Трактат о свете
 | |
| Автор | Кристиан Гюйгенс |
|---|---|
| Язык | Французский |
| Жанр | Оптика |
| Опубликовано | 1690 |
«Трактат о свете: в котором объясняются причины того, что происходит при отражении и преломлении» ( французский : Traité de la Lumière: Où sont expliquées les Causes de ce qui luy Arrival dans la reflexion & dans la refraction ) — книга, написанная голландцем. эрудит Христиан Гюйгенс , опубликованный на французском языке в 1690 году. Книга описывает концепцию Гюйгенса о природе распространения света , которая позволяет объяснить законы геометрической оптики, показанные в Декарта « Диоптрике» , которую Гюйгенс стремился заменить. [1]
В отличие от Ньютона корпускулярной теории , представленной в журнале «Оптика» , [2] Гюйгенс представлял свет как нерегулярную серию ударных волн, которые распространяются через эфир с очень большой, но конечной скоростью , подобно звуковым волнам . Более того, он предположил, что каждая точка волнового фронта сама по себе является источником вторичной сферической волны. Этот принцип сегодня известен как принцип Гюйгенса-Френеля . [3] Книга считается новаторской работой в области теоретической и математической физики и первым механистическим описанием ненаблюдаемого физического явления. [4] [5]
Обзор
[ редактировать ]Гюйгенс работал над математикой световых лучей и свойствами преломления в своей работе «Диоптрика» , которая началась в 1652 году, но осталась неопубликованной и предшествовала его по шлифовке линз работе . В 1672 году проблема странного преломления исландского кристалла создала загадку физики рефракции, которую хотел решить Гюйгенс. [6] В конце концов Гюйгенс смог решить эту проблему с помощью эллиптических волн в 1677 году и подтвердил свою теорию экспериментами, в основном после критических реакций в 1679 году. [7]
Его объяснение двойного лучепреломления основывалось на трех гипотезах: (1) внутри кристалла существуют две среды, в которых распространяются световые волны, (2) одна среда ведет себя как обычный эфир и несет нормально преломленный луч, и (3) скорость волны в другой среде зависят от направления, так что волны расширяются не по сферической форме, а по эллипсоидам вращения; эта вторая необыкновенная среда несет аномально преломленный луч. Изучая симметрию кристалла, Гюйгенс смог определить направление осей эллипсоидов, а по преломляющим свойствам аномального луча установил пропорцию между осями. Он рассчитал преломление лучей на плоских сечениях кристалла, отличных от естественных сторон кристалла, и в конечном итоге подтвердил многие из своих результатов экспериментально. [3] [8]
Гюйгенс намеревался опубликовать свои результаты как часть «Диоптрики », но в последнюю минуту решил отделить свою теорию света от остальной работы, ознаменовав переход от геометрической оптики к физической . [9] и другим потребовалось Более столетия спустя Этьену Малюсу пятнадцать лет, чтобы реконструировать идеи Гюйгенса о лучах и волновых фронтах. [10]
Содержание
[ редактировать ]Среда распространения
[ редактировать ]В первой главе Гюйгенс описывает свет как возмущение, которое движется в материальной среде неизвестной природы, которую он называет эфирной и которая отличается от той, которая распространяет звук. Эта эфирная материя состоит из упругих частиц материи, которые сталкиваются по законам, открытым им в 1669 году.
Гюйгенс считает, что структура материи атомарна и состоит из совокупности частиц, «которые соприкасаются друг с другом, не образуя сплошного твердого тела». [11] Таким образом, световые волны могут перемещаться от одной частицы к другой, не смещая их. Другой способ взглянуть на проблему распространения состоит в том, чтобы принять во внимание, что не частицы прозрачной среды передают свет, а частицы эфирной материи, проникающие в пустоты твердой или жидкой материи (или даже вакуум, поскольку свет проходит через верхушку барометра Торричелли ). [11] Наконец, Гюйгенс рассматривает третий тип распространения света, который представляет собой комбинацию первых двух.
Другая концепция, обсуждавшаяся в первой главе, — это скорость света, где Гюйгенс первоначально развивает временную концепцию Пьера де Ферма . Он считает, что «тряска», порождающая световые волны, обязательно движется с конечной скоростью, даже если она очень велика. Этот момент очень важен, поскольку его демонстрации основаны на эквивалентности времени прохождения на разных путях. [6] [7] Гюйгенс сообщает о письме Оле Кристенсена Рёмера , датированном 1677 годом, в котором говорится, что скорость света по крайней мере в 100 000 раз превышает скорость звука, а возможно, и в шесть раз выше. В последнем случае скорость, найденная Рёмером (214 000 км/с ), была того же порядка, что и признанная сегодня скорость света. [5]
Природа волнового фронта
[ редактировать ]
После своих замечаний о среде распространения и скорости света Гюйгенс дает геометрическую иллюстрацию волнового фронта , основу того, что стало известно как принцип Гюйгенса. Его принцип распространения — это демонстрация того, как волна света (или, скорее, импульс), исходящая из точки, также приводит к меньшим вейвлетам: [12]
...каждая из этих волн может быть бесконечно слабой только по сравнению с [первичной волной], в состав которой все остальные вносят вклад той частью своей поверхности, которая наиболее удалена от [происхождения волны].
Это означает, что каждая частица в эфире является источником нового волнового фронта, и хотя эти «вторичные вейвлеты» характеризуются Гюйгенсом как «слабые», точки на каждом вейвлете вместе образуют первичную волну, которая видна как свет. [12] Таким образом, новый волновой фронт представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным вейвлетам в направлении распространения. [13]
Критическим для анализа Гюйгенса является то, что эти вторичные вейвлеты могут быть построены математически, что позволяет работать в обратном направлении от вторичных вейвлетов, чтобы построить первичную волну, которая прошла определенное время. Это принцип, на котором основана вся теория света Гюйгенса, и это то, что отличает его теорию от теорий его предшественников. [10]
Оставшаяся часть книги
[ редактировать ]Во второй главе кратко рассматривается отражение, а в третьей и четвертой главах исследуется преломление. Гюйгенс тщательно объясняет различия между прозрачными и непрозрачными средами с точки зрения их состава частиц, в частности, исследуя атмосферную рефракцию . [12]
В пятой главе рассказывается о странном преломлении исландского кристалла. Гюйгенс вырезает кусок кристалла и изучает геометрию распространения света внутри него, прежде чем провести читателя через серию пошаговых эмпирических исследований. Его объяснение странного преломления основано на свойствах обыкновенного и необыкновенного лучей. Обыкновенный луч имеет сферический волновой фронт из-за постоянного показателя преломления , который не зависит от направления распространения внутри кристалла и имеет одинаковую скорость во всех направлениях. С другой стороны, необыкновенный луч имеет эллипсоидный волновой фронт из-за своего показателя преломления, который меняется в зависимости от направления распространения внутри кристалла, что приводит к разным скоростям в разных направлениях. [14] Таким образом, когда свет проходит через кристалл, он разбивается на две волновые поверхности, которые следуют по разным путям внутри него, в результате чего наблюдаются два преломленных луча.
Последующая серия поэтапных исследований была призвана подтвердить объяснение Гюйгенсом странного преломления. Они были вызваны ранними возражениями Рёмера и представляют собой один из немногих примеров в работе Гюйгенса, где он предоставил такие подробности экспериментов. [4] Гюйгенс использовал эти математические и экспериментальные ресурсы для достижения впечатляющих результатов, некоторые из которых не поддавались проверке до начала XIX века. [15]
Шестая глава книги завершается обсуждением преломления и отражения в прозрачных телах. [12]
Наследие
[ редактировать ]
Главным достижением Гюйгенса в « Трактате о свете» является демонстрация того, что можно вывести все основные характеристики прямолинейного распространения , отражения , простого и двойного лучепреломления, исходя только из скорости распространения световых волн. Сведя луч к геометрической конструкции, лишенной физического характера, Гюйгенс смог трактовать теорию света кинематически (и, следовательно, математически), что позволило ему добиться успеха там, где его предшественники потерпели неудачу. [10] [16]
Хотя полнота анализа Гюйгенса впечатляет, он не смог понять эффект, который мы теперь называем поляризацией , который возникает, если преломленный луч направляется через второй кристалл, ориентация которого меняется. Он также не затронул ряд проблем, таких как хроматическая аберрация и цвет , которые были объяснены Ньютоном, хотя он сталкивался с ними при создании своих телескопов. [3]
За исключением Антуана Парена и Рене Жюста Гаюи , идеи Гюйгенса в « Трактате о свете» были в значительной степени забыты через столетие после его публикации. Многие из этих идей были независимо развиты Огюстеном-Жаном Френелем в начале 19 века и позже опубликованы в его «Воспоминаниях о дифракции света» (1818). Впоследствии Френель узнал о работе Гюйгенса и в 1821 году адаптировал принцип Гюйгенса, чтобы дать полное объяснение эффектов прямолинейного распространения и дифракции света. Этот принцип теперь известен как принцип Гюйгенса-Френеля . [1] [5]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б А. И. Сабра (1981). Теории света от Декарта до Ньютона . Архив Кубка. п. 186. ИСБН 978-0-521-28436-3 .
- ^ Шапиро, А.Е. (1989). «Трактат о Люмьере» Гюйгенса и «Оптика» Ньютона: преследование гипотез и отказ от них» . Заметки и отчеты Лондонского королевского общества . 43 (2): 223–247. дои : 10.1098/rsnr.1989.0016 . ISSN 0035-9149 . JSTOR 531384 . S2CID 145336637 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Бос, HJM (1973). Гюйгенс, Христиан . Полный словарь научной биографии , стр. 597-613.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дейкстерхейс, Фокко Ян (2004). Линзы и волны: Христиан Гюйгенс и математическая наука оптика в семнадцатом веке . Архимед. Спрингер Нидерланды. ISBN 978-1-4020-2697-3 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Куббинга, Х (1995). «Христиан Гюйгенс и основы оптики» . Чистая и прикладная оптика: Журнал Европейского оптического общества, часть A. 4 (6): 723–739. Бибкод : 1995PApOp...4..723K . дои : 10.1088/0963-9659/4/6/004 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Дейкстерхейс, Фокко Ян (2004). «Как только Снелл сломается: от геометрической к физической оптике в семнадцатом веке» . Анналы науки . 61 (2): 165–185. дои : 10.1080/0003379021000041884 . S2CID 123111713 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Зиггелаар, Августин (1980). «Как волновая теория света сформировалась в сознании Христиана Гюйгенса?» . Анналы науки . 37 (2): 179–187. дои : 10.1080/00033798000200181 .
- ^ Бухвальд, Джед З. (2007). «Методы Гюйгенса для определения оптических параметров в условиях двойного лучепреломления» . Архив истории точных наук . 61 (1): 67–81. дои : 10.1007/s00407-006-0115-7 . S2CID 122012266 .
- ^ Дейкстерхейс, Ф.Дж. (2004). Гюйгенс и оптика . Титан – От открытия к встрече , стр. 81-89.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Шапиро, А.Е. (1980). Кинематическая теория света Гюйгенса. В HJM Bos, MJS Rudwick, HAM Snelders и RPW Visser (ред.), Исследования Христиана Гюйгенса (стр. 200–220). Светс и Цайтлингер Б.В.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Гюйгенс, Кристиан (2005). Трактат о Свете . Перевод Томпсона, SP Project Gutenberg.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Ховард, Н. (2003). Христиан Гюйгенс: Построение текстов и аудитории (стр. 241-253). Университет Индианы.
- ^ Андерсон, Флорида (2021 г.). «Геометрический вывод принципа Гюйгенса и устранение следа и обратной волны» . Научные отчеты . 11 (1): 20257. doi : 10.1038/s41598-021-99049-7 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 8511121 . ПМИД 34642401 . S2CID 238746979 .
- ^ Кумар, Арун; Гатак, Аджой (25 января 2011 г.), «Двойное преломление и приложения» , Поляризация света с применением в оптических волокнах , том. TT90, SPIE, стр. 47–75, doi : 10.1117/3.861761.ch4 , получено 10 декабря 2023 г.
- ^ Шапиро, А.Э. (1973). Кинематическая оптика: исследование волновой теории света в семнадцатом веке. Архив истории точных наук, 11 , 134-266.
- ^ Бухвальд, Дж. З. (1989). Возникновение волновой теории света . Издательство Чикагского университета. стр. 3–6. ISBN 9780226078847 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- К. Гюйгенс, Traité de la Lumière , Лейден: Питер ван дер Аа, 1690; archive.org/details/bub_gb_kVxsaYdZaaoC
- К. Гюйгенс (перевод Сильвануса П. Томпсона), «Трактат о свете» , Лондон: Macmillan, 1912; archive.org/details/treatiseonlight031310mbp (и исправления )
- К. Гюйгенс (перевод Сильвануса П. Томпсона, 1912 г.), «Трактат о свете» , Project Gutenberg, 2005 г., Gutenberg.org/ebooks/14725 (и исправления )
| Опубликованные работы |
|
|---|---|
| Открытия и изобретения | |
| Признания | |
| Связанные люди | |
