«Трактат о свете, в котором объясняются причины того, что происходит при отражении и преломлении» ( фр . Traité de la Lumière: Où sont expliquées les causes de ce qui luy arrive dans la reflexion & dans la Refraction ) — книга голландского учёного-энциклопедиста Христиана Гюйгенса , опубликованная на французском языке в 1690 году. В книге описывается концепция Гюйгенса о природе распространения света , которая позволяет объяснить законы геометрической оптики , изложенные в «Диоптрике» Декарта , которую Гюйгенс стремился заменить. [1]
В отличие от корпускулярной теории Ньютона , представленной в «Оптике» , [2] Гюйгенс рассматривал свет как нерегулярную серию ударных волн, распространяющихся с очень большой, но конечной скоростью через эфир , подобно звуковым волнам . Более того, он предположил, что каждая точка волнового фронта сама по себе является источником вторичной сферической волны, принцип, известный сегодня как принцип Гюйгенса-Френеля . [3] Книга считается пионерской работой по теоретической и математической физике и первым механистическим описанием ненаблюдаемого физического явления. [4] [5]
Гюйгенс работал над математикой световых лучей и свойствами преломления в своей работе Dioptrica , которая началась в 1652 году, но осталась неопубликованной, и которая предшествовала его работе по шлифовке линз . В 1672 году проблема странного преломления исландского кристалла создала головоломку относительно физики преломления, которую Гюйгенс хотел решить. [6] В конечном итоге Гюйгенс смог решить эту проблему с помощью эллиптических волн в 1677 году и подтвердил свою теорию экспериментами, в основном после критических реакций в 1679 году. [7]
Его объяснение двойного лучепреломления основывалось на трех гипотезах: (1) внутри кристалла есть две среды, в которых распространяются световые волны, (2) одна среда ведет себя как обычный эфир и переносит нормально преломленный луч, и (3) скорость волн в другой среде зависит от направления, так что волны расширяются не в сферической форме, а скорее как эллипсоиды вращения; эта вторая необычная среда переносит аномально преломленный луч. Изучая симметрию кристалла, Гюйгенс смог определить направление оси эллипсоидов, и из свойств преломления аномального луча он установил пропорцию между осями. Он вычислил преломление лучей на плоских сечениях кристалла, отличных от естественных сторон кристалла, и в конечном итоге подтвердил многие из своих результатов экспериментально. [3] [8]
Гюйгенс намеревался опубликовать свои результаты как часть « Диоптрики» , но в последнюю минуту решил отделить свою теорию света от остальной части работы, ознаменовав переход от геометрической к физической оптике . [9] Более века спустя Этьену Малю и другим потребовалось пятнадцать лет, чтобы реконструировать идеи Гюйгенса о лучах и волновых фронтах. [10]
В первой главе Гюйгенс описывает свет как возмущение, которое движется в материальной среде неизвестной природы, которую он называет эфирной, и которая отличается от той, которая распространяет звук. Эта эфирная материя состоит из упругих частиц материи, которые сталкиваются в соответствии с законами, которые он открыл в 1669 году.
Гюйгенс считает, что структура материи является атомарной, состоящей из совокупности частиц, «которые касаются друг друга, не составляя непрерывного твердого тела». [11] Поэтому световые волны могут перемещаться от одной частицы к другой, не смещаясь при этом. Другой способ взглянуть на проблему распространения — это считать, что не частицы прозрачной среды передают свет, а частицы эфирной материи, которые проникают в промежутки твердого или жидкого вещества (или даже в вакуум, поскольку свет проходит через верхнюю часть барометра Торричелли ). [11] Наконец, Гюйгенс рассматривает третий тип распространения света, который будет комбинацией первых двух.
Еще одно понятие, обсуждаемое в первой главе, — это скорость света, где Гюйгенс изначально принимает временную концепцию Пьера де Ферма . Он считает, что «тряска», производящая световые волны, обязательно движется с конечной скоростью, даже если она очень высока. Этот момент очень важен, поскольку его демонстрации основаны на эквивалентности времени прохождения по разным путям. [6] [7] Гюйгенс сообщает о письме Оле Кристенсена Рёмера , датированном 1677 годом, в котором говорится, что скорость света по крайней мере в 100 000 раз быстрее скорости звука, а возможно, и в шесть раз выше. В последнем случае скорость, найденная Рёмером (214 000 км/с ), была того же порядка величины, что и скорость света, принятая сегодня. [5]
После своих замечаний о среде распространения и скорости света Гюйгенс дает геометрическую иллюстрацию волнового фронта , основу того, что стало известно как принцип Гюйгенса. Его принцип распространения является демонстрацией того, как волна света (или, скорее, импульс), исходящая из точки, также приводит к появлению более мелких волн: [12]
...каждая из этих волн может быть бесконечно слабой только по сравнению с [первичной волной], в состав которой все остальные вносят вклад той частью своей поверхности, которая наиболее удалена от [источника волны].
Это означает, что каждая частица в эфире является источником нового волнового фронта, и хотя эти «вторичные вейвлеты» характеризуются Гюйгенсом как «слабые», точки на каждом вейвлете в совокупности образуют первичную волну, которая видна как свет. [12] Новый волновой фронт, таким образом, является тангенциальной поверхностью ко всем вторичным вейвлетам в направлении распространения. [13]
Критически важным для анализа Гюйгенса является то, что эти вторичные волны могут быть построены математически, что позволяет работать в обратном направлении от вторичных волн, чтобы построить первичную волну, которая путешествовала в течение определенного времени. Это принцип, на котором основана вся теория света Гюйгенса, и это то, что отличает его теорию от теорий его предшественников. [10]
Во второй главе кратко рассматривается отражение, а в третьей и четвертой главах исследуется преломление. Гюйгенс тщательно объясняет различия между прозрачными и непрозрачными средами с точки зрения их состава частиц, в частности, исследуя атмосферное преломление . [12]
Глава пятая посвящена странному преломлению исландского кристалла. Гюйгенс отрезает кусок кристалла и изучает геометрию распространения света внутри него, прежде чем провести читателя через серию пошаговых эмпирических исследований. Его объяснение странного преломления основано на свойствах обыкновенного луча и необыкновенного луча. Обыкновенный луч имеет сферический волновой фронт из-за постоянного показателя преломления , который не зависит от направления распространения внутри кристалла, имея одинаковую скорость во всех направлениях. С другой стороны, необыкновенный луч имеет эллипсоидальный волновой фронт из-за своего показателя преломления, который меняется в зависимости от направления распространения внутри кристалла, что приводит к разным скоростям в разных направлениях. [14] Таким образом, когда свет проходит через кристалл, он разбивается на две волновые поверхности, которые следуют по разным путям внутри него, в результате чего наблюдаются два преломленных луча.
Серия пошаговых исследований, которые следуют далее, была призвана подтвердить объяснение Гюйгенса странной рефракции. Они были вызваны ранними возражениями Рёмера и представляют собой один из немногих примеров в работе Гюйгенса, где он предоставил такие подробности относительно экспериментов. [4] Гюйгенс использовал эти математические и экспериментальные ресурсы для достижения впечатляющих результатов, некоторые из которых не поддавались проверке до начала 19-го века. [15]
Шестая глава книги завершается обсуждением преломления и отражения в прозрачных телах. [12]
Главным достижением Гюйгенса в « Трактате о свете» является демонстрация того, что можно вывести все существенные черты прямолинейного распространения , отражения , простого и двойного преломления из скорости распространения световых волн. Сведя луч к геометрической конструкции, лишенной физического характера, Гюйгенс смог трактовать теорию света кинематически (и, следовательно, математически), что позволило ему добиться успеха там, где его предшественники потерпели неудачу. [10] [16]
Хотя полнота анализа Гюйгенса впечатляет, он не смог понять эффект, который мы теперь распознаем как поляризацию , которая возникает, если преломленный луч направляется через второй кристалл, ориентация которого меняется. Он также не затронул ряд вопросов, таких как хроматическая аберрация и цвет , оба из которых были объяснены Ньютоном, хотя он испытывал их при создании своих телескопов. [3]
За исключением Антуана Парента и Рене Жюста Гаюи , идеи Гюйгенса в « Трактате о свете» были в значительной степени забыты в течение столетия после его публикации. Многие из этих идей были независимо развиты Огюстеном-Жаном Френелем в начале 19 века и позже опубликованы в его «Mémoire sur la Diffraction de la Lumière» (1818). Впоследствии Френель узнал о работе Гюйгенса и адаптировал принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение прямолинейного распространения и дифракционных эффектов света в 1821 году. Этот принцип теперь известен как принцип Гюйгенса–Френеля . [1] [5]