Глаз и Солнце Вавилов Сергей

Мы видели, что каждая волна, произведенная колебательным движением, складывалась из двух полуволн, которые сообщали молекулам жидкости скорости, совершенно одинаковые по интенсивности, но противоположные по знаку и направлению движения. Предположим сначала, что две целые волны, идущие в одну сторону и по одному направлению, различаются в их ходе на одну полуволну; в этом случае они наложатся друг на друга только на половину своей длины,[33] и интерференция произойдет между второй половиной наиболее продвинувшейся волны и первой половиной другой. Если эти две волны равны по интенсивности, то, сообщая одним и тем же точкам эфира прямо противоположные импульсы, они взаимно нейтрализуют друг друга, и в этой части жидкости движение оказывается уничтоженным; но оно продолжает существовать без изменения в двух других полуволнах. Таким образом, только половина движения оказалась бы уничтоженной.

Предположим теперь, что каждой из этих двух волн, различающихся в ходе на одну полуволну, предшествует и сопровождает их другое очень большое число подобных же волн; в этом случае вместо интерференции двух изолированных волн мы должны рассмотреть интерференцию двух систем волн. Я их предположу одинаковыми по числу содержащихся в них волн и по их интенсивности. Так как, по предположению, они отличаются в ходе на одну полуволну, то полуволны одной, стремящиеся двигать молекулы эфира в одном направлении, совпадут с полуволнами другой, стремящимися двигать олекулы в обратном направлении, и вместе взятые уравновесят друг друга; таким образом, движение оказывается уничтоженным по всему протяжению, занимаемому двумя системами волн, за исключением двух крайних полуволн, не принимающих участия в интерференции.[34] Но так как они составляют лишь небольшую часть этих систем волн, то мы видим, что почти все движение оказывается уничтоженным.

Представляется чрезвычайно вероятным, что единственный удар одной полуволны или даже целой волны недостаточен, чтобы поколебать частицы оптического нерва, подобно тому как одна-единственная звуковая волна недостаточна, чтобы привести в колебание тела, которые могут колебаться с нею в унисон. Только последовательность волн, суммируя небольшие действия каждой волны, может в конце концов привести в заметное колебание звучащее тело, подобно тому, как правильное чередование незначительных ударов заставляет звучать наконец даже самый тяжелый колокол. Применяя эту механическую идею, самую естественную и наиболее согласную со всеми аналогиями, к зрению, становится понятным, что обе остающиеся полуволны, о которых мы только что говорили, не могут действовать на ретину заметным образом, и что в таком случае соединение двух систем волн должно производить действие полной темноты.

Если ту из двух систем волн, которая уже опаздывает на одну полуволну, задержать еще на одну полуволну, то разность хода будет в одну целую волну, совпадение между движениями обеих групп волн будет восстановлено, и скорости двух колебаний будут складываться во всех тех точках, где они налагаются друг на друга. Интенсивность света будет тогда наибольшей.

Если ту же самую систему задержать еще на одну полуволну, то разность хода составит полторы полуволны, и мы видим, что наложатся друг на друга те полуволны двух систем, которые, как и в первом случае, приносят с собой движение противоположное, и что, следовательно, все волны, входящие в обе системы, должны взаимно нейтрализовать друг друга, за исключением трех полуволн с каждого конца, которые не принимают участия в интерференции. Таким образом, почти вся совокупность движения опять оказывается уничтоженной, и соединение двух пучков света, как и в первом случае, должно производить темноту.

Продолжая последовательно и каждый раз на одну полуволну увеличивать разность хода двух систем волн, мы будем иметь по очереди полную темноту[35] и самый сильный свет, смотря по тому, будет ли разность хода нечетным или четным числом полуволн. Таковы следствия, вытекающие из принципа интерференции волн, которые, как мы видим, превосходно согласуются с получаемым из опыта законом взаимного влияния световых лучей. В самом деле, выражение последнего станет совершенно тем же, если назвать длиною волны разность пройденных путей, которую мы обозначили через d. Таким образом, если, как все заставляет думать, допустить, что свет представляет собою колебания очень тонкой жидкости, то период d, период, с которым повторяются одни и те же явления интерференции, будет длиною волны.

28. Из таблицы, которую мы дали выше для семи главных родов цветных лучей, видно, что этот период d, или длина волны, сильно меняется от одного цвета к другому и что, например, для крайних красных лучей он в полтора раза больше, чем для фиолетовых лучей, расположенных в другом конце солнечного спектра.

Становится ясным, что число различных колебаний не ограничивается семью главными, указанными в таблице, и что должно существовать множество других как между ними, так и за пределами лучей красных и лучей фиолетовых; в самом деле, весомые частицы, колебаниями которых они производятся, должны подчиняться действию сил, разнообразие которых при сжигании или накаливании тел, приводящих эфир в колебание, бесконечно велико; но от энергии этих сил как раз и зависит продолжительность колебания, а значит, и длина порождаемых колебанием волн.

Все волны, заключенные между крайней длиной в 0,000423 мм и длиной 0,000620 мм, видимы, т. е. могут действовать на оптический нерв; другие могут быть обнаружены только лишь их теплотой или вызываемыми ими химическими действиями.

Мы только что заметили, что когда обе системы волн различаются в своем ходе на одну полуволну, то две полуволны в интерференции не участвуют; если разность хода 3 полуволны, то таких полуволн будет 6, что составит 3 волны; вообще говоря, число волн, не участвующих в интерференции, будет равно числу полуволн, разделяющих соответствующие точки двух систем волн. Пока это число мало по сравнению с числом волн в каждой системе, почти все движение должно быть уничтожено, и должна получиться темнота так же, как и в первом случае полной противоположности. Но ясно, что при все увеличивающейся разности хода не принимающие участия в интерференции колебания станут значительной частью от каждой группы волн и что, наконец, эта разность может стать даже такой, что обе группы волн окажутся разделенными; в последнем случае явления взаимодействия световых волн совершенно перестанут иметь место. Если бы, например, группы волн содержали в себе вообще только тысячу волн, то разность хода в один миллиметр была бы более чем достаточна, чтобы воспрепятствовать проявлению интерференции всех родов световых лучей.

29. Но существует еще другая причина, в значительно большей степени препятствующая тому, чтобы взаимодействие между системами волн было заметно в тех случаях, когда разность хода хоть сколько-нибудь значительна; именно, оказывается невозможным сделать свет в достаточной степени однородным. Даже самый простой по составу свет состоит еще из бесконечного числа разнородных лучей, не имеющих точно одну и ту же длину волны, и, как бы ни была мала эта разность, повторенная достаточно большое число раз, она, как мы уже заметили, создаст в характере интерференции различных лучей такую противоположность, что ослабление одних лучей окажется компенсированным усилением других. В этом состоит, без сомнения, главная причина, почему проявления взаимодействия световых лучей становятся незаметными, когда разность хода делается слишком большой и превосходит только в 50 или 60 раз длину волны.

30. Нами было также указано, что одно из необходимых условий для наблюдения явлений интерференции состоит в том, чтобы сходящиеся лучи исходили из одного общего источника; это нетрудно объяснить с помощью только что изложенной теории.

Всякая система волн при встрече с другой системой будет на нее всегда оказывать одинаковое действие, причем безразлично, будут ли обе они исходить из одного или из различных источников, так как очевидно, что рассуждения, которыми мы объяснили их взаимодействие, одинаково приложимы в обоих случаях. Но для того чтобы это взаимодействие было заметно для наших глаз, недостаточно, чтобы оно существовало, нужно еще, чтобы проявления его сохранялись. Но как раз этого и не может быть, когда обе системы интерферирующих волн исходят из различных источников. В самом деле, как мы уже заметили, частицы светящих тел, колебания которых приводят в движение эфир и производят свет, должны испытывать в своих колебаниях весьма частые возмущения вследствие тех быстрых перемен, которые вокруг них происходят, что, впрочем, как показано, хорошо согласуется с большим числом колебаний между этими возмущениями. Установив это, нельзя допустить, что эти возмущения происходят одновременно и одинаковым образом для отдельных и независимых частиц. Так, например, может случиться, что колебания одной станут запаздывать на одну полуволну, в то время как колебания другой будут продолжаться без изменения или же запоздают на целую волну, что в корне изменит результаты интерференции двух систем волн, ибо если в первом случае между их движениями было полное согласие, то во втором случае будет полное расхождение. Эти противоположные действия будут чередоваться с чрезвычайно большой быстротой и дадут в глазу одно только непрерывное ощущение, которое будет средним из более или менее ярких ощущений, вызываемых каждым из них, и которое останется неизменным, какова бы ни была разность пройденных путей.

Иначе обстоит дело, если оба пучка света исходят из одного общего источника. В этом случае обе системы волн, исходящие из одного центра колебаний, испытывают эти возмущения одинаковым образом и в один и тот же момент времени, а это не создает никакой разницы в их относительном положении, и таким образом, если движения их вполне совпадали с самого начала, то продолжают совпадать и далее, если же расходились, то продолжают расходиться, и так до тех пор, пока центр колебания продолжает посылать свой свет. Итак, в этом случае явления будут неизменными и поэтому станут заметными. Это общий принцип, приложимый ко всем явлениям, в которых наблюдаются результаты комбинации световых волн: явления могут быть заметны только тогда, когда остаются неизменными.

31. До сих пор мы предполагали, что обе системы волн идут по одному и тому же направлению и что, следовательно, колебательные движения совершаются также, по общему правилу, или в одну сторону, или в прямо противоположные стороны. Это самый простой случай интерференции и единственный, в котором может происходить полное уничтожение одного движения другим, ибо для этого нужно не только, чтобы обе силы были равны и действовали в разные стороны, но нужно еще, чтобы они действовали по одной и той же прямой, т. е. были бы прямо противоположны.

Явление цветных колец и явления окрашивания, которые получаются с поляризованным светом в кристаллических пластинках, представляют частный случай интерференции, когда волны обеих систем параллельны между собой. Но в явлениях дифракции или в опыте с двумя зеркалами, о котором мы раньше говорили, интерферирующие лучи всегда образуют между собой, хотя и малые, но все же заметные углы. В этом случае импульсы, сообщаемые двумя системами волн одним и тем же точкам эфира, пересекаются также под заметными углами, но вследствие малости их равнодействующая двух импульсов будет почти равняться их сумме, когда они направлены в одну сторону, и их разнице, когда в разные стороны. Таким образом, в точках согласованного действия или в точках противоположного действия интенсивность света будет такая же, как если бы оба пучка света следовали по одному направлению; во всяком случае, даже самый привычный глаз не заметит здесь никакой разницы. Но если по отношению к интенсивностям рассматриваемый случай интерференции похож на тот, который мы рассматривали раньше, то в других отношениях он от него сильно отличается, в особенности своим внешним видом и условиями, необходимыми для его получения.

32. Для большей определенности рассмотрим случай, когда расходящиеся лучи, испускаемые одной и той же светящейся точкой, отражаются от двух слегка наклоненных друг к другу зеркал таким образом, что получаются два пучка лучей, сходящихся под заметным углом; тогда обе системы световых волн, отраженных от этих зеркал, пересекаются под тем же углом, и это легкое наклонение имеет следствием, что если в какой-нибудь точке одна полуволна первой системы точно совпадает с полуволной второй системы, толкающей жидкость в том же направлении, то налево и направо от этой точки пересечения совпадения не будет, но немного дальше оно произойдет опять – с одной стороны с полуволной предшествующего противоположного движения, а с другой стороны – с полуволной последующего. Потом совпадения опять не будет, но затем на двойном расстоянии от первого совпадения полуволна первой системы опять совпадет с двумя полуволнами, импульсы которых действуют в ту же сторону, как и ее собственный; отсюда следует, что на поверхности этой волны появится ряд равноотстоящих линий, в которых движение по очереди усиливается волнами другого пучка. Таким образом, если заставить падать эту световую волну на белый картон, то на нем должен быть виден ряд темных и блестящих полос, если свет приблизительно однороден, или же ряд окрашенных в разные цвета полос, если пользуются белым светом.

Только что нами сказанное станет более понятным с помощью рисунка; он представляет сечение двух зеркал и отраженных волн, сделанное плоскостью, проведенной через светящуюся точку перпендикулярно к зеркалам, которые проектируются по ED и DF.

Рис. 70

Пусть светящаяся точка будет в S и пусть А и В представляют геометрические положения ее двух изображений, которые определяют, опустив из точки S на два зеркала ED и DF перпендикуляры SA и SB и взяв РА равным SP и QB равным SQ; в самом деле, к определенным таким способом точкам А и В будут, по известным законам отражения, сходиться лучи, отраженные от первого и второго зеркал. Таким образом, чтобы получить, например, в какой-нибудь точке G зеркала DF направление отраженного луча, достаточно провести прямую через В и G, и продолжение этой прямой будет отраженным лучом. Но следует заметить, что по построению, которое нам дало точку В, расстояния BG и SG одинаковы и что, таким образом, весь путь, пройденный световым лучом от точки S до точки b, совершенно такой же, как если бы он исходил от точки В. Это геометрическое следствие приложимо ко всем лучам, отраженным от одного и того же зеркала, и мы видим, что все они должны приходить в одно и то же время к различным точкам окружности п'bт, описанной из B как центра радиусом, равным Bb. Эта окружность представляет собой, значит, поверхность отраженной волны,[36] пришедшей в b, или, говоря точнее, пересечение этой поверхности с плоскостью рисунка. Подобным же образом волны, отраженные от зеркала, будут иметь свой центр в А.

Чтобы изобразить обе системы волн, отраженных из точек А и В как из центров, опишем ряд равноотстоящих друг от друга дуг, промежутки между которыми предполагаются равными одной полуволне. Для того чтобы можно было различить противоположные движения, дуги окружностей изображены сплошными штрихами, если предполагается, что в рассматриваемый момент эфирные молекулы обладают в них наибольшей скоростью вперед, и пунктирной линией, если предполагается, что эфирные молекулы обладают в них наибольшей скоростью назад. Отсюда следует, что пересечения пунктирных дуг окружностей со сплошными представляют собой точки полной противоположности движения и, следовательно, середины темных полос; напротив, пересечения одинаковых дуг дают точки полной согласованности движения, т. е. середины блестящих полос. Пунктирными линиями br, b'r', b'r и т. д. соединены соответствующие пересечения дуг одного и того же рода и сплошными линиями no, no, n'o', n'o' и т. д. пересечения дуг различных родов; первые из них дают последовательные положения, или траектории середин темных полос, а вторые – середин блестящих полос.

В этом рисунке мы были вынуждены увеличить в огромное число раз действительную длину световых волн и преувеличить взаимный наклон обоих зеркал. Таким образом, в нем не нужно искать точного изображения действительности, но только способ изобразить игру интерференции в волнах, пересекающихся под заметным углом.

С помощью очень простых геометрических рассуждений легко видеть, что ширина полос обратно пропорциональна величине угла, который образуют между собой оба интерферирующих пучка, и что промежуток, заключенный между серединами двух последовательных темных или блестящих полос, равен длине волны, разделенной на синус угла, под которым пересекаются лучи. В самом деле, треугольник bni, образованный прямой линией bi и двумя дугами круга ni и nb, можно рассматривать вследствие малости этих дуг как прямолинейный и равнобедренный, синус же угла bni в виду его малости будет приблизительно равен ib/bn; значит, bn равно ib, разделенному на этот синус. Но стороны угла bni перпендикулярны к сторонам угла AbB, так как bn перпендикулярно к Ab и ni к Bb; значит, эти углы равны между собой, и один из них можно подставить вместо другого; таким образом, изобразив через i угол AbB, под которым пересекаются отраженные лучи, имеем:

значит, nn, которое в два раза больше, чем bn, будет равно 2ib / sin i. Но nn представляет собой расстояние между серединами двух последовательных темных полос и является, следовательно, тем, что мы назвали шириною полосы; так как по построению чертежа ib есть длина полуволны, то 2ib будет длиною целой волны; значит, ширина полосы действительно равна длине волны, разделенной на синус угла, который образуют между собой отраженные лучи и который в то же время будет углом, под которым виден промежуток АВ между двумя изображениями светящейся точки, если поместить глаз в b.

Можно найти другую формулу, равносильную этой, если заметить, что два треугольника bni и AbB подобны, что дает пропорцию:

bn: bi = Ab: АВ,

откуда следует

или

т. е. длина полосы равна длине волны, умноженной на расстояние изображений А и В от плоскости, в которой измеряют полосы, и разделенной на промежуток между этими двумя изображениями.

Достаточно посмотреть на рисунок, чтобы видеть, почему необходимо, чтобы оба зеркала были почти в одной и той же плоскости, когда желают получить полосы сколько-нибудь заметной толщины; именно в маленьком треугольнике bni сторона bi представляющая длину одной полуволны, составляет, например, для желтых лучей всего четверть одной тысячной миллиметра, и bn, измеряющая полуширину полосы, может стать заметной только в том случае, если bn очень мало наклонено к in, так как тогда их точка пересечения удаляется от ib; но наклон между bn и in как раз такой же, как между продолжением DP зеркала DE и зеркала DF, если при этом Db=Ds.

Если бы А и В, вместо того чтобы быть изображениями светящейся точки, представляли собой проекции двух очень тонких щелей, проделанных в экране RN, через которые проходили бы лучи, посылаемые освещающей точкой, помещенной за экраном на продолжении средней линии bDC, то два пройденных пути от этой точки до щелей А и В были бы равны между собой и было бы достаточно, чтобы получить разность хода путей, пройденных лучами, считать их, начиная от А и В. И мы видим, что вычисления, которые мы только что сделали для ширины полос, производимых двумя зеркалами, можно было бы приложить и для этого случая, если только каждая щель достаточно узка для того, чтобы ее можно было рассматривать как один-единственный центр волны по отношению к проходящим через нее под различными углам лучам. Таким образом, можно утверждать, что ширина полос, производимых двумя очень тонкими щелями, равняется длине волны, умноженной на промежуток между ними и разделенной на расстояние между экраном и нитью микрометра, которыми пользуются для измерения полос.

Эта формула приложима также к темным и блестящим полосам, которые наблюдают в тени узкого тела, если только эти полосы достаточно далеки от края тени (и если подставить при этом вместо промежутка, отделяющего обе щели, ширину тела); но если они очень близки к краю, то теория показывает и опыт доказывает, что эта формула более не соответствует явлению с достаточной степенью точности; вообще она не будет вполне точной ни для полос, на которые подразделяются узкие тени, ни для тех полос, которые образуются двумя щелями, но исключительно только для полос, получаемых с двумя зеркалами, представляющих собой наиболее простой случай интерференции слегка наклоненных друг к другу лучей. Чтобы точным образом вывести из теории положение темных и блестящих полос в двух остальных случаях, надо вычислить не только действие двух систем волн, но также и бесконечного числа других подобных групп, согласно принципу, который мы объясним при изложении общей теории дифракции.

33. Для того чтобы закончить объяснение условий, необходимых для получения полос, мне остается показать, почему в опытах с дифракцией мы вынуждены пользоваться одной светящейся точкой, а не светящим телом больших размеров. Вернемся к случаю внутренних полос в тени узкого тела; аналогичные рассуждения легко можно будет применить затем ко всем другим явлениям дифракции.

Середина центральной полосы, которая всегда образована совместным приходом лучей, вышедших в одно и то же время из светящейся точки, должна находиться на плоскости, проведенной через эту точку и через среднюю линию узкого тела, так как с той и с другой стороны этой плоскости все будет симметрично, и лучи, в ней соединяющиеся, проходят с каждой стороны одинаковые пути и должны, следовательно, прибывать в одно и то же время, если только им не пришлось пройти через различные среды, чего мы здесь не предполагаем. Если положение центральной полосы определено, то положение других определено также, но можно видеть, что если бы светящаяся точка немного меняла свое место, например, смещалась бы направо, то плоскость, о которой мы только что говорили, наклонилась бы налево и увлекла бы за собою все полосы, сопровождающие центральную полосу. Вместо того чтобы предполагать смещение освещающей точки, предположим, что она имеет весьма заметные размеры; в этом случае различные светящиеся точки, из которых она теперь будет составлена, произведут каждая группу полос, и положение этих групп будет тем более отличаться друг от друга, чем больше будут отдалены друг от друга светящиеся точки; если же они удалены достаточно, т. е. если светящая точка достаточно широка, произойдет то, что полосы различных групп, накладываясь друг на друга, взаимно сгладятся. Вот почему в опытах с интерференцией, в которых лучи пересекаются под заметными углами, как во всех опытах с дифракцией, необходимо пользоваться очень тонкой светящейся точкой для того, чтобы заметить результаты взаимодействия лучей; и эта точка должна быть тем уже, чем больше угол, под которым лучи пересекаются.

Как бы мала ни была светящаяся точка, в действительности она всегда состоит из бесконечного числа волновых центров, и то, что было сказано до сих пор об освещающей точке, нужно относить к каждому из этих центров. Но до тех пор, пока они находятся по отношению к ширине полос на очень малом расстоянии друг от друга, ясно, что различные производимые ими группы полос, вместо того чтобы беспорядочно смешиваться, будут почти с точностью накладываться друг на друга и, далеко не сглаживаясь, будут взаимно усиливаться.

Если обе системы интерферирующих волн параллельны, то промежуток, который отделяет их соответствующие точки, должен оставаться одним и тем же на значительной части волновой поверхности, т. е. другими словами, полосы сделаются почти неопределенной ширины,[37] и следовательно, весьма значительное смещение волнового центра не принесет собой заметного изменения в степени согласованности или расхождения их колебаний. Вот почему в этом случае нет надобности пользоваться столь малым освещающим предметом для того, чтобы заметить результаты их взаимодействия.

34. Теперь должно стать понятным, почему светлые лучи, хотя и оказывают всегда друг на друга некоторое действие, обнаруживают это влияние все же так редко и в аких исключительных случаях; для того чтобы сделать взаимодействие заметным, необходимо: во-первых, чтобы интерферирующие лучи исходили из одного общего источника; во-вторых, чтобы они не отличались в своем ходе более чем на некоторое весьма ограниченное число волн, даже в том случае, когда пользуются самым упрощенным светом; в-третьих, чтобы они не пересекались под слишком большим углом, так как иначе полосы сделаются столь узкими, что их не обнаружить самой сильной лупой; в-четвертых, чтобы в том случае, когда эти лучи не параллельны и образуют между собой заметный угол, освещающий предмет имел бы очень маленькие размеры и чтобы он был тем тоньше, чем больше этот угол.

Я счел необходимым изложить теорию интерференции с некоторыми деталями, так как она находит многочисленные применения при вычислении самых интересных законов оптики. Может быть, с первого взгляда покажется, что рассуждения, на которых эта теория покоится, – несмотря на то что они изложены мною весьма пространно, – несколько утонченного свойства и трудны для понимания; но если подумать немного, то станет ясно, что, в сущности, нет ничего проще, и легко будет освоиться с ее приложениями.

35. Для того чтобы окончательно установить основы, на которых покоится общая теория дифракции, мне остается только рассказать о принципе Гюйгенса, который, как мне кажется, строго выводится из волновой теории.

Этот принцип можно формулировать таким образом: колебания световой волны в каждой ее точке могут рассматриваться как результат сложения элементарных движений, которые посылают в эту точку в один и тот же момент времени, действуя изолированно, все отдельные части этой волны, взятой в каком-нибудь из ее предшествующих положений.[38]

Колебания, которые производятся в какой-нибудь точке упругой жидкости многими возмущениями сразу, равны статической равнодействующей всех скоростей, которые в один и тот же момент получаются из различных центров колебаний, каково бы ни было их число, их относительное положение, природа и разница в моментах возмущения; это обстоятельство является следствием принципа независимости маленьких движений, который, будучи общим, приложим ко всем отдельным случаям. Я предположу, что все эти возмущения, число которых бесконечно, одного и того же рода, происходят одновременно, между собой смежны и расположены на одной и той же сферической плоскости или на одной и той же сферической поверхности. Я сделаю еще одно предположение о природе этих возмущений, а именно: что сообщенные молекулам скорости направлены все в одну и ту же сторону, перпендикулярно к сферической поверхности, и что они, кроме того, пропорциональны уплотнениям и находятся в таком соотношении, что молекулы не могут двигаться назад. Таким образом, мною будет восстановлена вторичная волна, которая получается из совокупности всех этих частичных возмущений. Значит, правильно будет сказать, что колебания световой волны в каждой из ее точек могут рассматриваться как результат сложения всех элементарных движений, которые в один и тот же момент в эту точку посылаются от всех отдельных и самостоятельно действующих частей этой волны, рассматриваемой в каком-нибудь из ее прежних положений.

Из этого теоретического рассуждения, так же как и из всех других, следует, что если интенсивность начальной волны равномерна, то эта равномерность сохранится во время движения, если только ни одна часть волны не пресекается или не задерживается по отношению к смежным частям, так как равнодействующая элементарных движений, о которой я только что говорил, будет для всех точек одной и той же. Но если одна из частей волны задерживается непрозрачным поставленным на ее пути телом, то интенсивность в каждой точке будет меняться с расстоянием от края тени, и эти изменения будут особенно заметны вблизи от касательных к телу лучей. <…>

41. Существует еще множество других явлений дифракции; к ним относятся, например, многократные и окрашенные изображения, получаемые при отражении от испещренных бороздками поверхностей, или также изображения, которые бывают видны сквозь очень тонкую ткань; затем к ним относятся цветные кольца, которые получаются, если между глазом наблюдателя и светящейся точкой поместить очень тонкие нити или легкие атомы, собранные неправильной кучей; все они могут быть объяснены и строго вычислены с помощью только что нами изложенной теории. Описывать их здесь и показать, каким образом они являются новым подтверждением теории, было бы слишком долго.

Мы думаем, кроме того, что она в достаточной степени доказана многочисленными и разнообразными явлениями, о которых мы говорили, и мы закончим это извлечение из «Мемуара о дифракции» детальным описанием одного важного опыта господина Араго, который позволяет вычислить самые небольшие разности в преломляющей способности тел с точностью почти неопределенно большой.

42. Мы видели, что полосы, которые получаются с помощью двух очень узких щелей, оказываются всегда симметрично расположенными по отношению к плоскости, проведенной через светящуюся точку и через середину промежутка между двумя щелями, если только оба интерферирующие пучка света прошли предварительно через одну и ту же среду, например воздух, как это и происходит при обычном расположении прибора. Но дело будет обстоять иначе, если один из пучков пройдет только через воздух, а другой встретит на своем пути более сильно преломляющее тело, как, например, тонкую пластинку слюды или пленку дутого стекла; в этом случае полосы окажутся смещенными в сторону пучка, который прошел через прозрачную пластинку, а если последняя будет иметь хоть сколько-нибудь значительную толщину, то они выйдут даже из освещенного пространства и исчезнут. Этот важный опыт, выполнением которого мы обязаны господину Араго, может быть также произведен с помощью прибора с двумя зеркалами, если поместить тонкую пластинку на пути одного из пучков до или после отражения.

Посмотрим теперь, какие выводы можно сделать из этого замечательного факта с помощью принципа интерференции. Мы уже обратили внимание на то, что середина центральной полосы получается всегда от одновременного прибытия лучей, вышедших в один и тот же момент из светящейся точки; значит, при обычных обстоятельствах, когда они проходят через одну и ту же среду, для того чтобы они прибыли в одно и то же время к месту встречи, необходимо, чтобы они прошли совершенно равные пути. Но легко понять, что если они проходят через среду, в которой свет не распространяется с той же самой скоростью, то тот из двух пучков, который идет медленнее, придет в эту точку позднее, и что, следовательно, эта точка не может быть более серединой центральной полосы. Последняя по необходимости должна приблизиться ближе пучку, который шел медленнее, чтобы меньшая длина пути компенсировала бы запаздывание, испытываемое лучом в пути. Наоборот, если полосы оказываются отклоненными направо или налево, то отсюда следует заключить, что пучок, в сторону которого полосы подвинулись, запаздывает в своем ходе. Таким образом, естественным следствием только что приведенного нами опыта господина Араго будет то, что свет распространяется быстрее в воздухе, чем в слюде или в стекле и вообще в других плотных телах, более сильно преломляющих, чем воздух, – результат, диаметрально противоположный объяснению, данному для преломления Ньютоном, предполагавшим, что световые молекулы сильно притягиваются плотными телами, так как из этого объяснения вытекало бы, что скорость света в этих телах больше, чем в средах менее плотных.

43. Этот опыт дает возможность сравнить скорость распространения света в разных средах. В самом деле, предположим, что толщина тонкой стеклянной пластинки была очень точно измерена с помощью сферометра и что смещение полос было измерено с помощью микрометра; так как известно, что до того, как пластинка была вставлена, пройденные пути были равны для середины центральной полосы, то можно вычислением определить, насколько они отличаются по длине друг от друга при новом положении полосы. Эта разность будет запаздыванием, которое испытывает свет в стеклянной пластинке, толщина которой известна; прибавив эту толщину к найденной разности, мы получим тот небольшой путь, который другой пучок прошел в воздухе за то же время, как первый проходил стеклянную пластинку; этот путь, сравненный с толщиной стеклянной пластинки, даст отношение скорости света в воздухе к скорости света в стекле.

Эту же задачу можно рассматривать с другой точки зрения, с которой полезно хорошо освоиться. Продолжительность каждой волны, как мы видели, не зависит вовсе от большей или меньшей скорости, с которой возмущение распространяется по жидкости, а зависит только от продолжительности полного колебания, производящего эту волну. Так, когда световые волны переходят из одной среды в другую, в которой они распространяются медленнее, то каждое колебание совершается всегда в такой же промежуток времени, как и раньше, и большая плотность второй среды влияет только на изменение длины волны, и в том же самом отношении, в котором она уменьшает скорость света, так как длина волны равняется пространству, пройденному начальным возмущением в продолжение одного полного колебания.

Можно, значит, вычислить относительные скорости света в различных средах, сравнивая в этих средах длины волн одного и того же рода лучей. Установив это, заметим, что центр центральной полосы получается соединением тех лучей обоих пучков, которые, начиная от светящейся точки, насчитывают одно и то же число волн, какова бы при этом ни была природа средин, через которые лучи проходят. Значит, если центральная полоса смещается в сторону пучка, который проходит через стеклянную пластинку, то световые волны короче в стекле, чем в воздухе, и, следовательно, необходимо, чтобы пройденный путь с этой стороны был короче, для того, чтобы число колебаний было бы с той и другой стороны одинаково. Предположим теперь, что центральная полоса переместилась на расстояние, равное, например, ширине двадцати полос, т. е. на расстояние, которое в двадцать раз больше промежутка, заключенного между серединами двух последовательных темных полос; отсюда следует заключить, что, вставив стеклянную пластинку, мы задержали проходящий через эту пластинку пучок на двадцать волн, или, другими словами, что пучок совершил в этой пластинке на двадцать волновых колебаний более, чем другой пучок в слое воздуха такой же толщины, ибо каждой ширине полосы соответствует разница в одну волну. Таким образом, если известна толщина этой пластинки и длина волны употребляемого света (которую по измерении полос легко вывести с помощью данной нами формулы), то можно вычислить число волн, заключенных в слое воздуха такой же толщины. Прибавив к этому числу двадцать, мы получим число волн, совершивших свои колебания в толщине стеклянной пластинки; отношение этих двух чисел даст отношение скоростей света в этих двух средах. Но оно оказывается равным отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при проходе света из воздуха в стекло; это согласно с объяснением преломления, даваемым волновой теорией.[39]

44. Только что указанный нами способ представляет некоторые трудности, если желают определить a priori показатель преломления тела, значительно более плотного, чем воздух, как, например, вода или стекло, так как для того, чтобы полосы не вышли совсем из поля, общего обоим световым пучкам, нужно брать очень тонкую пластинку из этого вещества, но тогда становится трудным измерить с необходимой точностью толщину пластинки. Правда, можно на пути другого пучка поместить другую толстую пластинку, сделанную из прозрачного вещества, показатель преломления которой был определен с большою точностью обычными способами; это позволит тогда пользоваться толстой пластинкой также и для нового вещества, но в таком случае гораздо проще измерить его показатель преломления обычным способом.

Метод, основанный на опыте господина Араго, имеет большое преимущество перед обычным методом в том случае, когда оказывается нужным определить небольшие разности в скорости света в средах, которые преломляют его почти одинаково; в самом деле, увеличивая путь, проходимый светом в обеих средах, показатель преломления которых сравнивается, можно почти беспредельно увеличивать точность получаемых результатов. Чтобы дать представление о высокой степени точности, которой можно достигнуть этими измерениями, достаточно заметить, что длина желтых волн[40] в воздухе равна 0,000551 мм и что на протяжении 1,10 м их будет два миллиона; но очень легко заметить разницу в одну пятую полосы, а это соответствует запаздыванию или ускорению на одну пятую волны в ходе света, и так как в 1,20 м имеется два миллиона этих волн, то одна пятая волны составит всего только одну девятимиллионную часть этой длины. Можно, значит, вводя какой-нибудь газ или пар в трубку, имеющую подобную длину и закрытую двумя стеклами, определить с точностью до одной десятимиллионной изменения в их преломляющих способностях. Как раз с помощью такого аппарата господин Араго и я измерили разность в преломлении сухого воздуха и воздуха, насыщенного парами при 30°. Влажность в последнем случае так мала, что ускользнула бы при всяком другом способе наблюдения, ибо большая преломляющая способность водяного пара почти в точности компенсируется меньшею плотностью влажного воздуха. Но во всех других случаях самая легкая примесь какого-нибудь одного пара или газа к другому производит значительное смещение полос, и если бы существовал ряд тщательно произведенных в этом направлении опытов, то прибор этот мог бы стать ценным инструментом химического анализа.