7-дәріс XVII-XIX ғғ. оптиканың дамуы

Оптиканың алғашқы жұмыстары антика дәуірінің ғалымдарынан басталады (Ефклит, Архимед, Аристотель және т.б). Олардың назарындағы негізгі обьект болып геометриялық оптика табылды, зерттеу процесі кезінде көзден шыққан көру сәулелерінің теориясына түзу сызықты таратылған жарықтың сәулелерін қабылдайтын көз оптикалық құрал ретінде қаралатын оқу процесіне ауысады.

Бұл жұмыстардың нәтижесі болып түзусызықты жарықтың таралуы оның бейнеленуі және де қарапайым оптикалық құралдардың функцияландырылуының түсіндірмесі орнатылады (түзу және қисық сызықты айналар, линзалар және т.б).

Орта ғасыр ғалымдары көбінесе антикалық дәуірдегі ғалымдардың жетістіктерін қайталады. Олар сыну заңын ашуды жетілдіре түсті. Дегенмен оптика XVII ғасырда дами бастады. Мұнда басты рөл тек ұлы астраном ғана емес сонымен қатар көрнекті оптик болған И.Кеплерге тиесілі. Орта ғасыр ғалымдардың жүйелеп және бүтіндей қатар жағдайларды түзетіп қарастырған, ол қазіргі заманғы бастаушы оптиктардың бірі болды, әсіресе оптикалық құралдарды теория мен практикада жасап шығарды (Кеплер трубасы).

Р.Декарттың да оптикалық зерттеулері аз емес. Атап айтқанда, оған бірінші басылым мен жарықтың сыну заңы түсіндірілгені «Диоптрика» кітабы ең басқы еңбегі болып табылады. «Әдіс туралы пікір» еңбегінде Декарт жиіліктің бір ортадан екінші ортаға өту үлгісін көрсетеді. Негізінде ғалымның бұл жетістігі қолданбалы тапсырмаларға, зеттеулерді оңайлатуға, әйнек, линза, айна жасаудағы тұтынушылық еді. Оптикада басқа жетістіктері табиғи кемпірқосаққа түсініктеме берумен болды.

Галилей мен Декарттан кейін де көптеген дарынды ғалымдар болды. Галилейдің оқушысы математик Кавальери (1598-1647 жж.) бірінші болып линзаның формуласын құрды. Линзаның толық формуласын 1963 ж. Эдмун Галли (1656-1742 жж.) шығарды.

Оптиканың көркеюіне маңызды рөл атқарған Пьер Ферма (1601-1665 жж.) атақты математик. Өз ұсынысымен тереңдетілген аз уақыт ішіндегі жарықтың таралу принципінен (Ферма принципі) ол Декарттан қарағанда жарықтың қатаң сыну заңын ашты. Физиканың одан әрі өсіп дамуына Ферманың принципі үлкен рөл ойнады.

1665 ж. монах-иезуит Ф.М.Гримальди (1618-1663 жж.) бірінші рет дифракция құбылысын сипаттады және де табиғи жарықтың толқындары жайлы өз ойын айтты. Біраз уақыттан соң (1669 ж.) даниялық Эразм Бартолин (1625-1698 жж.) исландық шпатта екі жақты сәуленің сыну эффектісін сипаттады. Ал келесі даниялық астроном Оле Ремер Юпитер серігінің тұтылуын өлшеп, бірінші рет жарық жылдамдығын анықтады.

XVII ғасырда оптикада негізгі рөлді Х.Гюйгенс ойнады. 1690 жылы оның «Жарық туралы трактат» еңбегі француз аудармасымен шықты, ол алғашында латын тілінде басылған болатын. Онда Гюйгенс принципі деп аталатын жарықтың толқындық шашылу принципі тұжырымдалған. Оның көмегімен сыну мен шағылу заңы және екі жақты жарықтың сыну теориясы дамыған. Гюйгенс принципінде кристалда жарықтың толқындық жылдамдылығының шашырауы әр бағытта әр түрлі. Бұл-ғалымның ең жақсы жетістігі. Сонымен қоса, Гюйгенс бірінші физик болып жарықтың поляризациялану фактын орнатты.

Гюйгенс теориясы алғашында ғалымдар ортасында қолдау көрмеді, дегенмен кейбір ғұлама ғалымдар (мысалы, Л. Эйлер, М.Н. Ломоносов) оны қолдады. Одан басқа, Гюйгенс өзінің шығармасында дифракция мен түстер теориясын қарастырмайды, тек сәулелену және сынуды (онымен қоса екі жақты) зерттеумен шектеледі. Кітаптың бұл құрылысы дәуірлестерге теорияның шектелгендігі туралы ой туындатты. «Тірілту» Гюйгенстің принципі ХIX ғасырдың атақты ғалымы О.Ж. Френельдің атымен байланысты. Парижде тұрғанда Гюйгенс О.Ремермен жақсы таныс болды, және де ол өзінің трактатында ақырғы іздестіру қортындыларын мәлім етті.

Оптикаға зор үлесін қосқан кемеңгер Ньютон болды. Оның зерттеулері жарық дифракциясы, телескоп-рефлекторы және т.б. жетістіктері жайлы талқыланып кеткен. Физика тарихына ең маңызды Ньютонның табиғи жарық туралы пікірталастың ортасында болғаны (толқындық және корпускулярлық). Басым ғалымдар толқындық теорияға сүйенген дәуірде, Ньютон аса механикалық көріністе береді. Екі ғалым да жарық құбылысын механикалық құбылысқа әкеп тіремекші болды. Бірақ соңғы ньютондық физика ақырындап механика облысынан шыға бастайды және бұл оптика маңына байланысты зерттеулерге айтарлықтай қатысты.

Гюйгенстің толқындық оптикасы мен Ньютонның оптикасы (негізінде корпускулярлық) барлық айырмашылығы болса да, ең негізгісі ұқсастау болып келеді. Олар оптикалық құбылыстарды гипотикалық «флюидаға» қызықты, яғни жарықтың корпускулалық «заттық» табиғатын жалпылай мойындады. Осы уақытта жарықтың қасиетін сандық өлшеуге үлкен мағына берілді. Фотометр пайда болды, Пьер Бугер (1698-1758 жж.) және И.Г. Ламберт (1728-1777 жж.) негізін қалаушы болды. Олардың біріншісі 1729 ж. «жарық градиациясының тәжірибесі» жарияланды, 1760 ж. (француз ғалымының өлімінен кейін) «Жарық градиациясының оптикалық трактаты» шықты. Сол жылы Ламберт «Фотометрия» кітабын шығарды.

Бугерге қазіргі кездегі жалпылай мойындалған фотометриялық білік жатады (жарық күші, жарықтандыру, жарық). Шынында, олар ғылымның дамуына байланысты басқа атаумен аталады. Сонымен қатар, Бугер жұмыс істеу принципі әр түрлі көздерден пайда болған жарықтандырулардың теңдеулері арқылы жүзеге асатын қарапайым фотометр жасайды. Бугер осындай құралдармен жұмыс істеу әдістемесін жасап және бірқатар практикалық фотометрикалық өлшемдер жасап шығарды. Ғалымның тағы бір үлкен еңбегі -жарық өрісінің интенсивтілігі, жұтылатын қабаттың қалыңдығымен экспоненциалды кемиді деген заңды ашуы (Бугер заңы).

Ламберт өзінің кітабында көптеген фотометрикалық түсініктерді нақтылап және Бугер заңына жарық көзінің жарықтылығы жарықтың түсу бұрышына тәуелділік заңын енгізді. Біз қазір «Ламберт» көздері туралы жиі айтамыз, осылайша ғалымның жетістіктерін ғасырларға жалғастырамыз.

XVIII ғасыр оптикасын айта отырып, 1725 ж. Джемс Брадлдың жарық аберрациясын ашуын айтып өтпеске болмас. Бұл жаңалық жарық жылдамдығын өлшеудің жаңа әдісін жасауға мүмкіндік берді, сонымен қатар қозғалғыш орта оптикасының дамуына үлкен үлес қосты.

XVIII ғ. зерттеушілері XIX ғ. сипаттамасы болып, оптиканың орасан зор шарықтауына бастау берді. Бұл шарықтау ең алдымен Т. Юнг пен О.Ж. Френельдің атымен байланысты. Олардың тынбай жұмыс істеуінің арқасында (замандас ғалымдардың қарсы шығуына қарамастан) жарықтың толқындық теориясы шықты. Томас Юнгтың көптеген физикалық жаңалықтарының ішіндегі бізге ең керектісі болып, 1800 жылғы толқындық «суперпозиция принципі» және осы бойынша жарық интерференциясының түсініктемесі. «Интерференция» сөздігінің өзі Юнгқа тиесілі.

Томас Юнгтың толқындық теориясы көптеген гипотезасына сүйенеді. Оның біріншісі: тығыз және зарядталған жарық эфирі бүкіл әлемді толтырады. Екіншісі: дене жарық бере бастағанда, эфирде толқын бейнелі қозғалыс туындайды және ең соңында үшіншісі гипотеза: эфирдегі жиіліктің тебелісімен байланысты әр түрлі түстердің сезімін анықтайды. Осының бәрін бір бүтін етіп біріктіретін ең жақсы тұжырымдаманы Юнгтың өзі ұсынған: «Жарық таратушы жарық шығаратын эфирдің толқын тәрізді қозғалысынан тұрады».

Әр түрлі көздерден туатын эфирдің тербелісі эфирде бір-бірінен тәуелсіз тарайды. Бұның өзі суперпозиция принципі, ол 1801 жылы дүниеге келген.

Суперпозиция принципінің ашылғаны Юнгқа 1802 жылы интерференция принципін құруға жол берді. Бұл принцип Юнгтың өзімен эксперимент ретінде анықталған. Интерференциялық сызықтың енін өлшеп зерттеп, Юнг заңындағы «кейбір ұзындықты» анықтады. Бұл физика тарихындағы бірінші рет жарық толқынының ұзындығын анықтаған. Толқынның ширек ұзындығын интервалда Ньютон да өлшеген. Ол, бірақ, толқын ұзындығы түсінігін қолданбады. Юнг өзінің тәжірибесінде спекрометрияға бастама беріп, жарық толқынының ұзындығын анықтады. Шыныменде, ол Ньютон сақиналарының тәжірибесіне сүйенді, және оны автордан да тереңірек зерттеді. Және де Юнгтың ультракүлгін сәуленің спектроскопын жасағанын еске түсірмеу мүмкін емес.

Томас Юнгтың теориялық көзқарасы замандастардың ниетінен шықпады, өзінің туған Англиясында да Э.Л.Малюстің (1775-1812 жж.) ашылуынан кейін де қатты сөгістер алды.

Малюс оптикамен Напалеонның Египеттік саяхатына қатысқаннан бастап айналысты. Қортындысында 1807 ж. Академияға көрсетілген оптикадан екі ескерткішнамасы болды.

1808 ж. Малюс екі жақты сәуленің сынуының мәселесіне көп көңіл бөлді. Кристалл арқылы исландық шпаттан Люксембург сарайының терезесіндегі жарықтың бейнесін бақылап, одан бір бейненің жоғалып кеткенін байқады. Бұл бір құбылыстың қайталанып келуіне бастама берді. Осындай бейнемен Малюс жарық сәулесінде асимметрияны, аналогиялық құрамын ашты.

Малюс Ньютонның корпускулалы поляризациаланған құрамы туралы ойды қолдап, ол «жарық поляризациясы» деген оптикаға жаңа сөздік енгізді. Ол белгілі бір бұрыштың үстіне түскен жарықтың сынуы поляризациаланады деп орнатты. Кейін, 1815 ж. Д.Брюстер (1781-1868 жж.) осы бұрыш толық поляризациаланғанда tgi=n деген теңдеуді қанағаттандаратынын тапты, мұндағы n-шағылыстырылған заттың сыну көрсеткіші.

Жарық поляризациасының ашылулары жалғастыра берді: 1810 ж. Э.Л. Малюс анализатор арқылы өтетін сәуленің қарқынды поляризациаланудағы өзгеру заңын ашты. Қазір ол Малюс заңы деп аталады, 1811 ж Д.Ф. Араго (1786-1853 жж.) бір бірлікті кристаллдағы жарықтың хроматикалвқ поляризациасы және кварцтағы поляризацияның айналу құбылысын ашты. Ж.Б. Био (1774-1862 жж.) бір бірлікті кристаллдағы жарықтың хроматикалық поляризациасын зерттеді, ал 1815 ж. ол поляризацияның жазықтықта айналу заңын ашты.

Барлық осы эксперименттер корпускулалық жарық теориясының жақтаушыларын жандандырды. П.Л. Лаплас бір осьті кристаллдағы жарық екі сәулелік сыну теориясын құрады. Оның негізінде кристалл молекулаларының жарық корпускулаларымен өзара әрекеттестігінің есебі жатты. Био бұл теорияны біріктірді.

Оптикалық құбылыстардың облысы таңқаларлықтай жоғарылады. Олардың әртүрлілігін түсіндіретін бұл құбылыстардың біріккен теориясына қажеттілік туды. Бұл теорияның париж академиктері үшін күтпеген жағдай болды. Күтпеген жағдай, бұл теорияны белгісіз инженер Огюстен Френель (1788-1827 жж.) ашқандықтан емес, бастысы осыған байланысты Малюс және оның әріптестерінің ашқан толқындық теория баяғыда өшіп қалған еді.

Толық емес 9 жылғы ғылыми қызметінде Огюстен Френель жарық саласында үлкен төңкеріс жасады. Оның оптика үшін жасаған жұмыстарын, Ньютонның механика үшін немесе Максвеллдің электродинамика үшін жасаған жұмыстарымен салыстыруға болады.

Френельдің жұмыстары бірінші кезекте бұзылмас логикасымен таң қалдырады. 1815 ж. бірінші мемуарында Френель Ньютонды, жарықтың корпускулалық табиғатын түсіндіру мақсатында, қайта-қайта жаңа гипотезалар енгізу керектігінен, түсіндіруге қажет ететін фактілер көбейіп кеткені үшін сынайды. Осыдан кейін Френель мынадай тұжырымға келді «тербеліс теориясы Ньютонның теориясына емес жарық құбылысын түсіндіруге келеді». Френель құптайтын толқындық теория корпускулалық сияқты терең және мұқият анализге әкеліп соғады. Осымен қоса, ең әлсіз жері, оның жарықтың түзусызықты таралуын түсіндіре алмауы. Ол «бұл қарсылық –жалғыз ғана нақты жауап беруді қиындататын жағдай», - деп жазды. Соңында Френель осындай нақты жауапты бере алды.

Ол үшін, Френельмен керемет шеберлікпен жасалған дифракциялық зерттеулердің жүргізілуін талап етті. Интерференция принципі және толқындық супепозиция принципі негіздерінде ғана интерпретацияланатын оптикалық құбылыстарды байқауы өте маңызды болды. Қорыта келе Френель дифракциялық экспериментте интерференциялық жазықты бейнелеп, интерференциялық принцип арқылы тек дифракциялық құбылысты ғана емес сонымен қатар, жарықтың түсу мен шағылу заңын түсіндірді. Және ол жарық толқындары бір-бірін барлық бағытта өшіріп отыратынын дәлелдеді.

1816 ж еінші ескерткішнамасында Френель көру нүктесіндегі толқындық көріністі Ньютон сақиналарының тәжірибесімен түсіндіреді. Жазық параллель пластинкадағы интерференциялық сәуленің әр түрлі жолдағы формуласы көрсетілген: