«Тот вид поляризации, который осуществляется кварцевыми пластинками, называется циркулярным, тогда как поляризация, осуществляемая другим классом кристаллов, называется плоской — из-за формы колебаний, совершаемых молекулами эфира; и это подводит нас к более детальному рассмотрению природы поляризации различных частей этих спектров поляризованного света.
«Итак, две вещи ясны: во-первых, если свет плоскополяризован — то есть если все колебания по всему лучу прямолинейны и находятся в одной плоскости, — они должны во всех своих проотношениях соотноситься с определенным направлением в пространстве, так что на них будут по-разному влиять различные положения анализатора. Во-вторых, если колебания циркулярные, они будут подвергаться воздействию точно таким же образом (каким бы оно ни было) при любых положениях анализатора. Это утверждение лишь подводит итог фундаментальному положению о поляризации. Фактически плоскополяризованный свет попеременно пропускается и гасится анализатором при его повороте на 90°; в то время как циркулярно поляризованный свет [если бы мы могли получить единичный луч] остается по всем признакам неизменным. И если мы внимательно исследуем спектр света, прошедшего через селенит или другой обычный кристалл, то обнаружим, что, начиная с двух последовательных полос в определенном положении, части, занятые полосами, и части посредине между ними плоскополяризованы, поскольку они поочередно становятся темными и яркими; в то время как промежуточные части, то есть части на расстоянии одной четверти от одной полосы до следующей, остаются постоянно яркими. Фактически они циркулярно поляризованы. Но было бы неправильно заключать на основании одного лишь этого эксперимента, что дело обстоит именно так, поскольку та же картина наблюдалась бы, если бы эти части были неполяризованными, то есть находились бы в состоянии обычного света. И при таком предположении мы с тем же основанием заключили бы, что части по обе стороны от упомянутых ранее частей (например, части, разделенные восьмыми долями интервала между двумя полосами) частично поляризованы. Но существует инструмент очень простой конструкции, называемый "пластинкой в четверть волны" — обычно пластинка из слюды, толщина которой является нечетным кратным четверти длины волны, — который позволяет нам отличать неполяризованный свет от циркулярно поляризованного. Точное механическое действие, производимое на луч, едва ли может быть объяснено в деталях в рамках наших текущих временных ограничений; но довольно будет сказать пока, что при надлежащем положении пластинка превращает плоскую поляризацию в циркулярную, а циркулярную — в плоскую. При этом те части, которые изначально были полосатыми, должны оставаться яркими, а те, что изначально оставались яркими, должны стать полосатыми во время вращения анализатора. Следовательно, общим зрительным эффектом будет общее смещение полос на одну четверть пространства, разделяющего каждую пару.
«Циркулярная поляризация, как и круговое движение вообще, может, разумеется, быть двух видов, которые различаются лишь направлением движения. И фактически, чтобы преобразовать циркулярную поляризацию, создаваемую этой пластинкой, из одного вида в другой (скажем, из правовращающей в левовращающую или наоборот), нам нужно лишь повернуть пластинку на 90°. И наоборот, правовращающая циркулярная поляризация будет изменена пластинкой в плоскую поляризацию в одном направлении, в то время как левовращающая будет изменена в плоскую под прямым углом к первой. Следовательно, если повернуть пластинку на 90°, мы увидим, что полосы смещаются в направлении, противоположном тому, в котором они двигались сначала. В этом мы получаем свидетельство не только того, что поляризация непосредственно по обе стороны от полосы является циркулярной; но также и того, что поляризация по одну сторону является правовращающей, а по другую — левовращающей.
«Если бы позволяло время, я мог бы углубиться в детали еще больше и показать, что поляризация между плоской и циркулярной является эллиптической, а также указать положения большей и меньшей осей и направление движения в каждом случае. Но для нашей текущей цели, пожалуй, сказано достаточно.
«Прежде чем перейти к более разнообразным формам спектральных полос, которые я надеюсь вскоре представить вашему вниманию, я хотел бы на несколько минут привлечь ваше внимание к тем особым явлениям, которые наблюдаются при использовании двух пластинок селенита, дающих дополнительные цвета. Внешний вид спектра варьируется в зависимости от относительного положения пластинок. Если они расположены одинаково — то есть так, как будто они представляют собой одну пластинку кристалла, — они будут вести себя как единая пластинка, толщина которой равна сумме толщин каждой из них, и дадут вдвое большее количество полос, чем дала бы одна; и при повороте анализатора полосы будут исчезнуть и вновь появляться в своих дополнительных положениях, как обычно в случае плоской поляризации. Если одну из них повернуть на 45°, в определенном месте спектра будет видна одна полоса. Она расщепляется на две, которые удаляются друг от друга в сторону красного и фиолетового концов соответственно или сближаются друг с другом в зависимости от направления вращения анализатора. Если повернуть пластинку на 45° в противоположном направлении, эффекты будут обратными. Темнота полос, однако, неодинаково полна на всем протяжении их прохождения. Наконец, если повернуть одну из пластинок на 90°, полосы не будут видны, и спектр будет попеременно светлым и темным, как если бы пластинки не использовались вовсе, за исключением лишь того, что сама поляризация повернута на 90°.
«Если использовать клиновидный кристалл, полосы вместо того, чтобы быть прямыми, пересекут спектр по диагонали, причем направление диагонали (правой или левой) определяется положением более толстого конца клина. Если использовать два одинаковых клина самыми толстыми концами вместе, они будут действовать как клин, угол и толщина которого вдвое больше первого. Если расположить их в обратном положении, они будут действовать как плоская пластинка, и полосы снова пересекут спектр прямыми линиями под прямым углом к его длине.
«Если использовать вогнутую пластинку, полосы расположатся веерообразно, причем их расхождение будет зависеть от расстояния щели от центра вогнутости.
«Если применить два кварцевых клина, у одного из которых оптическая ось параллельна ребру преломляющего угла, а у другого перпендикулярна ему, но находится в одной из плоскостей, содержащих угол (компенсатор Бабине), внешний вид полос оказывается весьма разнообразным.
«Диагональные полосы, помимо того, что иногда удваиваются, как при обычных клиньях, иногда объединяются, образуя продольные (вместо поперечных) полосы; а иногда пересекают друг друга, образуя узор в виде ромбов с яркими ячейками в темном обрамлении и наоборот, в зависимости от положения пластинок.
«Эффекты от различного расположения промежуточных кристаллов можно было бы варьировать до бесконечности; но, пожалуй, сказано достаточно, чтобы показать всю тонкость метода спектрального анализа применительно к исследованию поляризованного света».
Своеобразный и прекрасный эффект, получаемый с круглой пластинкой селенита, тонкой в центре и постепенно утолщающейся к окружности, легко связать с аналогичным эффектом, получаемым с кольцами Ньютона. Пусть тонкий пучок света падает на стекла, показывающие кольца, так, чтобы покрыть узкую центральную вертикальную зону, проходящую через них все. Изображение этой зоны на экране пересекается частями радужных колец. Подвергая отраженный луч призматическому анализу, результирующий спектр можно рассматривать как бесконечное число изображений зоны, расположенных бок о бок. На изображении до дисперсии мы имеем радужные кольца, причем угасание света нигде не является полным; но когда различные цвета разделяются посредством дисперсии, каждый цвет поперечно пересекается собственной системой темных интерференционных полос, которые постепенно сближаются по мере возрастания преломляемости света. Следовательно, весь спектр кажется исчерченным системой непрерывных темных полос, пересекающих цвета в поперечном направлении и сближающихся по мере перехода от красного к синему.
В случае пластинки селенита перед поляризатором помещается щель, и пленочка селенита удерживается вплотную к щели так, чтобы свет проходил через центральную зону пленки. Как и в случае колец Ньютона, изображение зоны перечерчено окрашенными в цвета радуги полосами; но при подвергании призматической дисперсии свет зоны дает спектр, исчерченный полосами полной темноты, точно так же, как в случае колец Ньютона, и по аналогичной причине. Это тот прекрасный эффект, описанный господином Споттисвудом как веерообразное расположение полос, причем веер раскрывается на красном конце спектра.
ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛН СВЕТА.
Дифракционные полосы, описанные в лекции II, вместо того чтобы формироваться на сетчатке, могут формироваться на экране или на матовом стекле, и тогда их можно рассматривать с помощью увеличительной линзы сзади, либо их можно наблюдать в воздухе при удалении матового стекла. Вместо того чтобы позволять им формироваться на сетчатке, мы предположим, что они сформированы на экране. Это ставит нас в положение, позволяющее понять — даже без тригонометрии — решение важной проблемы измерения длины волны света.
Fig. 57.
Мы будем предполагать, что экран находится на таком расстоянии, при котором лучи, падающие на него с двух краев щели, заметно параллельны. Из лекции II мы узнали, что первая из темных полос соответствует разности краевого хода в одну волну; вторая темная полоса — разности хода в две волны; третья темная полоса — разности в три волны и так далее. Теперь угловое расстояние полос от центра поддается точному измерению; это расстояние зависит, как уже говорилось, от ширины щели. При ширине щели 1,35 миллиметра Шверд обнаружил, что угловое расстояние первой темной полосы от центра поля зрения составляет 1'38"; угловые расстояния второй, третьей и четвертой темных полос равны удвоенному, утроенному и усетеренному этому значению.
Пусть А В (рис. 57) — пластинка, в которой прорезана щель, а C D — сильно преувеличенная ширина щели с пучком красного света, исходящим из нее под углом, соответствующим первой темной полосе. Опустим перпендикуляр из одного края D щели на краевой луч другого края в точке d. Расстояние C d между основанием этого перпендикуляра и другим краем представляет собой длину волны света. Угол C D d, кроме того, равный R C R', в рассматриваемом случае составляет 1'38". Из центра D радиусом, равным ширине D C, опишем полуокружность; поскольку ее радиус D C равен 1,35 миллиметра, длина этой полуокружности, согласно легкому расчету, оказывается равной 4,248 миллиметра. Длина C d столь мала, что она заметно совпадает с дугой окружности. Следовательно, длина полуокружности относится к длине волны C d как 180° к 1'38", или, переводя все в секунды, как 648 000" к 98". Таким образом, мы получаем пропорцию:
648,000 : 98 :: 4.248 to the wave-length C d.
Произведя расчет, мы находим длину волны для данного конкретного вида света равной 0,000643 миллиметра, или 0,000026 дюйма.
ПРИМЕЧАНИЯ:
[1] Среди которых особо можно упомянуть покойного сэра Эдмунда Хеда, баронета, с которым у меня было много бесед на эту тему.
[2] С чьей стороны, как мне приятно констатировать, я всегда испытывал благородное и либеральное отношение.
[3] Одно из самых ранних поступило от господина Джона Эмори Лоуэлла из Бостона.
[4] Впоследствии будет показано, как этот простой прибор можно использовать для определения «угла поляризации» жидкости.
[5] Из этого принципа сэр Джон Гершель простым и изящным образом выводит фундаментальный закон отражения. — См. «Привычные лекции», стр. 236.
[6] Низкая дисперсионная способность воды маскирует, как заметил Гельмгольц, несовершенную ахроматичность глаза. Невооруженным глазом я могу видеть далекий синий диск резко очерченным, но не красный. Я также могу видеть линии, отмечающие верхнюю и нижнюю границы горизонтально преломленного спектра, резкими на синем конце и расплывчатыми на красном конце. При проецировании светящегося диска на экран и закрывании одного полукруга отверстия красным, а другого — синим или зеленым стеклом разница между видимыми размерами двух полукругов в моем случае и в многочисленных других случаях является необычайной. Однако многие люди видят видимые размеры двух полукругов обратными. Если с помощью очкового стекла я исправлю дисперсию красного света по сетчатке, тогда синий перестает давать резко очерченное изображение. Исследованное таким образом отклонение глаза от ахроматизма кажется поистине вопиющим.
[7] Как в листве, так и в цветах наблюдаются поразительные различия в поглощении. Медный бук и зеленый бук, например, поглощают разные лучи. Но самый рост дерева обусловлен некоторыми из поглощаемых таким образом лучей. Одинаковы ли тогда химические лучи у медного и зеленого бука? В двух таких цветках, как первоцвет и фиолет, где поглощения, судя по цветам, почти взаимодополняющие, одинаковы ли химически активные лучи? Общая связь цвета с химическим действием заслуживает применения метода, с помощью которого доктор Дрейпер столь убедительно доказал химическую потенцию желтых лучей солнца.
[8] Юнг, Гельмгольц и Максвелл сводят все различия оттенков к комбинациям в различных пропорциях трех основных цветов. Экспериментально доказуемо, что из красного, зеленого и фиолетового могут быть получены все остальные цвета спектра.
Несколько лет назад сэр Чарльз Уитстон обратил мое внимание на труд Христиана Эрнста Вюнша, Лейпциг, 1792 г., в котором автор провозглашает положение о том, что в белом свете нет ни пяти, ни семи, а только три простых цвета. Вюнш получил пять спектров с помощью пяти призмов и пяти малых отверстий и смешал цвета сначала попарно, а затем другими способами и в других пропорциях. Его результат состоит в том, что красный — это простой цвет, не поддающийся разложению; оранжевый составлен из интенсивного красного и слабого зеленого; желтый представляет собой смесь интенсивного красного и интенсивного зеленого; зеленый — простой цвет; синий составлен из насыщенного зеленого и насыщенного фиолетового; индиго представляет собой смесь насыщенного фиолетового и слабого зеленого, тогда как фиолетовый — чистый простой цвет. Он также обнаруживает, что желтый и индигово-синий при смешивании дают белый. Желтый в смеси с ярко-синим (Hochblau) также дает белый, который, однако, кажется имеющим зеленоватый оттенок, в то время как пигменты этих двух цветов при смешивании всегда дают более или менее красивый зеленый. Вюнш очень решительно отличает смесь пигментов от смеси световых лучей. Говоря о зарождении желтого, он отмечает: «Я говорю определенно красный и зеленый свет, поскольку я веду речь о световых цветах (Lichtfarben), а не о пигментах». Какими бы ошибочными ни были его теории, эксперименты Вюнша в основном представляются точными и убедительными. Почти десятью годами позже Юнг принял красный, зеленый и фиолетовый в качестве трех основных цветов, каждый из которых способен вызывать три ощущения, одно из которых, однако, преобладает над двумя другими. Гельмгольц принимает, поясняет и обогащает это понятие. («Популярные лекции», стр. 249. Статья Гельмгольца о смешении цветов в моем переводе опубликована в «Философском журнале» за 1852 г. Мемуар Максвелла о теории составных цветов опубликован в «Философских трудах», т. 150, стр. 67.)
[9] Следующая очаровательная выписка, имеющая отношение к этому вопросу, была обнаружена и выписана для меня моим глубоко оплакиваемым другом доктором Бенсом Джонсом, когда он был почетным секретарем Королевского института:
[10] «Во всяком роде величин существует такая степень или род, которым соразмерно наше чувство, восприятие и познание чего имеет величайшую пользу для человечества. Это же служит основой философии; ибо, хотя все роды и степени в равной мере являются объектом философских умозрений, именно с тех из них, которые соразмерны чувству, философ должен начинать свои изыскания, поднимаясь или опускаясь впоследствии по мере того, как того требуют его поиски. Он действительно поступает правильно, беря свои виды из многих точек зрения и восполняя недостатки чувств хорошо управляемым воображением; и он не должен ограничиваться никакими пределами в пространстве или времени; но, поскольку его познание Природы основано на наблюдении чувственных вещей, он должен начинать с них и должен часто возвращаться к ним, чтобы проверять по ним свой прогресс. В этом его надежная опора: и как он отправляется оттуда, так если он не будет также часто и с осторожностью прослеживать свои шаги назад, он рискует заблудиться в лабиринтах Природы». — (Маклорен: «Отчет о философских открытиях сэра И. Ньютона». Написано в 1728 г.; второе издание, 1750 г., стр. 18, 19.)
[11] Я не хочу загромождать концепцию здесь деталями движения, но могу привлечь внимание к прекрасной модели проф. Лимана, в которой показано, что волны производятся круговым движением частиц. Это, как доказали братья Вебер, является реальным движением в случае водных волн.
[12] Скопировано из «Wellenlehre» Вебера.
[13] См. «Лекции о звуке», 1-е и 2-е изд., лекция VII; и 3-е изд., гл. VIII. «Лонгманс».
[14] Труды Бойля, издание Бёрча, стр. 675.
[15] Страница 743.
[16] Прекрасные перистые образования, производимые кристаллизацией воды, были успешно сфотографированы профессором Локеттом.
[17] В небольшом томе под названием «Формы воды» я упоминал, что холодное железо плавает на расплавленном железе. В компании с моим другом сэром Уильямом Армстронгом я неоднократно имел возможность наблюдать этот факт на его заводах в Эльсвике в 1863 году. Фарадей, я помню, говорил мне впоследствии, что совершенство чугунных отливок, вероятно, объясняется набуханием металла при затвердевании. Помимо этого, я не уделял данному вопросу особого внимания; и я знаю, что многие интеллигентные литейщики сомневаются в факте расширения. Вполне возможно, что твердое тело плавает потому, что оно не смачивается расплавленным железом, а его объем виртуально увеличивается за счет капиллярного отталкивания. Определенные мухи свободно ходят по воде благодаря действию такого рода. Однако с висмутом легко разрывать железные бутылки силой затвердевания.