100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.
Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.
-
Виллеброрд Снеллиус, исследовав преломление света на границе различных сред, обнаружил, что отношение угла падения к углу преломления
является постоянным для данной пары сред. В результате им был введен показатель преломления, который еще нескоро будет связан со скоростью света в среде. И лишь в опытах Фуко середины XIX века эта скорость будет измерена напрямую, выявив окончательное несогласие с предсказаниями корпускулярной теории света Ньютона.
-
Эразм Бартолин впервые описал двойное лучепреломление в кристаллах исландского шпата. Он тщательно исследовал явление,
однако, не сделал никаких предположений о его причинах. Христиан Гююйгенс, продолживший исследования Бартолина, обнаружил, что два преломленных луча
обладают разными свойствами, в частности, уже не расщепляются во втором кристалле исландского шпата, параллельном первому. На основе своей волновой теории и представлении о сфероидальных волнах Гюйгенс предложил теорию двулучепреломления, очень близкую к современным воззрениям. Фактически, открытие данного явления распахнуло дверь в физику поляризации света.
-
Исаак Ньютон с помощью несложных опытов с призмой продемонстрировал, что разложение света в радугу не обусловлено его окрашиванием веществом призмы. Более того, радужные лучи, собранные вместе в пустоте, без участия стекла снова порождают белый свет. В результате была опровергнута аристотелевская теория света, в которой цвета считались производными от «света» и «тьмы». Таким образом, было обнаружено еще одно свойство света — цвет — и дан дисперсионный метод, позволяющий исследовать данное свойство. Тем не менее, о связи цвета и частоты колебаний не было известно ничего: сам Ньютон считал цвет внутренним свойством световых корпускул, у которых отсутствовали какие бы то ни было частоты.
-
Исаак Ньютон открыл один из важнейших интерференционных эффектов,
возникающий на контакте двух прозрачных тел переменной толщины. Например, между
линзой, лежащей своей выпуклой поверхностью на стеклянной подложке, и подложкой возникает
тонкий воздушный слой переменной толщины (клин), приводящий к интерференции
двух лучей, отраженных от его граней. Данный эффект наблюдается в виде
разноцветных концентрических окружностей (эллипсов), локализованных в точке
соприкосновения линзы и поверхности.
-
Итальянский ученый Франческо Гримальди впервые обнаружил, что
свет обладает возможностью заходить в область геометрической тени, более того, очертания
самой тени при этом размываются, и вблизи ее границы возникают темные и светлые полосы радужной окраски.
Аналогичные опыты в монохроматическом свете по схеме Гримальди провел Ньютон.
-
Жесткое рентгеновское излучение обладает настолько малой длиной волны, что проходит в любые, даже микроскопические щели
без дифракционного отклонения. Другими словами, рентгеновские лучи ведут себя, как потоки корпускул. Для обнаружения волновых свойств этого излучения
Макс фон Лауэ предложил использовать трехмерную дифракционную решетку, составленную периодически выстроенными ионами кристалла.
Основываясь на теории отражения от кристаллических плоскостей, построенной отцом и сыном Брэггами, Лауэ смог расшифровать рентгеновскую
дифракционную картину, совершенно не похожую на результат дифракции света на двумерных решетках.
Фактически, Лауэ и Брэгги заложили основы рентгеноструктурного анализа, который дает сведения о структуре (поли)кристаллических веществ на атомном уровне.
-
Доминик Араго поставил решающий эксперимент для волновой теории света Френеля: из этой теории следовало,
что параллельный пучок света, падающий нормально на непрозрачный диск, должен создавать за ним дифракционные
светлые и темные концентрические кольца, причем в центре обязательно должно быть светлое пятно.
Данный факт, выведенный теоретически Симеоном Пуассоном, казалось бы, противоречил ежедневным наблюдениям
светотени — однако, Араго провел точный эксперимент по наблюдению светлого центрального пятна
и удостоверился в справедливости теории Френеля.
-
Томас Юнг провел классический опыт по наблюдению интерференции сферических волн, исходивших от двух тонких щелей в непрозрачном экране.
Более того, Юнг предложил правильное объяснение наблюдавшегося явления на основе волновой теории света. Он же ввел в оптику термин «интерференция».
Значение опыта Юнга трудно переоценить: он открыл дверь в волновую оптику как область физики, обладающую предсказательной силой.
-
Еще Христиан Гюйгенс обнаружил, что два луча, возникающие при преломлении света в исландском шпате, уже не испытывают двойного
лучепреломляются, если на их пути поставить второй, параллельный первому кристалл шпата. С другой стороны, при повороте данного
кристалла относительно первого два луча расщепляются на четыре. Эти простые наблюдения говорят об отличии свойств света
обыкновенного луча от необыкновенного — и, в то же время, о том, что эти свойства переходит друг в друга при повороте.
Кроме того, Юнг и Френель обнаружили, что две световые поляризации не интерферируют друг с другом, что вместе с наблюдениями Гюйгенса приближало
науку к пониманию поперечности световых волн.
-
Этьен Малюс обнаружил, что свет, отраженный от диэлектриков, обладает частичной поляризацией:
видимая яркость этого света зависит от угла поворота кристалла исландского шпата,
через который его наблюдают. Более того, при определенном угле падения отраженный
свет оказывается полностью (т.е. линейно) поляризованным. Зависимость этого угла
от свойств диэлектрика исследовалась Этьеном Малюсом, а также Дэвидом Брюстером,
причем последний показал, что при падении света под углом поляризации отраженный
и преломленный лучи образуют прямой угол. Открытие Малюса и Брюстера являлось крайне
важным для понимания явления поляризации света.
-
Данное явление называется магнитооптическим эффектом Фарадея и связано с различием фазовых скоростей распространения
света с правой и левой циркулярной поляризацией. В отличие от линейно поляризованной волны, для которой вектор напряженности
электрического поля колеблется «вверх-вниз», у циркулярно поляризованной волны этот вектор описывает круг по или против часовой стрелки.
Магнитооптический эффект демонстрирует взаимосвязь магнитного поля и
оптических явлений, поэтому прокладывает дорогу электромагнитной теории света Максвелла.
-
Петр Николаевич Лебедев провел прецезионное измерение давления света, которое предсказывала электромагнитная теория Максвелла.
На пути к измерению этой ничтожной величины ему пришлось преодолеть соперничающие со световым давлением силы, имеющие газокинетическую природу.
Несмотря на пренебрежимую малость светового давления в быту, именно оно приводит к образованию хвостов комет и
удерживает вещество внутри звезд в состоянии динамического равновесия.
-
Оле (Олаф) Рёмер исследовал источник небольшой апериодичности наблюдающихся затмений спутника Юпитера Ио для задач навигации:
по этим затмениям было бы легко синхронизировать часы на кораблях в открытом море. Рёмер сделал неожиданное предположение:
апериодическая добавка к временному промежутку между
ближайшими затмениями связана с конечностью скорости света. За время между затмениями расстояние от Юпитера до Земли
успевает измениться, поэтому свет затрачивает уже большее время на его преодоление. В итоге Рёмер вычислил значение скорости света, равное 220000км/с,
которое с учетом точности имеющихся в конце XVII века астрономических данных было близко к истинному.
Распространение света попало в сферу интересов физики и приобрело количественную характеристику — скорость.
-
С помощью техники быстро вращающегося колеса, между зубьями которого
при правильной синхронизации проходили падающий и отраженный лучи, Ипполит Физо
смог обнаружить эффекты запаздывания в земных условиях. Измеренная скорость света
составила 313000км/с.
-
Жан Леон Фуко осуществил с некоторыми усовершенствованиями идею Доминика Араго о постановке
опыта по измерению скорости света с вращающимся зеркалом. В опыте Фуко свет от такого зеркала проходил
через оптическую систему с большой базой и возвращался на зеркало, уже повернувшееся на некоторый угол. По сдвигу
зайчика можно было определить запаздывание отраженного луча — и в итоге скорость света. Фуко получил значение
скорости света в вакууме с точностью до 500км/с, а также измерил скорость света в воде. Последняя оказалась меньше скорости
света в вакууме в n=1.33 раза, что согласовывалось с волновой теорией света. В рамках корпускулярной модели света Ньютона
скорость света в среде должна быть в n раз больше его скорости в вакууме.
-
Изобретение лазера как источника электромагнитных полей высокой напряженности открыло во второй половине XX века
совершенно новую область — нелинейную оптику. При взаимодействии света
высокой интенсивности со средой распространения свойства последней меняются (модулируются)
полем электромагнитной волны. В результате становятся возможными такие эффекты, как
самофокусировка света, генерация высших гармоник, смешение частот, оптическое выпрямление, рассеяние света на свете и др.
Первыми нелинейными эффектами взаимодействия прозрачной среды с электромагнитным
полем, обнаруженными еще в конце XIX века, были электрооптические эффекты Керра и Поккельса, заключающиеся в изменении показателя
преломления среды при ее помещении в постоянное электрическое поле.
|
|
