Волновая оптика и интерференция

Волновая оптика — это отдел физической оптики, в котором изучают интерференцию, дифракцию, поляризацию и другие явления, для понимания которых необходимо представление о волновой природе света.

Начало XIX века принесло оптике новые открытия. Революция в оптике практически совпала с революцией в электродинамике.

В 1800 году, когда Вольта сделал свою электрическую батарею, англичанин Томас Юнг «воскресил» идею световых волн.

Но ведь волны должны быть «на чем-нибудь», а что есть в пустоте? Юнг полагал (как в свое время Аристотель), что пустота заполнена невесомым эфиром, в котором и возбуждаются волновые движения. А цвет он связал с частотой колебаний частиц эфира в волне: каждому чистому цвету соответствует своя частота колебаний. Через 65 лет, когда появилась на свет теория электромагнитных полей Максвелла, стало ясно, что пустота заполнена полями, а свет (как и радиоволны) — это волновые возмущения этих полей.

Любые волновые процессы — звук, свет и прочие — характеризуются тремя основными параметрами: скоростью распространения (c), частотой колебаний (v) и длиной волны (λ) — расстоянием, которое волна проходит за время, равное периоду колебаний. Эти параметры связаны уравнением: λ = с/v. Чем больше частота колебаний, тем короче волна.

Для видимого света длина волны (в вакууме) меняется от 400 нм (фиолетовый свет) до 750 нм (красный). Именно в этом диапазоне длин волн Солнце излучает с максимальной интенсивностью.

Юнг не просто рассуждал о волновой природе света. Он доказал это экспериментально и измерил длины световых волн разного цвета. Главное отличительное свойство любых волн — их способность «проходить друг сквозь друга», не мешая дальнейшему распространению (тот самый принцип независимости световых пучков). В каждой точке области перекрытия волн колебания, возбуждаемые ими, просто складываются. Если волны при этом имеют одинаковые частоты (строго говоря, если волны когерентны), то в одних местах суммарная интенсивность колебаний возрастает (там, где гребни двух волн совпадают), а в других местах волны гасят друг друга (там, где гребень одной волны накладывается на впадину другой). Такое перераспределение энергии волн в пространстве Юнг назвал интерференцией.

Проще всего увидеть интерференцию волн на поверхности воды.

Условие когерентности волн — это не только равные частоты колебаний. Источники этих волн должны совершать колебания в фазе — в идеале они должны быть совершенно идентичными. Парные отверстия в схеме Юнга как раз являются такими идентичными источниками волн — ведь они являются производными одной и той же исходной волны.

Для наблюдения интерференции света Юнг поставил простой и красивый опыт. В качестве точечного источника света он использовал маленькую дырочку в оконной ставне, которую он покрыл листом бумаги, проколотой тонкой иглой. Свет, выходящий из отверстия в бумаге, освещал второй лист бумаги, в котором кончиком булавки были сделаны два отверстия близко друг к другу. В области перекрытия выходящих из пары отверстий световых пучков на приемном экране наблюдались светлые и темные интерференционные полосы (см. рис. 1). Когда закрывалось одно из отверстий, полосы исчезали.

Рисунок 1. Схема опыта Юнга

Измеряя ширину интерференционных полос, Юнг смог вычислить длину волны света. Она оказалась очень мала: в половине миллиметра укладывается тысяча длин волн зеленого света. Именно из-за малости длин световых волн их волновые свойства — интерференцию и дифракцию — так трудно наблюдать: требуются очень малые отверстия или преграды.

Результаты своих исследований световых волн Юнг опубликовал и доложил на ученом заседании Лондонского королевского общества. Но резонанса его работа не получила. Надо сказать, что к началу XIX века центр научной мысли переместился из Лондона в Париж, и вряд ли кто из французских коллег прочел статью Юнга на английском.

Новое рождение волновая оптика получила 17 лет спустя благодаря французскому инженеру Огюстену Френелю.