XVII-XIX ғғ. оптиканың дамуы
Оптикалық зерттеулердің тамыры анау ежелгі заманға барады. Оптикалық құбылыс — оқудың қарапайым түрі болып табылады.
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 жағдайларын 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 фактысын 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 қорытындыларын 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 теориясы пікірталастың ортасында болған (толқындық және корпускулярлық). Басым ғалымдар толқындық теорияға сүйенген дәуірде, Ньютон аса механикалық көрініс 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 (17281777 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 гипотезаға 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 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. Шынымен де, 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 хроматикалық поляризациасы және кварцтағы поляризацияның айналу құбылысын ашты. Ж.Б. Био (1774-1862 жж.) бір бірлікті кристаллдағы жарықтың хроматикалық поляризациясын 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 екінші ескерткішнамасында Френель көру нүктесіндегі толқындық көріністі Ньютон сақиналарының тәжірибесімен түсіндіреді.
Жазық параллель пластинкадағы интерференциялық сәуленің әр түрлі жолдағы формуласы көрсетілген:
d=2x cosі ,
мұндағы, х-пластинканың қалыңдығы, і-
сыну бұрышы. Бұл толықтырылуда классикалық тәжірибедегі Френель айналары көрсетілген (28 сурет).
1816 ж. Френельдің ескерткішнамасы физика тарихын ұмытыла бастаған Гюйгенс принципіне мән бергенімен қызықтырады. Интерференциялық сәулеленудің екінші
қайнарын толықтырып, Френель 28 сурет. — Френель айналары геометрикалықты физикалық принципке айналдырады.
Қортындысында, оптика көптеген есептерді шешуге, мәндері уақыт бойынша тек қана кемімей, сонымен қатар көбейетін өте мықты құрал алады, ХХ ғ. микротолқындық антенналардың, оптикалық құралдардың және де қазіргі заманғы Вавилова-Черенкова эффектісінің радиофизикалық есептеулерінің негізгі әдісін ойлап тапқан. Алғаш есептеулердің жаңа принципін Френельдің өзі өткізген.
Интерференция принципінің ашылуы айтылғандай Юнгке тиесілі. Френель ол туралы білмей, өздігінен осы жаңалыққа жеткен. Кейін Ф.Д. Араго оған Юнгтың жұмысы туралы хабардар етеді.
Френель өзінің әріптестеріне біртіндеп толқындық теорияның табиғи жарықтан дұрыс екендігін көндіре білді. Осылайша, Париждық ғылыми аккадемияда болған ең жақсы дифракция туралы жоба байқауында Френельдің «Natura cimplex et fekunda» (қарапайым және пайдалы табиғат) ескерткішнамасымен жеңіп алды. Тексерушілердің бұл жұмыстың талқылауында, оның ішіндегі, Био, Араго, Лаплас, Гей-Люссак және Пуассон, Френельдің ойының шарықтауына көмектескен бөлім пайда болды. Френельге қарсы шыққан Пуассон соңғы әдісті қолданып, дөңгелек экранның көлеңке ортасында нақты бір жағдайда жарық дақ пайда болу керек деп есептеді. Бұл есептеуді Араго тәжірибеден өткізіп, соңында теория толықтай дәлелденді. Пуассонның қарсылығы Френельдің дұрыстығына әкеп соқты.
Френельдің ескерткішнамасының аты оның әлемге натурфилософиялық көзқарасын көрсетеді. Ескерткішнамада ғалымның көптеген интерференциялық тәжірибелері жазылған, сонымен қоса өте әйгілі биопризма мен айна. Осы жерде Гюйгенс-Френель принципына жаңадан тұжырымдама берілді. Ескерткішнамада дифракциялық есептерге арналған көптеген тізбектермен толтырылған. Ескерткішнама толқындық теориядағы жарықтың сынуының түсініктемесімен бітеді.
Шынын айтқанда, тек толқындық теорияның көмегімен поляризация құбылысын суреттеу мүмкін емес. Френельдің өзі 1816 ж. осы туралы айтып кеткен. Жарық туралы модификациялық елестету керектігін және «бұл жарық модификациясы көлденең жарық толқынынан тұратынын» қосып айта кеткен.
Френельдің ойы бойынша, нағыз жарық — ол «жылдам поляризациялық жүйенің әр түрлі бағыттағы толқындарға еруі». Сонымен қоса, поляризация нақты жанама бағыттардың екі сәйкескен перпендикуляр бағыттан тұрады. Бұл ой «күмәнді» болғандықтан, Френельдің сенімді досы Араго да оның артынан еруге батпады.
Френель теориясы эфир жайында алдына міндет қойды — оның біріктірілмеген құрылымын қалай біріктіру керек. Неге эфирдің тығыздығы дифференциалмен сипатталады? Неге эфир өзінің қатты қасиетімен одан өтетін аспан денелерінің қозғалысына қарсылық көрсетпейді? Френель бұл сұрақтарға жауап бере алмады, бірақ біз оны білеміз. Эфир жай мүлдем жоқ, ал ауадағы акустикалық толқынға ұқсас жарық толқындары, кезінде жарық тоқындарының аналогы болып қызмет жасаған.
1823 жылғы мемуарында Френель Жер мен бүкіләлемдік теңіздің үстін зерттеудегі қашықтық әдісіндегі жарықтың шағылу формуласын түсіндірді.
Френельдің кристаллоптикадағы жетістіктерін ұмыту мүмкін емес. Гюйгенстің ойын осы бағытта қолданды және модифицияландырды. Френель кристалдың эллипсоид серпімділігі туралы керемет құрылым енгізді. Френельдің ойын жетілдіре келіп, Гамильтон 1832 жылы екі осьті жіңішке кристаллдың эффектісі — соңғы рефракцияны бар деп қорытынды жасады. Френель-Гамильтон теориясына сүйене отырып, 1832 жылы Х .Лойд (18001881 жж.) оны тапты. Бұл жарық толқынында ең керемет триумф болды.
Аз уақыт ішінде Френельдің жетістіктері тек таң қалдырады. Жоғарыда айтылғандарға тағы да жер қозғалысының оптикалық эффектісінің әсері, сол кезде реалитивистік құбылыстар үлкен мағынаға ие болып қызығушылық тудырды. Френель эфирдің бөлшектеп ұлғаю теориясының авторы. Әрине оның басты мұрасы – оптикалық зерттеулер. Бірақ та, ол керемет инженер де болып шықты.
ХІХ ғасырдағы ғалым-оптиктардың ішінде Иозеф Фрауннгофер (17871826 жж.) атын атап кетпеуге болмас. Оған екі оптикалық ашылу тиесілі. Біріншіден, Фраунгофер сызығы — күннің күңгірт спектрлік сызықтары. Олардың пайда болғанынан атмосферада жұтылуы (29 сурет). Бұл сызықтарды бірінші рет 1802 ж. У.Х. Воллоктон (1766-1828 жж.) көрді. Бірақ ол олардың табиғатын түсінбей ары қарай толығырақ зерттемеді. Дәл Фраунгофер 18141815 жж. бұл құбылысты толық зерттеп, оны 1817 ж. сипаттады. Сонымен қатар, Фраунгофер дифракциялық торды ойлап шығарушы болды. Бірақ оның принципін 1785 ж. американдық Д. Риттенхауз айтып кеткен.
Дәлірек, Фраунгофер оны дайындап және оған өмірге жолдама берген, бұл Ньютонннан кейінгі спектроскопияның дамуына маңызды үлес қосқан ғалым еді. Дифракциялық тордың толық теориясын Фраунгофердің өлімінен 3 жылдан соң К. Швердің монографиясында баяндалған.
Оптика тарихын зерттегенде жарық жылдамдығының өзгеруі сұрағына тоқтамау мүмкін емес. Галилей жарықтың жылдамдығын түзу әдіспен өлшеу керек деп санаған. Біз О. Ремердің есептеулері туралы білеміз. Ол ХІХ ғасырдың ортасында бұл тапсырманы бір мезгілде Ипполит Физо (1819-1896 жж.) және Мон Фуко (1819-1868 жж.) есептеп шығарған. Олардың тәжірибелері белгілі бір уақыттағы жарық толқынының жиілігі кезінде жарық көзінің үзілуі мен уақыт өлшемін дәлелдеуде болды (30 сурет). Физо мен Фуконың құрылысы бір-бірінен өзгеше болғанымен құрылым принципі ұқсас болып келеді. Олардың біріншісі
1849 жылы тәжірибе жүргізіп, ауадағы жарық 29 сурет. — Күн спектрі жылдамдығы 313000 км/с екенін анықтады.
Фуко ауадағы жарық жылдамдығын судағы жарық жылдамдығымен салыстыруға болатын құрылғы жасады. 1850 ж. бақылаудың нәтижесінде судағы жарық ауадан қарағанда ақырын таралатыны анықталды. Бұл ХІХ ғасырдағы толқындық теорияға шешуші пайда әкелді. Бұдан кейін корпускулалық теория мұражайға тапсырылды. Классикалық оптика толқындық теорияның керемет триумфымен аяқталды.
ХХ ғасырда ең басты жетістік болып, оптикалық құрылғылардың шығуы және электромагнит толқындардың оптикалық әдістері кең ауқымда таралуы болды.
ХХ ғасырда оптиктар бұрын соңды көрмеген телескоп ойлап тапты. Басты бағыт үлкен диаметрлі айнаның шығарылуы болды. Осындай ең үлкен телескоп Кавказ тауларының маңындағы БТА телескопы, айна диаметрі 6 метр.
ХХ ғасырдың екінші жартысындағы сызықты емес оптиканың пайда болуы мына ғалымдардың алдында өтелмес парыз: Рэм Викторович Хохлов (1926-1977 жж.) және Сергей Александрович Ахманов.