Многие поколения ученых, пытаясь определить, что такое свет, ставили исключительно тонко задуманные и в совершенстве исполненные опыты. На основании этих опытов создавались новые физические теории, которые касались не только оптики, но и всех разделов физики.
Более двух тысяч лет назад был установлен закон о прямолинейном распространении света. Следующий шаг сделал Ньютон: он доказал, что призма разлагает белый свет на «простые» цвета. Френель обосновал волновую теорию света. Максвелл доказал, что световая волна — это электромагнитные колебания. Ученые, исследуя излучения накаленных тел и линейчатые спектры паров и газов, создали квантовую теорию — основу всей современной теоретической физики.
В наше время энергия света играет большую роль и в технике, особенно в измерительных приборах. Во многих случаях никакими другими способами нельзя получить такие точные результаты измерений, как с помощью световых волн.
Еще совсем недавно многие физики считали, что в науке, изучающей свет,— в оптике — вряд ли можно ожидать революционные открытия: ведь этой науке более двух тысяч лет. Но это, конечно, не так. Еще многое в науке о свете осталось неясным и требует кропотливых и длительных исследований. Некоторые ученые считают, что «свет — самое темное место в физике»; пожалуй, они правы.
В 1960 г. оптика снова вторглась во все разделы физики. Созданы новые источники света — лазеры, яркость луча которых в сотни миллионов раз превосходят яркость Солнца. Уже теперь ученым ясно: в очень недалеком будущем лазеры окажут огромное влияние на развитие науки и техники.
Вечно молодая наука о свете опять оказалась на переднем крае науки.
Проявление электричества в природе известно каждому. Это молнии — мгновенные разряды атмосферного электричества. Реже встречаются шаровые молнии — бесшумно парящие скопления электрических зарядов. Но электричество играет большую роль в самых разнообразных явлениях природы, которые на первый взгляд кажутся совсем не электрическими.
Янтарь-электрон
В древние времена к берегам Балтийского и Северного морей металл привозили из средиземноморских стран. Среди товаров, получаемых в обмен, особенно ценилась ископаемая смола. На севере ее называли янтарем, а на юге — электроном. Из янтаря-электрона делали украшения.
Обрабатывая янтарь, греки заметили, что, если его натереть, он притягивает ворсинки шерсти, обрывки ниток, волосы, перья. В обиходе появились даже янтарные палочки, которыми собирали пыль с одежды.Удивительное свойство натертого янтаря не привлекало до Гильберта внимание ученых. Гильберт первым обнаружил, что этим свойством обладают очень многие вещества — алмаз, сера, кварц и, как потом обнаружилось, даже металлы. Электризацию металлов наблюдал в начале XVIII в. английский ученый Грей. Чтобы обеспечить изоляцию от земли, он натирал металлические предметы, расположившись на качелях, которые были сделаны из волосяных веревок.
Силу притяжения, которой обладает натертое тело, Гильберт назвал электрической, а связанные с этим явления — электрическими явлениями. Этим он подчеркнул роль янтаря-электрона в новой области науки.
Магнитные исследования Кулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов; исследования Ампера — закон взаимодействия проводников с токами, а также проводника с током и магнита. Величина силы F, действующей на помещенный между полюсами магнитов проводник с током, пропорциональна силе тока (/), длине проводника (l) и синусу угла между направлением тока и тем направлением, по которому устанавливается магнитная стрелка там, где расположен проводника
F=B•1•l•sin.
То, что в формуле участвует синус угла означает, что величина действующей силы зависит от ориентации проводника с током. Величина F будет наибольшей, когда угол прямой. При этом sin=1.
Некоторые из ученых объяснили взаимодействия магнитных полюсов, магнитного полюса и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствие магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия). Дальнейшие исследования подтвердили правильность второй точки зрения.
Джемс Клерк Максвелл родился в том же году, когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Через 30 лет Максвелл обогатил открытие Фарадея более глубоким физическим содержанием, а затем разработал теорию взаимосвязи электрических и магнитных явлений — теорию электромагнитного поля.
Изучая электромагнитную индукцию, Максвелл обратил внимание на то, что Фарадей не заметил. Его заинтересовала причина, порождающая ток в проводнике, когда магнитное поле изменяется. Он хотел понять, как и почему это происходит.
Ток — это перемещение свободных зарядов в проводнике. Они приходят в движение, лишь когда существует электрическое поле. А единственная возможность появления электрического поля связана в свою очередь с изменением магнитного поля, в котором находится проводник. Учитывая это, можно представить себе явление электромагнитной индукции так: при изменении магнитного поля вокруг него возникает вихревое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Обнаружить это электрическое поле проще всего с помощью витка проволоки, в котором возникает ток свободных зарядов.
Таким образом, ЭДС индукции определяется в законе Фарадея величиной работы сил электрического вихревого поля, которое возбуждается вокруг изменяющегося магнитного поля.
Накануне XX века теорию электромагнитного поля постигла неудача. Г. Герц открыл новое физическое явление — фотоэффект. Это явление подробно исследовал русский физик А. Г. Столетов.
Фотоэлектрические опыты Столетова удивили и озадачили весь ученый мир. Удивление было вызвано действием света, т. е. электромагнитных волн на заряженную отрицательным электричеством металлическую пластинку. Закономерности, обнаруженные при этом, противоречили уже известным свойствам электромагнитных волн. Поэтому объяснить фотоэффект казалось невозможным.
Если освещать отрицательно заряженную металлическую пластинку, она разрядится. Это означает, что «свободные» электроны покинули металл. Если вылетевшие электроны попадут в электрическое поле положительно заряженной пластинки, соединенной с пластинкой освещаемой, то в цепи потечет ток. Этот ток назвали фотоэлектрическим. Вызвать его можно не всяким освещением. При одном цвете света (т. е. при одной длине электромагнитной
волны), как ни увеличивать его интенсивность, фотоэлектрического тока совсем нет. Зато при другом цвете по мере увеличения интенсивности света возрастает и ток. При этом обнаруживается зависимость фотоэффекта от металла пластинки. Каждому металлу соответствует определенная частота колебаний световой волны, при которой начинается эффект. Частоту эту назвали порогом фотоэффекта или «красной границей». Если частота электромагнитных колебаний света, которым освещают металл, больше порога, эффект наблюдается; если меньше, то, как ни увеличивать интенсивность света, эффект отсутствует.
Все это противоречило классическим представлениям о физических процессах. Если электрону нужна энергия, чтобы покинуть металл, то, казалось бы, чем выше интенсивность электромагнитной волны, тем больше она принесет энергии. А этого-то как раз и не видно у тех волн, частота которых меньше порога.
Объяснить порог фотоэффекта классическая электродинамика не смогла.