Наиболее замечательным достижением этого периода было открытие дифракции света Гримальди (1618—1663). Им было найдено, что свет, проходя через узкие отверстия или около краев непрозрачных экранов, испытывает уклонения от прямолинейного распространения. Видоизменяя опыты по наблюдению дифракции, он осуществил прямой опыт сложения двух световых пучков, которые исходили из двух отверстий в экране, освещенном Солнцем. При этом Гримальди наблюдал чередование светлых и темных полос. Таким образом, оказалось, что при сложении световых пучков в ряде мест получается не усиление, а ослабление света. Впоследствии это явление было названо интерференцией. Гримальди высказал догадку, что вышеуказанные явления можно объяснить, если предположить, что свет представляет собой волнообразное движение. В вопросе о цветах тел он также высказывает правильную мысль, утверждая, что цвета есть составные части белого света. Происхождение цветов различных тел он объясняет способностью тел отражать падающий на них свет с особыми видоизменениями. Рассуждая о цветах вообще, он высказывает предположение, что различие цветов обусловлено различием в частотах световых колебаний (по терминологии Гримальди, различием в скорости колебаний светового вещества). Однако Гримальди не разработал какого-либо последовательного воззрения на природу света. Мы видим, таким образом, что вопрос о природе света встал во весь рост, как только экспериментальные открытия подготовили для этого почву. В последующий период были сделаны фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования, позволившие сделать первые научно обоснованные заключения о природе световых процессов. При этом с особой силой проявилась тенденция дать объяснение световых явлений с двух противоположных точек зрения: с точки зрения представления о свете как корпускулярном явлении и с точки зрения волновой природы света. Эта борьба двух воззрений, отражавших прерывные и непрерывные свойства объективных явлений природы, естественным образом отражала диалектическую сущность материи и ее движения, как единства противоположностей.
XVII столетие характеризуется дальнейшим прогрессом в различных областях науки, техники и производства. Значительное развитие получает математика. В различных странах Европы создаются научные общества и академии, объединяющие ученых. Благодаря этому наука становится достоянием более широких кругов, что способствует установлению международных связей в науке. Во второй половине XVII столетия окончательно победил экспериментальный метод изучения явлений природы.
Крупнейшие открытия этого периода связаны с именем гениального английского физика и математика Исаака Ньютона /(1643— 1727). Наиболее важным экспериментальным открытием Ньютона в оптике является дисперсия света в призме (1666). Исследуя прохождение пучка белого света через трехгранную призму, Ньютон установил, что луч белого света распадается на бесконечную совокупность цветных лучей, образующих непрерывный спектр. Из этих опытов был сделан вывод о том, что белый свет представляет собой сложное излучение. Ньютон произвел и обратный опыт, собрав с помощью линзы цветные лучи, образовавшиеся после прохождения через призму луча белого света. В результате он опять получил белый свет. Наконец, Ньютон провел опыт смешения цветов с помощью вращающегося круга, разделенного на несколько секторов, окрашенных в основные цвета спектра. При быстром вращении диска все цвета сливались в один, создавая впечатление белого цвета.
Результаты этих фундаментальных опытов Ньютон положил в основу теории цветов, которая до этого не удавалась никому из его предшественников. Согласно теории цветов цвет тела определяется теми лучами спектра, которые это тело отражает; другие же лучи тело поглощает.
Наряду с этими открытиями Ньютону принадлежат работы по дифракции и интерференции света. Он осуществил замечательный опыт, приведший к открытию закономерной интерференционной картины, получившей название кольца Ньютона, и позволивший установить количественные соотношения в явлениях интерференции. Для объяснения световых явлений Ньютон принимал, что свет представляет собой вещество, испускаемое в виде необычайно мелких частиц светящимися телами. Таким образом, Ньютон является создателем корпускулярной теории света, которую он назвал теорией истечения. Ньютон считал, что световые частицы имеют различные размеры: частицы, соответствующие красному участку спектра, крупнее, частицы, соответствующие фиолетовым лучам, — мельче. Между этими крайними случаями лежат промежуточные размеры, что и обусловливает непрерывный спектр цветов. Теория истечения, кроме цветов спектра, хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Однако она встретилась с очень большими трудностями при объяснении явлений отражения и преломления, дифракции и интерференции. Для согласования теории истечения с этими фактами Ньютону пришлось, прибегнуть к различным добавочным гипотезам, которые были слабо обоснованы.
X. Гюйгенсу принадлежит открытие принципа, носящего, до сих пор его имя, который позволял проводить детальный кинематический анализ волнового движения и устанавливать различные закономерности в этой области. На основе сформулированного принципа Гюйгенс объяснил законы отражения и преломления. Ему даже удалось объяснить двойное преломление света, возникающее в кристаллах. Это явление было открыто датским ученым Эразмом Бартолином (1625—1698) в 1669 г. и вызвало большой интерес среди ученых. Изучая двойное лучепреломление, Гюйгенс открыл поляризацию света в кристаллах, но объяснить это явление не смог. Подобно Р. Гуку, Гюйгенс считал, что свет в виде волн распространяется в эфире — тончайшей материи, разлитой по всему мировому пространству. Но световые волны Гюйгенс считал продольными и поэтому ему не удалось объяснить явления поляризации; он не смог также дать теорию цветов и объяснить прямолинейное распространение света.
Все эти недостатки волновой теории света Гюйгенса способствовали тому, что она была не в состоянии противостоять теории истечения Ньютона, вследствие чего последняя господствовала все XVIII и начало XIX столетия.
Против теории истечения выступал выдающийся математик Леонард Эйлер (1707—1783), который большую часть жизни работал в Российской Академии наук в Петербурге. Последовательным сторонником волновой теории света был гениальный русский ученый Михаил Василъевич Ломоносов (1711—1765), считавший, что свет представляет собой колебательное движение эфира. Однако даже этим знаменитым ученым не удалось поколебать господства теории истечения. Из других крупных открытий и области оптики в XVII и XVIII столетиях следует назвать измерение скорости света (1675) датским астрономом Олафом Ремером (1693-1792) из наблюдений над затмениями спутников Юпитера.
Перечисленные выше открытия и изобретения явились лишь наиболее важными моментами в развитии волновой теории света. Множество других исследований следовали одно за другим, и в целом всю их совокупность можно рассматривать как триумф волновой теории света.
Однако ряд явлений, обнаруженных в указанный период — флюоресценция, фосфоресценция, а также излучение и поглощение света, не находил объяснения в волновой теории света.
Механические теории света в XIX столетии. Перед волновой теорией света стояла одна весьма трудная задача; обосновать упругую теорию света, т. е. теорию световых явлений, основанную на представлении о распространении света в виде поперечных волн в светоносном эфире. При этом возник целый ряд вопросов о взаимодействии эфира с движущимися телами.
Колоссальный труд выдающихся ученых, создателей упругой теории света, дал большие результаты. Однако они не базировались на единой физической концепции. Поэтому появление электромагнитной теории света сразу уменьшило интерес к механическим теориям, так как теперь любая механическая теория, претендовавшая на объяснение оптических явлений, должна была дать объяснение и электрическим явлениям, Эта задача оказалась на посильной для механических теорий.
Так появилась эпоха в учении электромагнитной теории света.
Геометрическую оптику можно рассматривать как предельный случай волновой оптики.
Раздел оптики, в котором распространение световой энергии рассматривается на основе представления о световых лучах как направлениях движения энергии, называется геометрической оптикой. Такое название ей дано потому, что все явления распространения света здесь могут быть исследованы путем геометрических построений хода лучей с учетом лишь законов отражения и преломления света. Эти два закона являются основой геометрической оптики.
И только там, где речь идет о явлениях, разыгрывающихся в точках изображения источника, законы геометрической оптики оказываются недостаточными и необходимо пользоваться законами волновой оптики. Геометрическая оптика дает возможность разобрать основные явления, связанные с прохождением света через линзы и другие оптические системы, а также с отражением от зеркал. В основе геометрической оптики лежат законы –закон о прямолинейном распространении света. Понятие о световом луче, как о бесконечно тонком пучке света, распространяющемся прямолинейно составляет противоречие с представлениями о волновой природе света, согласно которым отклонение от прямолинейного распространения будет тем больше, чем более узкий световой пучок (явление дифракции).Закон независимости распространения световых пучков. Законы отражения и закон преломления света позволяют объяснить и описать многие физические явления, а также проводить расчеты и конструирование оптических приборов. Законы отражения и преломления света были вначале установлены как опытные законы. Однако волновая теория объясняет их элементарным образом, исходя из принципа Гюйгенса, приложимого к волнам с неограниченными фронтами.
Рис 1
На рисунке 1 изображена схема, объясняющая отражение плоской световой волны Е от плоской границы раздела SS двух оптически разнородных сред. Цифрами /, 2, 3, 4, ... обозначены параллельные лучи, вдоль которых распространяется энергия волны, один из плоских фронтов которой изображен прямой (следом) Е, нормальной к лучам. Расстояния между лучами /, 2, 3, 4, ... выбраны равными между собой. Световые колебания, бегущие вдоль луча /, возбуждают в точке Ог элементарную сферическую волну /, которая за время At пробегает путь 01А — сАt. Аналогичные световые колебания возбуждают в точках 02, 03, 04, ... элементарные сферические волны //, ///, IV, ... . За время Аt колебание, идущее вдоль луча 2, пробежит путь ОA2, и после встречи с поверхностью SS сферическая волна // пройдет расстояние О2A2, причем 02А'2 + 02A2 = О1А1. Точно так же будем иметь: 03А'3 + 03A3 = О1А1 и т. д. Вследствие этого элементарные сферические волны /, //, ///, IV, ... будут иметь общую касательную поверхность Е', которая касается элементарных волн /, //, ///, IV, ... в точках A1, А2, А'3, A4', ... . Эта общая касательная поверхность и будет представлять поверхность отраженной световой волны. Из геометрических соотношений нетрудно показать, что угол падения I равен углу отражения I ', луч падающий и отраженный находятся в одной плоскости с перпендикуляром, опущенным на поверхность раздела в точке падения.
