длины волны. Сделаем eR' равным PR', соединим P и e и проведем Od параллельно Pe. Тогда Ae — длина волны света, а Ad — пол-длины волны. Теперь малейшее размышление прояснит, что существует не только несогласованность между центральной и краевыми волнами, но что каждая линия волн, подобная xR' с одной стороны от OR', находит линию x'R' с другой стороны от OR', путь которой отличается от нее на полволны и с которой, следовательно, она находится в полной несогласованности. В результате свет с одной стороны от центральной линии полностью уничтожает свет с другой стороны этой линии, и результатом их слияния является абсолютная темнота. Таким образом объясняется первый темный интервал нашей серии полос. Он создается наклоном направления, из-за которого пути краевых волн отличаются друг от друга на целую длину волны.

Когда разность между путями краевых волн составляет пол-длины волны, происходит частичное разрушение света. Световая интенсивность, соответствующая этому наклону, чуть меньше половины — точно 0.4 — интенсивности нефракционированного света. Если пути краевых волн отличаются друг от друга на три полуволны и если весь пучок разделить на три равные части, то две из этих частей по только что названным причинам полностью нейтрализуют друг друга, и эффективной окажется только третья. Соответственно, наклону, который производит разность в три полуволны для краевых волн, соответствует светлая полоса, но со значительно меньшей интенсивностью, чем нефракционированная центральная полоса.

При краевой разности хода в четыре полуволны мы имеем второе гашение всего пучка, поскольку здесь пучок можно разделить на четыре равные части, каждые две из которых гасят друг друга. Второй промежуток абсолютной темноты будет поэтому соответствовать наклону, вызывающему такую разность. Таким образом мы можем продолжать дальше, причем общий результат заключается в том, что всякий раз, когда направление волнового движения таково, что производит краевую разность хода, равную четному числу полуволн, мы имеем полное гашение; в то время как, если краевая разность представляет собой нечетное число полуволн, мы имеем лишь частичное гашение, и часть пучка остается в виде светлой полосы.

Мгновенное размышление покажет, что чем шире щель, тем меньше будет наклон направления, необходимый для создания требуемой разности хода. Поэтому при широкой щели полосы, как и наблюдается, будут расположены ближе друг к другу, чем при узкой. Также очевидно, что чем короче волна, тем меньше наклон, необходимый для создания требуемого запаздывания. Максимумы и минимумы фиолетового света должны поэтому лежать ближе к центру, чем максимумы и минимумы красного света. Максимумы и минимумы остальных цветов располагаются между этими крайними точками. Простым способом волновая теория полностью объясняет упомянутое выше необычное явление.

Когда вместо щели и невооруженного глаза используются щель и телескопы, эффекты увеличиваются и становятся более яркими. Более того, если смотреть через правильно отрегулированный телескоп с маленьким круглым отверстием перед ним на далекую точку света, эта точка видна окруженной серией цветных полос. Если используется монохроматичный свет, эти полосы просто светлые и темные, но при белом свете круги демонстрируют цвета радуги. Если щель укоротить так, чтобы получилось квадратное отверстие, мы получим две серии спектров под прямым углом друг к другу. Эффекты действительно допускают бесконечное разнообразие путем изменения размера, формы и количества отверстий, через которые наблюдается точка света. Через два квадратных отверстия, соприкасающиеся своими углами, как в точке А, Шверд наблюдал картину, показанную на рис. 20. Добавив к ним еще два, как в точке В, он наблюдал картину, представленную на рис. 21. Положение каждой полосы света и тени на таких рисунках было рассчитано теоретически Френелем, Фраунгофером, Гершелем, Швердом и другими, а также полностью подтверждено экспериментом. Ваши глаза не смогли бы с большей достоверностью сказать о существовании этих полос, чем теоретический расчет.

Fig. 20.

Ночные уличные фонари, если смотреть на них сквозь ячейки носового платка, демонстрируют дифракционные явления. Дифракционные эффекты, получаемые при взгляде сквозь перья птицы, как показал Шверд, весьма ярки. Ирисзация некоторых альпийских облаков также является эффектом дифракции, который можно имитировать с помощью спор плауна. При встряхивании над стеклянной пластиной эти споры вызывают появление вокруг точки света, если смотреть на нее сквозь опудренную пластину, цветных кругов, которые достигают подлинного великолепия при усилении света. Взвешенные в воздухе споры производят тот же эффект. Дифракционные явления, получаемые при искусственном осаждении облаков из паров различных жидкостей в интенсивно освещенной трубе, как я показывал в другом месте, чрезвычайно прекрасны.

Fig. 21.

Одним из самых интересных случаев дифракции на мелких частицах, с которыми мне доводилось сталкиваться, был случай с художником, чье зрение было нарушено ярко окрашенными кругами. Он очень боялся потерять зрение, причем в качестве причины своего усиливающегося страха указывал на то, что круги становятся больше, а цвета — ярче. Я приписал эти цвета мельчайшим частицам в жидкостях глаза и рискнул подбодрить его уверением, что увеличение размеров и яркости кругов указывает на то, что дифракгирующие частицы становятся меньше и что в конце концов они могут полностью рассосаться. Предсказание подтвердилось. Излишне говорить хоть слово о необходимости оптических знаний для практикующего окулиста.

Не углубляясь в хроматические явления, представляемые кристаллами, здесь можно упомянуть о двух других источниках цвета. Вследствие интерференции в атмосфере Земли свет звезды, как показал Араго, самогасится; мерцание звезды и изменения цвета, которым она подвергается, обусловлены этой причиной. Глядя на такую звезду в театральный бинокль и покачивая его так, чтобы изображение звезды быстро перемещалось по сетчатке, вы получаете ряд цветных бусин, промежутки между которыми соответствуют периодам затухания. Тонкие царапины, нанесенные на стекло или полированный металл, отражают световые волны от своих боковых сторон; причем некоторые волны, отражаясь от противоположных сторон одной и той же царапины, интерферируют друг с другом и гасят друг друга. Но угол отражения, который гасит более короткие волны, не гасит более длинные, отсюда и возникают явления цветов. Они называются цветами исчерченных поверхностей. Они прекрасно иллюстрируются перламутром. Эта раковина состоит из чрезвычайно тонких слоев, которые при пересечении их разрезом в процессе полировки раковины обнажают свои края и образуют необходимые мелкие и регулярные бороздки. Самым убедительным доказательством того, что цвета обусловлены механическим состоянием поверхности, является установленный Брюстером факт, что при аккуратном отпечатке раковины на черном сургуче мы переносим бороздки и получаем на сургуче цвета перламутра.

ЛЕКЦИЯ III

ОТНОШЕНИЕ ТЕОРИЙ К ОПЫТУ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОНЯТИЯ ТЯГОТЕНИЯ

ПОНЯТИЕ ПОЛЯРНОСТИ, КАК ОНО ВОЗНИКАЕТ

АТОМНАЯ ПОЛЯРНОСТЬ

СТРУКТУРНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ПОЛЯРНОСТЬЮ

АРХИТЕКТУРА КРИСТАЛЛОВ КАК ВВЕДЕНИЕ

К ИХ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СВЕТ

ПОНЯТИЕ АТОМНОЙ ПОЛЯРНОСТИ, ПРИМЕНЕННОЕ К КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЛЛЮСТРАЦИИ

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ

РАСШИРЕНИЕ ПРИ НАГРЕВАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ

ПОВЕДЕНИЕ ВОДЫ: РАССМОТРЕНИЕ И ОБЪЯСНЕНИЕ

ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЕ

ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

ДЕЙСТВИЕ ТУРМАЛИНА

ХАРАКТЕР ЛУЧЕЙ, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ ИСЛАНДСКОГО ШПАТА

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ОБЫЧНОМ ПРЕЛОМЛЕНИИ И ОТРАЖЕНИИ

ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ

§ 1. Выведение теоретических концепций из опыта.

Одной из целей нашей последней лекции, и притом не менее важной, было проиллюстрировать то, как формируются научные теории. Во-первых, они берут свое начало в стремлении ума проникнуть к источникам явлений. Из своих бесконечно малых истоков в давно минувшие века это стремление выросло и окрепло в неумолимое требование интеллектуальной природы человека. Оно давным-давно побудило Цезаря сказать, что он променял бы свои победы на возможность взглянуть на истоки Нила; оно воплотилось в атомных теориях Лукреция; оно побудило Дарвина к тем смелым спекуляциям, которые в последние годы так взволновали общественное мнение. Но ни в коем случае, создавая теории, воображение не создает свои материалы. Оно расширяет, уменьшает, формирует и уточняет, в зависимости от обстоятельств, материалы, почерпнутые из мира фактов и наблюдений.

Это еще более очевидно в такой теории, как теория света, где уму предстают движения подчувственной среды — эфира. Но ни одна теория не избегает этого условия. Ньютон позаботился о том, чтобы не отягощать идею гравитации ненужными физическими представлениями; но мы знаем, что он предавался им, хотя и не связывал их со своей теорией. Но даже сама теория в ее нынешнем виде не вошла в сознание как откровение, оторванное от мира опыта. Зародыш концепции о том, что солнце и планеты удерживаются вместе силой притяжения, можно найти в том факте, что ранее наблюдалось притяжение железа магнитом. Таким образом, понятие притяжения материи материей пришло извне, а не изнутри. В нашей сегодняшней лекции магнитная сила должна послужить порталом в новую область; но прежде всего мы должны освоить ее элементарные явления.

Общие факты магнетизма проще всего иллюстрируются намагниченным стержнем из стали, обычно называемым полосовым магнитом. Если поставить такой магнит вертикально на стол и поднести магнитную стрелку к его нижнему концу, то можно заметить, как один конец стрелки удаляется от магнита, в то время как другой так же быстро приближается. Стрелка удерживается там в дрожании какой-то невидимой силой, действующей на нее. При поднятии стрелки вдоль магнита, но все еще избегая контакта, частота ее колебаний уменьшается, поскольку действующая на нее сила ослабевает. В центре колебания прекращаются. Выше центра тот конец стрелки, который ранее притягивался к магнитом, удаляется, а противоположный конец приближается. По мере нашего подъема выше колебания становятся более бурными, поскольку сила возрастает. На верхнем конце магнита, как и на нижнем, сила достигает максимума; но вся нижняя половина магнита, от E до S (рис. 22), притягивает один конец стрелки, в то время как вся верхняя половина, от E до N, притягивает противоположный конец. Эта двойственность магнитной силы называется полярностью, а точки вблизи концов магнита, в которых силы кажутся сосредоточенными, называются его полюсами.

Fig. 22.

Что же произойдет, если мы разломаем этот магнит пополам в центре E? Получим ли мы два магнита, каждый с одним полюсом? Нет; каждая половина сама по себе является идеальным магнитом, обладающим двумя полюсами. Это можно доказать, сломав что-нибудь менее ценное, чем магнит, — например, стальную пластинку из женского корсета, закаленную и намагниченную. Она ведет себя как магнит. При разломе каждая половина действует как целое; а когда эти части ломаются снова, мы все равно получаем идеальный магнит, обладающий, как и в первом случае, двумя полюсами. Доведите процесс излома до вашего предельного восприятия — вы не сможете остановиться на этом. Склонность, проистекающая из наблюдения, неизбежно уведет вас за пределы чувств и заставит признать, что эта вещь, которую мы называем магнитной полярностью, заключена в конечных частицах стали. Вы приходите к выводу, что каждая молекула магнита наделена этой полярной силой.

Подобно всем другим силам, эта сила магнетизма подчиняется механическим законам, и, зная направление и величину силы, мы можем предсказать ее действие. Если поместить небольшую магнитную стрелку рядом с полосовым магнитом, она займет определенное положение. Это положение можно было бы вывести теоретически из взаимного действия полюсов. Перемещая стрелку вокруг магнита, мы обнаружим, что для каждой точки окружающего пространства существует определенное направление стрелки и никакое другое. Железная стрелка подойдет так же хорошо, как и магнитная, поскольку железная стрелка намагничивается магнитом и ведет себя точно так же, как независимо намагниченная стальная стрелка.

Fig. 23.

N is the nozzle of the lamp; M a plane mirror, reflecting the beam upwards. At P the magnets and iron filings are placed; L is a lens which forms an image of the magnets and filings; and R is a totally reflecting prism, which casts the image G upon the screen.

Если мы поместим рядом с магнитом две или более железных стрелок, действие станет более сложным, поскольку тогда на стрелки не только действует магнит, но они действуют и друг на друга. И если мы перейдем к меньшим массам железа — например, к железным опилкам, — мы обнаружим, что они ведут себя в сущности так же, как стрелки, располагаясь в определенные формы в соответствии с магнитным действием.

Положив лист бумаги или стекла на полосовой магнит и насыпая на бумагу железные опилки, я замечаю тенденцию опилок располагаться по определенным линиям. Они не могут свободно следовать этой тенденции, так как им мешает трение о бумагу. Им помогают постукиванием по бумаге; каждый удар на мгновение освобождает их и позволяет следовать своим склонностям. Но это эксперимент, который могу видеть только я. Чтобы вы все могли это увидеть, я беру пару небольших магнитов и с помощью простейшего оптического устройства проецирую увеличенные изображения магнитов на экран. Разбросав железные опилки по стеклянной пластине, к которой прикреплены маленькие магниты, и постукивая по пластине, вы видите расположение железных опилок в тех магнитных кривых, которые так давно знакомы людям науки (рис. 23).

(Благодаря весьма искусному приспособлению профессору Майеру из Хобокена удалось зафиксировать и сфотографировать магнитные кривые. Я обязан его доброте прилагаемой прекрасной иллюстрацией, рис. 24).

Внешний вид этих кривых настолько очаровал Фарадея, что большую часть своей интеллектуальной жизни он посвятил размышлениям над ними. Он наделил пространство, сквозь которое они проходят, некоторой материальностью; и вполне вероятно, что прогресс науки, связав явления магнетизма со светоносным эфиром, докажет, что эти «силовые линии», как любил называть их Фарадей, представляют собой состояние этого загадочного субстрата всех лучистых процессов.

Однако сейчас мы должны рассмотреть не сами магнитные кривые, а их отношение к теоретическим концепциям. Воздействуя полосовым магнитом на стрелку, мы получаем представление о полярной силе; разломом полоски намагниченной стали мы приходим к представлению о том, что полярность может быть свойственна конечным частицам материи. Эксперимент с железными опилками вводит в сознание новую идею, а именно идею структурного расположения. Каждая пара опилок обладает четырьмя полюсами, два из которых являются притягивающими, а два — отталкивающими. Притягивающие полюса сближаются, отталкивающие — удаляются; следствием этого является определенное упорядоченное расположение частиц по отношению друг к другу.

§ 2. Теория кристаллизации.

Теперь эта идея структуры, порождаемой полярной силой, открывает для интеллекта путь в совершенно новую область, и вас просят составить мне компанию в этой области потому, что наше следующее исследование касается действия кристаллов на свет. Прежде чем говорить об этом действии, я хочу, чтобы вы интеллектуально осознали процесс кристаллической архитектуры. Загляните в гранитный карьер и проведите несколько минут за изучением породы. Она не имеет абсолютно однородной текстуры. Это скорее агломерат кусочков, которые при рассмотрении представляют причудливо очерченные формы. Вы видите там то, что минералоги называют кварцем, вы видите полевой шпат, вы видите слюду. В минералогическом кабинете, где эти вещества хранятся по отдельности, вы получите некоторое представление об их формах. Вы увидите там также образцы берилла, топаза, изумруда, турмалина, тяжелого шпата, флюорита, исландского шпата — возможно, полностью сформированный алмаз, каким он вышел из рук Природы, еще не попав в руки гранильщика.

Fig. 24.

Вы заметите, что эти кристаллы собраны по закону; они не являются случайными порождениями; и если вы захотите рассмотреть их более детально, то обнаружите, что их архитектура может быть в некоторой степени раскрыта. Они часто раскалываются в определенных направлениях под воздействием лезвия ножа, обнажая гладкие и блестящие поверхности, которые называются плоскостями спайности; и следуя этим плоскостям, вы иногда доходите до внутренней формы, замаскированной под внешней формой кристалла. Вдумайтесь в эти прекрасные творения скрытого строителя. Вы не можете не задать себе вопрос, как они были построены; и поскольку вы теперь знакомы с понятием полярной силы и способностью этой силы порождать структурную упорядоченность, вашим неизбежным ответом будет то, что эти кристаллы построены в результате игры полярных сил, которыми наделены их молекулы. В силу этих сил молекула присоединяется к молекуле строго определенным образом, и конечная видимая форма кристалла зависит от этой игры его предельных частиц.

Всюду в природе мы наблюдаем эту тенденцию переходить в определенные формы, и нет ничего проще, чем дать простор этой тенденции с помощью искусственных приспособлений. Растворите селитру в воде и дайте воде медленно испариться; селитра остается, и раствор вскоре становится настолько концентрированным, что жидкое состояние больше не может сохраняться. Молекулы селитры сближаются и в конце концов оказываются в зоне действия своих полярных сил. Они располагаются в соответствии с этими силами, и сначала образуется крошечный кристалл селитры. На этом кристалле молекулы продолжают осаждаться из окружающего раствора. Кристалл растет, и в конце концов мы получаем крупные призмы селитры, каждая из которых имеет совершенно определенную форму. Квасцы кристаллизуются с чрезвычайной легкостью подобным образом. Однако получающийся в результате кристалл отличается по форме от селитры, поскольку полюса молекул расположены иначе. При надлежащем уходе кристаллы этих веществ можно вырастить до больших размеров.

Условием идеальной кристаллизации является то, чтобы кристаллизующая сила действовала неторопливо. В ее действиях не должно быть спешки; каждой молекуле следует позволить без помех со стороны соседей осуществлять свои собственные права. Если кристаллизация происходит слишком внезапно, правильность исчезает. Вода может быть насыщена сульфатом натрия, растворенным в горячей воде, а затем оставлена остывать. В остывшем состоянии раствор пересыщен; иными словами, он содержит больше твердого вещества, чем соответствует его температуре. Тем не менее молекулы не проявляют никаких признаков соединения друг с другом.

Это весьма примечательный, хотя и очень распространенный факт. Молекулы в центре жидкости настолько связаны действием своих соседей, что им отказано в свободе следовать собственным склонностям. Представьте мысленно молекулу внутри массы. Она хочет соединиться со своим соседом справа, но в равной степени хочет соединиться со своим соседом слева; одна тенденция нейтрализует другую, и она не соединяется ни с тем, ни с другим. Но если в раствор бросить кристалл сульфата натрия, молекулярная нерешительность прекращается. На кристалле немедленно начнут осаждаться соседние молекулы; на них, в свою очередь, осядут другие, и этот процесс осаждения будет продолжаться от верха колбы до низа, пока раствор по возможности не примет твердую форму. Получающиеся здесь кристаллы малы и расположены хаотично. Процесс протекал слишком поспешно, чтобы допустить чистое и упорядоченное действие кристаллизующей силы. Это символизирует состояние нации, в котором сопротивляются естественным и здоровым переменам, пока общество не окажется, так сказать, пересыщенным стремлением к переменам, причем сами перемены осуществляются затем через путаницу и революцию.

Позвольте мне проиллюстрировать действие кристаллизующей силы на двух примерах: можно было бы использовать селитру, но другое хорошо известное вещество позволяет мне провести эксперимент в лучшей форме. Это вещество представляет собой обычный нашатырь, или хлорид аммония, растворенный в воде. Тщательно очистив стеклянную пластинку, раствор хлорида наливают на стекло, на котором при постановке пластинки на ребро остается тонкая пленка жидкости. Слегка подогревая стекло, ускоряют испарение, но при испарении удаляется только вода. Затем пластинку помещают в солнечный микроскоп, и изображение пленки проецируется на белый экран. Тепло осветительного пучка добавляется к теплу, уже сообщенному стеклянной пластинке, так что через мгновение растворенная соль больше не может находиться в жидком состоянии. После этого молекула соединяется с молекулой, и вы наблюдаете впечатляющую картину кристаллизационной энергии, охватывающей весь экран. Вы можете создать нечто подобное, если подышите на морозные узоры («папоротники»), которые покрывают оконные стекла зимой, а затем через лупу понаблюдаете за последующим повторным замерзанием пленки.

В этом случае кристаллизующей силе мешает адгезия пленки к стеклу; тем не менее игра сил поразительно прекрасна. Иногда кристаллы зарождаются у края пленки и прорастают сквозь нее от этого края; ибо, как только кристаллизация началась, молекулы предпочитают осаждаться на уже образовавшихся кристаллах. Иногда кристаллы зарождаются на определенных центрах в центре пленки, причем каждая мелкая кристаллическая частица, покоящаяся в пленке, служит отправной точкой. На протяжении всего процесса вы замечаете одну особенность, которая совершенно неизменна, а именно — угловую величину. Игольчатые кристаллы (спикулы) ветвятся от ствола, и от этих ветвей отходят другие; но углы, образуемые спикулами, неизменны. Точно так же вы можете обнаружить кристаллы квасцов, кристаллы кварца и все другие кристаллы искаженной формы. В этом отношении они находятся во власти случайностей кристаллизации; но в одном аспекте они утверждают свое превосходство над всеми такими случайностями — угловая величина всегда строго сохраняется.

Мой второй пример действия кристаллизующей силы заключается в следующем: как вы знаете, пропуская гальванический ток через жидкость, мы разлагаем ее, и если она содержит металл, мы высвобождаем этот металл посредством электролиза. Эта небольшая ячейка содержит раствор ацетата свинца, выбранный для наших текущих целей потому, что свинец охотно поддается этой кристаллизующей силе. В ячейку погружены две очень тонкие платиновые проволоки, которые соединены другими проводами с небольшой гальванической батареей. При пропускании гальванического тока через раствор свинец будет постепенно отделяться от атомов, с которыми он сейчас соединен; он будет выделяться на одной из проволок, и в момент своего выделения он подчинится полярным силам своих атомов, создавая кристаллические формы изысканной красоты. Они перед вами: они прорастают из проволоки подобно папоротникам, выглядя поистине как растительные образования, развивающиеся столь стремительно, что это отчетливо видно невооруженным глазом. При обратном включении тока эти удивительные свинцовые ветви растворяются, в то время как с другой проволоки сквозь жидкость устремляются нити свинца. Через секунду-другую рост свинцовых деревьев возобновляется, но теперь они покрывают другую проволоку.

В процессе кристаллизации Природа впервые открывает себя как строитель. Где останавливаются ее действия? Продолжает ли она путем игры тех же сил формировать растение, а впоследствии и животное? Каким бы ни был ответ на эти вопросы, поверьте мне, представления грядущих поколений об этой загадочной вещи, которую некоторые назвали «неразумной материей», будут сильно отличаться от представлений поколений прошлых.

Вряд ли найдется более прекрасный и поучительный пример этой игры молекулярных сил, чем пример, предоставляемый водой. Вы видели изысканные древовидные формы, образующиеся при кристаллизации водяной пленки на холодном оконном стекле. [15] Вы также, вероятно, замечали прекрасные розетки, связываемые кристаллизующей силой во время снегопада в очень тихий день. Склоны и вершины Альп зимой усыпаны этими цветами мороза. Они бесконечно варьируются в деталях своей красоты, но повсюду сохраняется одна и та же угловая величина — непреклонная сила, связывающая лучи и спикулы под углом в 60 градусов.

Обычный лед наших озер также подчиняется в своем формировании тому же углу. Иногда в замерзающей воде можно увидеть маленькие кристаллы звездчатой формы, причем каждая звезда состоит из шести лучей с углом в 60° между каждыми двумя из них. Эта структура может быть выявлена в обычном льду. В солнечном луче или, при его отсутствии, в луче нашей электрической лампы мы имеем инструмент, достаточно чувствительный для того, чтобы разъединить замороженные молекулы, не нарушая порядка их архитектуры. Вырезая из прозрачного, прочного, правильно замерзшего льда пластину, параллельную плоскостям замерзания, и пропуская через такую пластину солнечный луч, мы заставляем ее плавиться изнутри в определенных точках, причем вокруг каждой точки образуется шестилепестковый жидкий цветок изысканной красоты. Таким образом образуются скопления подобных цветов. Из ледника мы иногда берем глыбы льда, представляющие туманные участки в сплошной в остальном массе; и когда мы исследуем причину этой туманности, то обнаруживаем, что она обусловлена мириадами маленьких шестилепестковых цветов, на которые лед распался от простого тепла теплопроводности.

Уделение еще одного момента времени кристаллизации воды будет с лихвой вознаграждено, ибо совокупность свойств, делающих это вещество пригодным для выполнения своей роли в природе, вполне способна вызвать удивление и стимулировать мысль. Подобно почти всем другим веществам, вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Проиллюстрируем сначала это расширение и сжатие:

Небольшая колба наполняется подкрашенной водой и закрывается пробкой. Через пробку герметично проходит стеклянная трубка, причем жидкость стоит в трубке на определенной высоте. Колба и ее трубка напоминают резервуар и ножку термометра. Применяя тепло спиртовой горелки, вода поднимается в трубке и наконец переливается через край. Тем самым иллюстрируется расширение при нагревании.

Убрав горелку и обложив колбу охлаждающей смесью, мы увидим, как столбик жидкости опускается, демонстрируя таким образом сжатие воды от холода. Но если продолжать действие охлаждающей смеси, падение столбика продолжается до определенной точки; затем оно прекращается. Верхушка столбика остается неподвижной в течение нескольких секунд, а после начинает подниматься. Сжатие прекратилось, и начинается расширение от холода. Пусть расширение продолжается до тех пор, пока жидкость во второй раз не перельется через край трубки. Охлаждающая смесь здесь произвела по всей видимости тот же эффект, что и пламя. В случае воды сжатие от холода прекращается, и расширение от холода начинается при определенной температуре 39° по шкале Фаренгейта. Кристаллизация фактически начинается здесь, молекулы готовятся к последующему акту затвердевания, который происходит при 32° и в котором расширение внезапно достигает своего апогея. В силу этого расширения лед, как вы знаете, легче воды в пропорции от 8 до 9. [16]

Здесь затронута молекулярная проблема большой важности, и я хочу теперь представить вашему вниманию возможное решение этой проблемы для вашего интеллектуального удовлетворения:

Рассмотрим идеальный случай ряда магнитов, лишенных веса, но сохраняющих свои полярные силы. Если бы у нас была подвижная жидкость удельного веса стали, мы могли бы реализовать это состояние дел, заставив магниты плавать в ней, поскольку в такой жидкости магниты не тонули бы и не всплывали. Теперь закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном, гласит, что каждая частица материи любого вида притягивает любую другую частицу с силой, изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния. Следовательно, в силу гравитационного притяжения магниты, если они обладают полной свободой движения, будут медленно сближаться друг с другом.

Но помимо неполярной силы гравитации, присущей материи вообще, магниты наделены полярной силой магнетизма. Однако в течение некоторого времени полярные силы не вступают заметным образом в действие. В этом состоянии магниты напоминают наши молекулы воды при температуре, скажем, 50°. Но в конце концов магниты сближаются настолько, что их полюса начинают взаимодействовать. С этого момента действие перестает быть исключительно общим притяжением масс. В игру вступают притяжения особых точек масс и отталкивания других точек; и легко видеть, что перераспределение магнитов вследствие введения этих новых сил может потребовать большего пространства. Полагаю, именно это происходит с нашими молекулами воды. Подобно нашим идеальным магнитам, они некоторое время сближаются как единое целое. До достижения температуры 39° по Фаренгейту полярные силы, несомненно, уже начали действовать, но именно при этой температуре их потребность в большем пространстве точно уравновешивает сжатие, обусловленное холодом. При более низких температурах, что касается изменения объема, полярные силы преобладают. Но они ведут борьбу с силой сжатия до тех пор, пока не будет достигнута температура замерзания. Затем молекулы смыкаются, образуя твердые кристаллы, непосредственным следствием чего является значительное увеличение объема.

§ 3. Объяснение обычного преломления света с помощью волновой теории.

Теперь мы должны показать значение этого акта кристаллизации для оптических явлений. Согласно волновой теории, скорость света в воде и стекле меньше, чем в воздухе. Рассмотрим небольшую часть волны, исходящую из точки света, настолько далекой, что эту малую область можно считать практически плоской. Двигаясь вертикально вниз и падая на горизонтальную поверхность стекла или воды, волна проходила бы через среду без изменения направления. Однако, поскольку скорость в стекле или воде меньше скорости в воздухе, волна будет замедляться при переходе в более плотную среду.

Fig. 25.

Но предположим, что до достижения стекла волна падает на поверхность наклонно; тот конец волны, который первым достигает среды, будет первым замедлен ею, а остальные части при входе в стекло будут замедляться последовательно. Легко видеть, что это замедление одного конца волны должно заставить ее повернуться и изменить свой фронт, так что после полного вхождения в стекло ее путь станет наклонным по отношению к первоначальному направлению. Согласно волновой теории, свет таким образом преломляется.

Руководствуясь этими соображениями, проследим путь пучка монохроматичного света через нашу стеклянную призму. Скорость в воздухе относится к его скорости в стекле как 3:2. Пусть ABC (рис. 25) представляет собой сечение нашей призмы, а ab — сечение плоской волны, приближающейся к ней в направлении стрелки. Когда она достигает cd, один конец волны находится на пороге вхождения в стекло. Прослеживая ее путь дальше, очевидно, что пока часть волны, все еще находящаяся в воздухе, проходит расстояние ce, волна в стекле пройдет лишь две трети этого расстояния, то есть df. Линия ef теперь отмечает фронт волны. Погруженная полностью в стекло, она продолжает свой путь к gh, где конец g волны находится на грани выхода в воздух. За время, необходимое для того, чтобы конец h волны прошел расстояние hk до поверхности призмы, другой конец g, движущийся быстрее, достигнет точки i. Таким образом, волна снова изменила свой фронт, так что после выхода из призмы она направится к lm и далее в направлении стрелки. Преломление луча тем самым полностью объясняется; более того, оно основано на реальном эксперименте, доказывающем, что отношение скорости света в стекке к его скорости в воздухе таково, как упомянуто здесь. Очевидно, что если бы изменение скорости при входе в стекло было большим, преломление также было бы большим.

§ 4. Объяснение двойного лучепреломления света с помощью волновой теории.

Двумя элементами скорости распространения как звука, так и света в любом веществе являются упругость и плотность, причем скорость возрастает с первой и уменьшается со второй. Колоссальная скорость света в звездном пространстве достижима потому, что эфир обладает одновременно бесконечно малой плотностью и колоссальной упругостью. Теперь эфир окружает атомы всех тел, но он не независим от них. В весомой материи он ведет себя так, будто его плотность увеличилась без соразмерного увеличения упругости; и этим объясняется уменьшенная скорость света в преломляющих средах. Здесь мы достигаем пункта кардинальной важности. В силу кристаллической архитектуры, которую мы рассматривали, эфир во многих кристаллах обладает различной плотностью и различной упругостью в разных направлениях; следствием этого является то, что в таких кристаллах свет распространяется с разными скоростями. И поскольку преломление полностью зависит от изменения скорости при входе в преломляющую среду, будучи наибольшим там, где изменение скорости наибольшее, мы наблюдаем во многих кристаллах два разных преломления. С помощью таких кристаллов пучок света разделяется на два. Этот эффект называется двойным лучепреломлением.

Например, в обычной воде нет ничего в группировке молекул, что мешало бы идеальной однородности эфира; но когда вода кристаллизуется в лед, дело обстоит иначе. В пластине льда упругость эфира в направлении, перпендикулярном поверхности замерзания, отличается от упругости параллельно поверхности замерзания; следовательно, лед является веществом с двойным лучепреломлением. Двойное лучепреломление с особой наглядностью проявляется в исландском шпате, представляющем собой кристаллизованный карбонат кальция. Разница в плотности эфира в двух направлениях в этом кристалле очень велика, поэтому разделение луча на две половины оказывается особенно поразительным.

Я не хочу оставлять эту тему, пока она не станет совершенно понятной для вас. Поскольку колебания света являются поперечными, упругость, участвующая в распространении любого луча, — это упругость под прямым углом к направлению распространения. В исландском шпате есть одно направление, вокруг которого симметрично построены кристаллические молекулы. Это направление называется осью кристалла. Вследствие такой симметрии упругость одинакова во всех направлениях, перпендикулярных оси, и поэтому луч, распространяющийся вдоль оси, не испытывает двойного лучепреломления. Но упругость вдоль оси больше, чем упругость под прямым углом к ней. Рассмотрим теперь систему волн, пересекающих кристалл в направлении, перпендикулярном оси. Для таких волн возможны два направления колебаний: частицы эфира могут колебаться параллельно оси или перпендикулярно ей. Они делают и то и другое и поэтому немедленно разделяются на две системы, распространяющиеся с разными скоростями. Двойное лучепреломление является неизбежным следствием.

§ 4.\nДвойное лучепреломление света в объяснении волновой теории.

Fig. 26.

С помощью исландского шпата, распиленного в правильном направлении, двойное лучепреломление легко продемонстрировать. Если пучок лучей, формирующий изображение наших угольных электродов, направить через шпат, то единое изображение мгновенно разделяется на два. Проецируя (с помощью линзы E, рис. 26) изображение отверстия (L), через которое свет выходит из электрической лампы, и вводя шпат (P), мы вместо одного диска немедленно видим на экране два светящихся диска (E O).

Два пучка, на которые шпат разделяет единственный падающий пучок, были подвергнуты самым тщательным исследованиям. Они ведут себя по-разному. Один из них подчиняется обычному закону преломления, открытому Снеллом, и потому называется обыкновенным лучом: показатель его преломления равен 1,654. Другой этому закону не подчиняется. Так, показатель его преломления не является постоянным, а меняется от максимального значения 1,654 до минимального 1,483; кроме того, в этом случае падающий и преломленный лучи не всегда лежат в одной плоскости. Поэтому он называется необыкновенным лучом. В исландском шпате, как только что было сказано, обыкновенный луч преломляется сильнее. Одно из следствий этого заслуживает мимолетного внимания. Налейте воду и сероуглерод в два сосуда одинаковой глубины: сосуд, содержащий более сильно преломляющую жидкость, будет казаться более мелким, чем другой. Положите кусок исландского шпата на чернильную точку; видны две точки, причем одна из них кажется глазу ближе другой. Ближайшая точка принадлежит наиболее сильно преломленному лучу, точно так же как ближайшее дно сосуда принадлежит наиболее преломляющей жидкости. Когда вы поворачиваете шпат, необыкновенное изображение точки вращается вокруг обыкновенного, которое остается неподвижным. Таково же поведение и двух наших дисков на экране.

§ 5.\nПоляризация света в объяснении волновой теории.

Двойное лучепреломление исландского шпата впервые рассматривалось в труде Эразма Бартолинуса, опубликованном в 1669 году. Гюйгенс попытался объяснить это явление на основе принципов волновой теории, и это ему удалось. Более того, он сделал чрезвычайно важные наблюдения относительно отличительных особенностей двух пучков, выходящих из шпата, с покорной откровенностью признав, что не разрешил эту трудность, и оставил ее решение будущим временам. Ньютон, размышляя над наблюдениями Гюйгенса, пришел к выводу, что каждый из пучков, проходящих через исландский шпат, имеет две стороны; и по аналогии этой двусторонности с двухполюсностью магнита, в которой заключается его полярность, эти два пучка впоследствии стали называть поляризованными.

Изучение поляризации света можно легко и с пользой начать с помощью кристалла турмалина. Но предварительно необходимо иметь четкое представление об обыкновенном пучке света. Ранее уже объяснялось, что колебания отдельных частиц эфира совершаются поперек линии распространения. В случае обыкновенного света частицы эфира следует представлять себе колеблющимися во всех направлениях, или азимутах, как иногда выражаются, поперек этой линии.

Теперь, в случае пластинки турмалина, вырезанной параллельно оси кристалла, падающий на пластинку пучок света разделяется на два: один колеблется параллельно оси кристалла, другой — под прямым углом к оси. Группировка молекул и эфира, связанного с молекулами, сводит все падающие на кристалл колебания к этим двум направлениям. Один из этих пучков, а именно тот, чьи колебания перпендикулярны оси, гасится турмалином с чрезвычайной быстротой. Для таких колебаний многие образцы этого кристалла весьма непрозрачны; так что, пройдя через очень малую толщину турмалина, свет выходит наружу со всеми колебаниями, сведенными к одной плоскости. В таком состоянии он представляет собой то, что мы называем плоскополяризованным светом.