Краткая история оптики

Оптика привлекала многих учёных древности, таких, как Эвклид — великий творен геометрии, живший в Александрии в III веке до нашей эры, и Архимед, в то же самое время совершивший великие открытия в Сиракузах. Значительно позднее во II веке нашей эры занимался оптикой и писал о ней труды Клавдий Птолемей, великий астроном Александрийского университета. Средние века были периодом застоя в развитии науки, к особенно оптики. Только два ученых монаха, живших в XIII веке, несколько продвинули оптику вперед и написали хорошие книги. Первым был англичанин Рожер Бекон, который написал «Opus rnaius», вторым — поляк Челек (Вителлио), создавший известный во всем мире десятитомный труд об оптике «Optical librl decern».

Только в эпоху Возрождения и последующие века оптика достигает расцвета Кеплер в двух трактатах об оптике «Ad Vitellonem Paralipomena» и «Dioptrika» описывает преломление света и дает конструкции подзорных труб. Снеллиус экспериментально открывает закон преломления света. Декарт, обладавший замечательной интуицией, выводит оптику на путь теоретической науки, предсказывает новые явления. В Голландии изготавливают подзорные трубы и микроскопы. Ньютон в своем гениальном труде «Оптика» лает экспериментальные основы науки о цвете. И вот наступил XVII вех, век борьбы мнений о природе света — корпускулярной согласно теории Исаака Ньютона и волновой с точки зрения теории Христиана Гюйгенса. Проходит еще сто лет, и тогда Томас Юнг в Англии и Августин Френель во Франции открывают принципы интерференции света и своими опытами обеспечивают прочную победу волновой теории. С той поры происходит фантастический расцвет оптики — спектроскопия и интерферометрия становятся самыми точными «инструментами» исследований как в мире атомов, так и в мире звёзд.

 

Во Введении невозможно подробно рассказать о триумфальном развитии наших знаний о свете: об исторических опытах Майкельсона, тех опытах, на основе которых возникла теория относительности Эйнштейна, о теория световых квантов Плавки и снова об Эйнштейне, который в 1917 году объявил Миру, что атомы испускают кванты света не только самопроизвольно, спонтанно, но н вынужденным путем под действием излучения других атомов, если оно попадает на уже возбужденный атом, готовый к акту излучения. Невозможно перечислить все верстовые столбы на пути удивительного развития науки о свете.

 

Позвольте мне все же вспомнить о Марнане Смолуховском, который в 1907 году показал, какую важную роль в рассеянии света играют флуктуации плотности в газах и жидкостях, особенно вблизи критических условий. Должен я также вспомнить о Мечиславе Вольфке, который еще в 1920 году разработал теоретические основы голографии.

 

Несмотря на ошеломляющие успехи оптики, наши знания о природе света остаются недостаточными. Свет излучается из атомов в виде квантов — сгустков световой энергии, и распространяется в пространстве так, как распространяются частицы, но одновременно и так, как распространяется электромагнитная волна, в которой электрическое и магнитное поля возникают и исчезают и снова возникают и исчезают все дальше и дальше, охватывая собой все пространство Вселенной. И если световая волна попадает в сгустки атомов, она подвергается поглощению, но не потому, что атомы ослабляют световую волну, а потому, что атомы оказываются пораженными световыми частицами (опять частицами!), или квантами определенной энергии. В результате кванты энергии расходуются на возбуждение атомов, т. е. осуществляется их переход на более высокие энергетические уровни.

 

Любой источник света —это скопление множества возбужденных или непрерывно возбуждаемых атомов. Возбуждение атомов может осуществляться, например, нагреванием материала (в печи или в пламени свечи) или воздействием электрического тока (в лампе накаливания или неоновой рекламе) и т. д. Характерной особенностью каждого из этих источников света является самостоятельность, несвязанность атомов, рслсдсг вне чего они испускают кванты излучения спонтанно (самопроизвольно). Образно говоря, каждый атом излучает свою долю энергии собственным путем, независимо во времени и пространстве. Светящееся тело в таком представлении подобно оркестру, который играет без дирижера несколько тактов какой-либо пьесы, непрерывно повторяя их. Все оркестранты играют одно 24

и то же, но каждый из них начинает эти такты, когда захочет, н делает между ними паузы, какие захочет. Такова аналогия обычного источника спета, атомы которого испускают световые колебания, не скоррелированные во времени. Имея в виду такое качество источников света, мы говорим, что они некогерентны и что испускают когерентный свет. Все протяженные (неточечные) источники света некогерентны.

Где же тот «дирижер», который упорядочивает во времени излучение всех атомов протяженного источника света и делвет его когерентным? Указывающей стрелкой является упомянутая работа Эйнштейна в 1917 году о вынужденном излучении атомов под воздействием света. С помощью света можно «дирижировать» излучением атомов, можно сделать так, чтобы световые колебания, еще неиспущенные. были бы согласованы, скор-релированы. Надо только найти способ.

Способ для микроволнового (СВЧ) излучения был найден в 1955 году Ч. Таунсом (с сотрудниками) в США [13] и Н. Г. Басовым н А. М. Прохоровым в СССР, открывшими принцип мазера. За это открытие они получили в 1964 году Нобелевскую премию. В 1958 году А. Шавлов н Ч. Таунс пришли к идее использования того же самого принципа в получении когерентного излучения инфракрасного и видимого диапазонов. Уже в I960 году в США был реализован «оптический мазер» или лазер, созданный Т. Мейманом на рубине, в котором ноны хрома испускали красный когерентный свет, а в следующем году Али Джаван сконструировал газовый лазер, работавший на смеси неона и гелия, в котором инфракрасное когерентное излучение испускали атомы неона.

Категории: