Физическая оптика

Из истории физической оптики

Цитаты из оригинальных работ Галилея, Максвелла, Майкельсона, Герца.

Опыт Галилея. “Опыт, который я придумал, заключается в следующем. Два лица держат каждый по огню, заключенному в фонаре или в чем-либо по­добном, который можно открывать и закрывать движением руки на виду у ком­паньона; став друг против друга на расстоянии нескольких локтей, участники начинают упражняться в закрывании и открывании огня на виду у компаньо­на таким образом, что как только один замечают свет другого, так тотчас же открывает и свой... Мне удалось произвести его лишь на малом расстоянии — менее одной мили, — почему я и не мог убедиться, действительно ли появление противоположного света совершается внезапно. Но если оно происходит и не внезапно, то, во всяком случае, с чрезвычайной быстротой”.

Джеймс Клерк Максвелл. Установление электромагнитной приро­ды света. “... Согласно электромагнитным опытам Вебера и Кольрауша[19]

v = 310740000 м/с

является количеством электростатических единиц в одной электромагнитной единице электричества, и это согласно нашему результату должно быть равно скорости света в воздухе или вакууме.

Скорость света в воздухе по опытам Физо[20] равна

v = 314 858 000 м/с, а согласно более точным опытам Фуко[21]

v = 298 000 000 м/с.

Скорость света в пространстве, окружающем Землю, выведенная из коэф­фициента аберрации и из величины радиуса земной орбиты, равна

v = 308 000 000 м/с.

Следовательно, скорость света, определенная экспериментально, достаточ­но хорошо совпадает с величиной v, выведенной из единственного ряда экспери­ментов, которыми мы до сих пор располагаем. Значение v было определено пу­тем измерения электродвижущей силы, при помощи которой заряжается кон­денсатор известной емкости, разряжая конденсатор через гальванометр, чтобы измерить количество электричества в нем в электромагнитных единицах. Един­ственным применением света в этих опытах было использование его для того, чтобы видеть инструменты. Значение v, найденное Фуко, было получено путем определения угла, на который поворачивается вращающееся зеркало, пока от­раженный им свет прошел туда и обратно вдоль измеренного пути. При этом

не пользовались каким-либо образом электричеством и магнетизмом. Совпа­дение результатов, по-видимому, показывает, что свет и магнетизм являются проявлениями свойств одной и той же субстанции и что свет является элек­тромагнитным возмущением, распространяющимся через поле в соответствии с законами электромагнетизма”.

Альберт Майкельсон. Измерение скорости света. “В выражении для скорости света v, при определении вращающимся зеркалом v = AnND/a, долж­ны быть измерены три величины, именно, N — скорость вращения зеркала, D — расстояние между конечными пунктами и а — угловое смещение зерка­ла. Как уже упоминалось, величины N и D могут быть измерены до 1/100000 или еще лучше. Но а не может быть измерено с этой точностью. Ньюкомб[22] выяснил, что эта трудность может быть устранена приданием вращающемуся зеркалу призматической формы и увеличением расстояния между конечными пунктами настолько, чтобы возвращающийся свет отражался бы под тем же углом от следующей грани призмы.

Мы изложим вкратце попытку осуществления такого проекта между горой Вильсон и горой Сан-Антонио близ Пасадены, расстояние между которыми равно 35 км. Для этого расстояния при скорости вращения в 1060 оборотов в секунду угловое смещение зеркала в течение двойного пути было бы 90°, или при вдвое меньшей скорости получался бы угол в 45°[23]. Поэтому вращающееся зеркало имеет форму восьмиугольника. Конечно, крайне важно, чтобы углы были равны с наивысшей возможной степенью точности.

Этого достигали следующим образом. Восьмигранник с полированными плоскостями с почти правильными углами налагался на пробный угол oibi, образованный прикрепленной к совершенно плоской пластинке призмой с уг­лом в 45° (рис. Д5.1). Плоскость стороны bib выверялась при помощи интер­ференции в монохроматическом свете. Грани aid оказались, вообще говоря, не параллельными, и угол между ними измерялся по расстоянию и наклонению интерференционных полос. Так же проверялись все восемь углов, и затем со - галифовывались до полной точности углов и плоскости сторон.

Таким образом оказалось возможным добиться средней точности восьми­гранника до 1/10, т. е. с точностью от 1/10 до 1/20 секунды.[24]

Другое затруднение возникает от прямого отражения и рассеяния света вра­щающимся зеркалом. Первое может, как уже упоминалось, быть устранено не­большим наклоном вращающегося зеркала, но для того чтобы избавиться от рассеяния, важно, чтобы обратный луч падал бы на другую поверхность, чем та, с которой свет ушел.

Для того чтобы устранить трудность поддержания удаленного зеркала пер­пендикулярно к падающему лучу, возвращение луча в исходную точку может быть осуществлено так, как это сделано в опыте Физо; единственная предосто­рожность, которую следует принять, — это очень точная фокусировка луча на малом плоском (лучше вогнутом) зеркале в фокусе удаленного коллиматора.

Наконец, гораздо дешевле применять в качестве отправляющего и прини­мающего коллиматора посеребренные зеркала вместо линз.

Рис. Д5.2 дает представление об установке, удовлетворяющей всем этим требованиям. Между обсерваторией на горе Вильсон и горой Сан-Антонио на расстоянии 35 км от первой были сделаны три измерения. Электрический ка­мертон давал 132,25 колебаний в секунду, давая четыре устойчивых изображе­ния вращающегося зеркала при вращении его со скоростью в 529 оборотов в секунду. Камертон сравнивали до и после каждого наблюдения со свободным маятником, период которого был найден сравнением с маятником из инвара, изготовленным и измеренным Службой берегового и геодезического надзора (Coast and Geodeic Survey).

Результат восьми опытов в 1924 г. дал

va — 299 735.

Другой ряд наблюдений при непосредственном сравнении того же камер­тона с маятником Службы берегового надзора был выполнен летом 1925 г. с результатом

вещество зеркала достаточно однородно (стекло в настоящем случае), то такое искажение может повлечь за собой лишь легкое искривление, а следовательно, только небольшое сме­щение фокуса.

va = 299690.

Третий ряд измерений — в котором камертон был заменен свободным ка­мертоном с 528 колебаниями в секунду; колебания последнего поддерживались током лампового колебательного контура, давая таким образом большое посто­янство. Результат этих измерений

' "3 ^ ’ ‘ ’■ К"' 1 va = 299704. ‘ " "■

Придавая этим определениям соответственные веса 1, 2 и 4, Получим для скорости света в воздухе

va = 299704.

Принимая поправку в 67 км для приведения к пустоте, получим оконча­тельно •

v = 299771.

Такой результат следует рассматривать как предварительный, и он зависит от значения расстояния D между двумя пунктами наблюдениия, измеренного Службой берегового и геодезического надзора, которое, надеюсь, будет про­верено при повторениях работ. Опыт также показал, что пользование гораздо большим вращающимся зеркалом дает ббльшую резкость, больше света и более устойчивую скорость вращения. Весьма вероятно, что можно будет получить еще более точные результаты при дальнейшем исследовании. , ,

Окончательные измерения. На той же установке летом 1926 г. произведено было несколько опытов с набором вращающихся зеркал.

Первое из них было прежним небольшим восьмигранным зеркалом из пре­дыдущей работы. Результат, полученный в этом году: и = 299813. Давая этому результату вес 2 и результату прежней работы вес 1, получим среднее 299799.

Остальными зеркалами были стальной восьмигранниик, стеклянный 12- гранник, стальной 12-гранник и стеклянный 16-гранник.

Окончательные результаты собраны в таблице 1.”

Генрих Рудольф Герд. О весьма быстрых электрических колеба­ниях. “Период электрических колебаний в разомкнутых индукционных ка­тушках измеряется десятитысячными долями секунды. Приблизительно в сто раз быстрее совершаются колебательные разряды лейденской банки, которые наблюдал Феддерсен. Теоретически возможны еще более быстрые колебания в незамкнутых проволоках из хорошо проводящего материала, концы которых не нагружены большими емкостями; но, конечно, теория не в состоянии решить, возможно ли в действительности возбудить эти колебания такой интенсивно­сти, чтобы они стали заметными. На основании некоторых явлений я пришел к предположению, что колебания последнего рода действительно могут воз­никнуть при известных условиях, причем интенсивность колебаний настолько значительна, что действие их доступно наблюдению на расстоянии. Дальней­шие опыты подтвердили мое предположение, в виду чего здесь будут изложены наблюденные мною явления и произведенные опыты.

Колебания, о которых здесь будет идти речь, в свою очередь, приблизитель­но в сто раз быстрее наблюденных Феддерсеном. Период этих колебаний, опре­деляемый, конечно, лишь при помощи теории, измеряется стомиллионными долями секунды. Следовательно, в отношении продолжительности они зани­мают среднее место между звуковыми колебаниями весомых тел и световыми колебаниями эфира. Последнее обстоятельство и объясняет интерес, предста­вляемый этими колебаниями, помимо того, что изучение их может оказаться полезным для теории электродинамики.

Предварительные опыты. Если в разрядную цепь индукционной катушки последовательно с искровым промежутком включить искровой микрометр Ри­са, полюсы которого соединены металлическим ответвлением, то, — если толь­ко длина воздушного промежутка микрометра не превысит известного преде­ла, — разряд пройдет скорее через воздушный промежуток, чем через металли­ческий провод. Это явление не ново; как известно, построение громоотводов для телеграфных проводов имеет своим основанием именно это явление. Только в том случае, если металлическое ответвление коротко и обладает небольшим сопротивлением, можно рассчитывать на исчезновение искры в микрометре. И на самом деле длина получаемой искры уменьшается вместе с длиной от­ветвления, но, вообще говоря, полного потухания ее едва ли можно достигнуть. Даже в том случае, когда оба шарика микрометра соединены толстой медной проволокой, длиной всего в несколько сантиметров, можно наблюдать искорки, хотя и очень короткие.

Этот опыт непосредственно доказывает, что в момент разряда потенциал изменяется вдоль разрядной цепи на величину в сотни вольт на протяжении всего лишь нескольких сантиметров, косвенно же он показывает, что скорость, с которой происходит разряд, чрезвычайно велика. Это объясняется тем, что разность потенциалов у шариков искромера может рассматриваться как ре­зультат действия самоиндукции в металлическом ответвлении. Время, в те­чении которого потенциал на одном шарике испытывает заметные изменения, будет того же порядка, что и время, в продолжение которого изменения дохо­дят до другого шарика через короткий отрезок хорошего проводника. Можно было предположить, пожалуй, столь большую плотность разрядного тока, что одно лишь сопротивление ответвления обусловит разность потенциалов на ша­риках микрометра. Но приблизительное рассмотрение количественных условий показывает, что такое предположение не основательно, а в дальнейших опытах такое предположение не может быть вовсе сделано.

Замкнем опять искровой микрометр при помощи металлического провода, например, медной проволоки, диаметром 2 мм и длиной 0,5 м, согнутой в пря­моугольник; но при этом мы не включаем его в разрядную цепь индукционной катушки, а соединяем только один из ее полюсов с какой-нибудь точкой разряд­ной цепи при помощии промежуточной проволоки. На рис. Д5.3 представлено

раположение приборов: А схематически изображает индукционную катушку, В — разрядник, М — микрометр. Во время действия индукционной катуш­ки мы будем опять наблюдать в микрометре поток искр, достигающий иногда длины в несколько миллиметров.

Этот опыт показывает, во-первых, что в момент разряда интенсивные элек­трические движения происходят не только в разряднике, но и во всех соеди­ненных с ним проводах; во-вторых, он показывает нагляднее, чем предыду­щий опыт, что эти движения происходят очень быстро, и поэтому должен быть принят во внимание даже тот промежуток времени, в продолжение которого электрические волны проходят через короткие металлические провода. В са­мом деле, опыт этот можно объяснить только таким образом, что изменение потенциала, создаваемое индукционной катушкой, достигнет шарика 1 раньше, чем шарика 2, причем различие во времени оказывается доступным наблюде­нию. Это явление становится поразительным, если принять во внимание, что электрические волны, насколько это нам известно, распространяются в медной проволоке почти со скоростью света. Поэтому мне казалось достойным труда исследовать, какие условия будут способствовать появлению сильных искр в микрометре.”