Поперечні хвилі

Довгий час родоначальники хвильової оптики Т. Юнг і О.Френель знали, що світлові хвилі є поздовжніми, тобто вони подібні хвилях звуковим. У той час світлові хвилі сприймалися як пружні хвилі в ефірі, які заповнюють весь простір і проникають всередину кожного тіла. Здавалося, що такі хвилі не можуть називатися поперечними.

Але все ж потроху набиралося все більше експериментальних доказів і фактів, які не вдавалося пояснити, припускаючи, що світлові хвилі - подовжні. Адже поперечні хвилі могли існувати виключно в твердих тілах. Але як може тіло рухатися у твердому ефірі без опору? Ефір ж ніяк не повинен гальмувати рух тел. Адже в іншому випадку закон інерції не виконувався б.

Можна розглянути один простий і корисний експеримент з кристалом турмаліну. Він прозорий і має зелене забарвлення.

У кристала турмаліну є вісь симетрії. Цей кристал зараховують до одноосьовим кристалам. Береться прямокутна пластина турмаліну, вирізається так, щоб одна її грань перебувала паралельно до осі самого кристала. Якщо пучок електричного або сонячного світла направляти нормально на цю пластину, то обертання пластини навколо нього не викличе змін в інтенсивності світла, який через неї проходить. Виникає відчуття, що проходить світло в турмалін поглинувся частково і придбав світло-зелене забарвлення. Більше нічого не відбувається. Але це помилково. Хвиля світла набуває нових властивостей.

Їх можна виявити, якщо пучок світла пройде через такий же другий кристал турмаліну, який знаходиться паралельно першому. При однаковому напрямку осей двох кристалів також нічого цікавого не відбувається, тільки пучок світла все більше послаблюється через поглинання, проходячи через другий кристал. Але при обертанні другого кристала, якщо при цьому перший залишити нерухомо, виявиться цікаве явище під назвою «гасіння світла». У процесі збільшення кута між двома даними осями зменшується насиченість пучка світла, що проходить. Коли дві осі перпендикулярні по відношенню одна до іншої, світло не може пройти взагалі. Він буде повністю поглинатися другим кристалом. Як це пояснюється?

Поперечність світлових хвиль

З опису фактів, показаних раніше, слід:

1. По-перше, світлова хвиля, яка йде від джерела світла, абсолютно симетрична по відношенню до напрямку, по якому відбувається поширення. При обороті даного кристала навколо проходить променя світла при першому проведеному досвіді його інтенсивність не змінювалася.

2. По-друге, хвиля, що виходить з першого кристала, не володітиме осьової симметричностью. Інтенсивність світла, що проходить через інший кристал залежить від його повороту.

Поздовжні хвилі відрізняються повною симетрією щодо напрямку поширення. Коливання поздовжніх хвиль відбуваються уздовж такого напрямку, це коливання і є віссю симетрії хвилі. Саме тому пояснити досвід з обертанням другого кристала, вважаючи хвилю світла поздовжньої, не представляється можливим: це - поперечні хвилі.

Можна повною мірою пояснити досвід, роблячи два припущення:

Припущення номер один відноситься безпосередньо до світла: світлові хвилі - поперечні хвилі. Але в падаючому від джерела світла пучку світлових хвиль присутні коливання різних напрямків, які перпендикулярні напрямку, по якому відбувається поширення такої хвилі. В даному випадку, розглядаючи таке припущення, можна зробити висновок, що хвиля світла має осьову симетрію, в цей же час будучи поперечної. Наприклад, хвилі на водній поверхні подібної симетрії не мають, тому що коливання частинок води відбуваються виключно у вертикальній площині.

Хвилі світла з коливаннями в різних напрямках, які перпендикулярні напрямками поширення, називаються природними. Ця назва є виправданим, тому що в стандартних умовах різні джерела освітлення створюють саме такі хвилі. Це припущення пояснюється результатами першого проведеного досвіду. Обертання турмалінового кристала не змінює насиченості проходить пучка світла, тому що дана падаюча хвиля має осьову симетрію, навіть незважаючи на те, що вона - поперечна хвиля.

Друге припущення відноситься до самого кристалу. Турмалін має властивість пропускати хвилі світла з коливаннями, які відбуваються в певній площині. Це світло називається поляризованим (або плоскополяризованим). Він відрізняється від природного, неполяризованого.

Дане припущення пояснюється другим досвідом. З першого кристала турмаліну виходить плоскополяризоване світло (хвиля). При схрещенні кристалів під кутом дев'яносто градусів хвиля не може пройти крізь другий з них. Якщо кут схрещення інший, то будуть проходити коливання, амплітуда яких буде дорівнює проекції амплітуди хвилі, що пройшла через першу пластину в напрямку осі другого. Саме це і є доказом теорії про те, що світлові хвилі - поперечні хвилі.