Теория дифракции Френеля

Когда волна встречает препятствие, сопоставимое по размеру с длиной волны, она отклоняется от прямолинейного распространения, огибает препятствие и проникает в область геометрической тени. Это явление и называют дифракцией. Дифракция присуща волнам любой природы. Например, морские волны огибают скалу, стоящую у них на пути.

В начале 1817 года французская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света, причем подразумевалось, что это явление будет рассматриваться на основе корпускулярной теории света как результат притяжения световых корпускул к молекулам огибаемого тела. Молодой инженер Френель прислал свою работу, в которой показал, что корпускулярная теория света не в состоянии объяснить явление дифракции. Притяжение света к молекулам тут не при чем — вещество преграды не играет никакой роли. Зато волновая теория позволила ему объяснить и предсказать самые разные дифракционные явления.

Огюстен Френель (1788-1827), инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, заинтересовался оптикой в 1814 году случайно, когда по роду службы вынужден был заняться реорганизацией маячного освещения. Не зная работы Юнга, он повторил его выводы об интерференции света и пошел дальше. За неполные 9 лет работы Френель совершил полный переворот в оптике. Он умер в возрасте всего 39 лет. Не сразу, но ещё при жизни Френеля его волновая теория света получила признание.

На пальцах суть дифракции можно объяснить так. От каждой точки источника свет приходит в точку наблюдения по множеству различных путей, и волны, прошедшие разными путями, имеют в точке наблюдения разные фазы. В одних точках происходит взаимное усиление волн, в других — взаимное погашение. Френель придумал, как предсказать результат дифракции в ряде простых ситуаций.

Пусть, к примеру, свет проходит через маленькое круглое отверстие в непрозрачной ширме. На экране, установленном за ширмой, будет не просто круглое светлое пятнышко, а дифракционная картина, состоящая из чередующихся темных и светлых колец. Причем в центре картины может быть как темное, так и светлое пятно, в зависимости от радиуса отверстия и расстояния до экрана (см. рис. 1). Френель разработал метод расчета, позволяющий предсказать, что же именно окажется в центре картины.

Рисунок 1. Дифракция на круглом отверстии

Применив свой метод к случаю дифракции на краю плоского экрана, он объяснил периодические изменения интенсивности света по мере того, как свет удаляется от края геометрической тени. На фотографии (см. рис. 2) вы видите на краю тени от перьевой ручки сначала светлый ореол, а затем чередующиеся темные и светлые полосы.

Рисунок 2. Дифракция на краю стального пера

Работы, представленные на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук, в составе которой были крупнейшие ученые того времени. Все они придерживались традиционных взглядов на природу света и отнеслись к работе Френеля с недоверием. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия была вынуждена присудить ему премию. При этом произошел интересный случай. Член комиссии математик Пуассон заметил, что метод Френеля приводит к парадоксальному выводу: в центре тени от шарика должно быть светлое пятно, однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус шарика будет достаточно малым. Это предсказание вскоре было проверено на опыте, превратив таким образом возражение Пуассона в убедительнейшее доказательство справедливости теории Френеля (см. рис. 3).

Рисунок 3. Пятно Пуассона

Вы можете наблюдать дифракцию без всяких специальных приспособлений, просто глядя на солнце или яркую лампу сквозь ресницы. Вы увидите радужную окраску — результат дифракции на ресницах. Или посмотрите на свет, отраженный от компакт-диска — он тоже выглядит радужным, потому что происходит дифракция на множестве узких бороздок. При отражении лампы в пыльном зеркале виден цветной ореол вокруг нее из-за дифракции на множестве пылинок.

Принцип экстремального времени, постулированный Ферма, Френель тоже объяснил с волновой точки зрения. Он создал также теорию поляризации света. За короткое время им по существу была полностью создана классическая волновая оптика. И если Ампера Максвелл назвал «Ньютоном электричества», то Френель заслуживает титула «Ньютона волновой оптики».

Итак, Френель убедительно доказал, что свет — это волны. Максвелл затем уточнил: это электромагнитные волны. Казалось бы, вопрос решен. Однако начало ХХ века принесло неожиданные сюрпризы в вопросе о природе света.