Эксперименты по поляризации света — начиная с Х. Гюйгенса

Несмотря на то, что открытие двулучепреломления принадлежит Эразму Бартолину (1669), первое представление о поляризации было введено Христианом Гюйгенсом в 1690 году в его «Трактате о свете». Гюйгенс предположившил, что внутри кристалла могут распространяться световые волны различной скорости, в результате чего и наблюдается двойное лучепреломление. Тем не менее, можно было предположить, что свойство, различающее лучи, распространяющиеся с различными скоростями — обыкновенный и необыкновенный — присуще кристаллу, но не свету.

Христиан Гюйгенс пошел дальше Эразма Бартолина в изучении кристаллов исландского шпата. Введя понятие об оптической оси кристалла (которое существует и по сей день), он стал изучать прохождение света через пару кристаллов в зависимости от угла между их оптическими осями. Оказалось, что, если взять два кристалла исландского шпата с сонаправленными осями и параллельными гранями и пропустить через них нормально падающий пучок света, то после разделения на два пучка из-за двойного лучепреломления в первом кристалле, эти отдельные пучки уже не испытывают двойного лучепреломления во втором (см. рис. ниже). Это говорило о фундаментальном отличии лучей на выходе из двулучепреломляющего кристалла от падаюшего луча.

Еще более интересная картина наблюдалась при повороте второго кристалла относительно первого: каждый из разделенных лучей снова начинал испытывать двойное лучепреломление на входе во него. Это отметало в сторону возможное объяснение двулучепреломления наличием двух независимых сортов световых частиц (или волн), соответствующих одному цвету: опыт показывал, что эти сорта переходили друг в друга при пространственном повороте. Гюйгенс не смог объяснить наблюдаемое явление, хотя вплотную подошел к его разгадке. Дело в том, что в его волновой теории рассматривались продольные волны, т.е. волны, колебания которых происходят в направлении движения волны (волнового вектора ). Такая волна при повороте вокруг оси, параллельной , переходит сама в себя, поэтому не обладает необходимым свойством поляризации. Ньютон, изучая результаты, полученные Гюйгенсом, выдвинул гипотезу, что световые корпускулы обладают некоторым свойством, не симметричным относительно поворотов вокруг направления их движения. Однако простое присваивание корпускулам некоторой поперечной ориентации не объясняло, почему при любом положении второго кристалла в опытах Гюйгенса лучи расщепляются не более чем на два пучка. Если считать, что есть некоторый «угол поляризации», характеризующий эту ориентацию и изменяющийся от нуля до , то вместо двулучепреломления скорее должно было иметь место расщепление падающего луча на целый световой сектор!

Следующий вклад в изучение поляризации был сделан в 1808–1812 годах Этьеном Луи Малюсом (1775–1812) и Дэвидом Брюстером (1781–1868), которые обнаружили и исследовали поляризацию света, отраженного от диэлектриков. Оказалось, что даже свет, отраженный от аморфного стекла, не обладающего двулучепреломляющими свойствами, является частично (а при определенном угле падения — полностью) поляризованным. Этому явлению посвящена следующая статья.

Первыми учеными, предложившими концепцию поперечных волн, были Томас Юнг  (1773–1829) и Огюстен Жан Френель (1788–1827) — каждый из них деликатно приписывал приоритет открытия другому. Френель обнаружил удивительное явление: волны, поляризованные перпендикулярно друг другу, не интерферируют! Это никак не укладывалось в его теорию, восходящую к волновой теории Гюйгенса, поскольку говорило, что в эфире распространяются два независимых колебания. Эфир считался подобным жидкости (более того, сам Френель являлся автором теории частичного увлечения эфира движущимися телами), но, как известно, в жидкости распространяются только продольные колебания! Это связано с тем, что жидкости не сохраняют свою форму — поэтому в них отсутствуют поперечные (сдвиговые) упругие напряжения. Существование поперечных упругих волн в эфире приводило к парадоксальному выводу: эфир твердый! Несмотря на кажущуюся противоречивость этого утверждения, Френель продолжил свои теоретические исследования и в 1823 году вывел свои знаменитые формулы, описывающие прохождение света через границу между диэлектриками. В этих формулах содержались и законы отражения и преломления, и выводы Малюса–Брюстера о поляризации отраженного света, и зависимости интенсивностей отраженного и преломленного лучей от угла падения, и эффекты, возникающие при падении на поверхность раздела уже поляризованного света.

В современной физике существование двух световых поляризаций связывают с наличием у кванта света, фотона, внутренней характеристики — спина. Эта характеристика в некотором смысле слова определяет вращение движущегося фотона вокруг своей оси, за исключением двух существенных отличий. Первое из них происходит из квантовой физики и говорит о том, что спина на произвольную ось не может превышать единицы по модулю (в единицах постоянной Планка ). Второе же свойство связано с теорией относительности: поскольку фотон движется со скоростью света, одна из его пространственных осей для наблюдателя сжимается до нуля (см. лоренцево сокращение длины), в результате спин не может иметь нулевую проекцию на направление движения фотона. Остаются две возможных проекции (спиральности):  и  — и именно они отвечают за две возможных поляризации электромагнитных волн.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>