Оптика

Оптика

Учение о теплоте развивалось в XVIII в. в тесной связи с химией и оптикой. Огонь, как известно, дает тепло и свет, вызывает химические превращения.

Все это заставляло ученых искать взаимосвязи между тепловыми, химическими и световыми явлениями. Ломоносов был решительным противником теплорода, но он не мог отрицать тесной взаимосвязи между светом и химическим строением тела. Его «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее», прочитанное им на академическом собрании 1 июля 1756 г., содержит теорию цветов, непосредственно связанную с тогдашними химическими представлениями. Согласно воззрениям Ломоносова, свет представляет собой волновое движение эфира. Цвета же обусловлены существованием трех сортов частиц эфира, соответствующих трем химическим материям: соляной, серной и ртутной. «Я приметил, — говорит Ломоносов,— и чрез многие годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною вероятностию утвердился, что три рода эфирных частиц имеют совмещение с тремя родами действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих, а именно: первой величины эфир с соляною, второй величины со ртутною, третьей величины с серною или горячею первоначальною матернею; а с чистою землею, с водой и воздухом совмещение всех тупо, слабо и несовершенно. Наконец, нахожу, что от первого рода эфира происходит цвет красный, от второго — желтый, от третьего — голубой. Прочие цвета рождаются от смешения первых».

Это — одна из попыток связать цвета тел с их химической структурой. Одновременно Ломоносов пытается физически интерпретировать цветность светового луча.

Вопрос о физической природе белого цвета и цветов занимал Ньютона и Гука, Ломоносова и Эйлера. Эйлер выдвинул своеобразную резонансную теорию цветов и также примкнул к волновой теории света, игнорируя, однако, принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса в XVIII в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена. Всеобщее увлечение гипотетическими «флюидами», «невесомыми» отразилась и на оптике. Корпускулярная, «вещественная»теория светаза-воевала всеобщее признание.

Заметим, что именно в XVII в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно отсюда датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, освещения дворцов, устройство маячных фонарей, приобрели большое значение. Лавуазье занимался этими вопросами в Париже, Ломоносов принимал активное участие в устройстве парадных иллюминаций. Кулибин конструировал фонари. Измерение силы света различных источников и освещенности стало интересовать ученых. С другой стороны, методы точного естествознания, распространяясь все шире и шире, не смогли не затронуть область световых явлений, фотометрия была необходима и для науки, и для практики.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт о градации света» и написавший «Оптический трактат о градации света», изданный посмертно в 1760 г., и эльзасец И. Г. Ламберт (1728—1777), «фотометрия» которого была издана также в 1760 г.

Вопрос о распределении света и освещенности издавно интересовал живописцев, и вполне естественно, что такой художник-исследователь, какЛеонардо, был одним из первых экспериментаторов фотометристов. С. И. Вавилов писал о нем: «Его рисунки и пояснения к ним не оставляют никакого сомнения в том, что Леонардо экспериментировал с фотометрической установкой типа Румфорда».

В «Оптическомтрактате» Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток» (у Бугера — «количество света»), «сила света источника» (у Бугера—«абсолютная сила света»), «освещенность» (у Бугера—«сила света»), «яркость», которую Бугер называет то интенсивностью света, то яркостью света. Основной принцип фотометрических измерений Бугер формулирует следующим образом: «Заставим сначала лучи от этих двух светящих тел (исследуемого источника и свечи— эталона. —П. К.) падать под одинаковым углом на два различных участка поверхности, которую мы будем удалять на большее или меньшее расстояние от светильника или от свечи до тех пор, пока эти два участка поверхности не станут казаться нам совершенно одинаково освещенными. Тогда остается лишь измерить оба расстояния, и их квадраты будут выражать отношение абсолютных сил света двух светящих тел».

Бугер сконструировал простой фотометр, разработал методы уравнивания создаваемых различными источниками освещенностей, выполнил обширную программу фотометрических измерений. В частности, он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.

С.И.Вавилов и В.Л.Левшин тщательно исследовали справедливость закона Бугера при разных интенсивностях и нашли, что он остается справедливым при изменении интенсивности в 1020 раз. В книге «Микроструктура света» С.И.Вавилов вскрыл сложные и тонкие физические причины нарушения закона, о которых, понятно, классическая оптика не имела никакого представления.

Заметим, что закон Бугера и закон зависимости освещенности от расстояния источника света до освещаемой поверхности неправильно назывались в учебниках законами Ламберта. С.И.Вавилов много сделал для восстановления исторической справедливости по отношению к Бугеру.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон зависимости яркости источника от «угла истечения» света из источника. Этот закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела (яркость пропорциональна синусу угла, образованного выходящими лучами с поверхностью излучающегося тела). Ламберт, однако, полагал его справедливым вообще и в частности, полагал, что вследствие этого закона Солнце должно казаться равномерно освещенным диском в противоположность утверждению Бугера, что яркость Солнца убывает от центра к периферии.

Фотометрия была важнейшим достижением оптики XVIII в. Из других результатов следует отметить построение, вопреки мнению Ньютона, ахроматических объективов телескопов и труб и открытие аберрации света (Джемс Брадлей, 1728). Это последнее открытие дало новый метод определения скорости света и позже сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.