Свет

Свет, электромагнитное явление, обнаруживающееся как форма материи, движущейся С предельной скоростью в пространстве между частицами вещества, в которых С. возникает и, поглощаясь, уничтожается как таковой. Более конкретное определение С. может быть дано на основании его эмпирич. свойств, излагаемых ниже. Теории, последовательно и без затруднений объясняющей все свойства С., до сего времени не существует. Часто под названием С. подразумевают более узкий круг явлений, соответствующий обычной причине зрительных ощущений. В дальнейшем говорится о С. в широком смысле слова в соответствии с данным определением и свойствами, перечисляемыми ниже.

Свойства С. Распространение света связано с переносом энергии и количества движения. Поглощаясь в веществе, свет производит нагревание, химич. реакции и прочие изменения и оказывает давление на вещество. Только по этим действиям, обусловленным энергией и количеством движения С., можно вообще су-дть о его реальности и свойствах. По своей природе С. есть явление динамическое: покоящегося С. не существует, и скорость есгь его основное свойство. Никаких теоретич. оснований для расчета скорости С. не существует: эта величина находится эмпирически. Скорость С. определена с большою точностью земными и астрономия, методами. Наиболее достоверная цифра, полученная для скорости С. в пространстве, лишенном вещества, по измерениям Май-кельсона составляет 299 796 +1 км/гк. Эта величина получена в условиях опыта на земной поверхности и для видимого С. Нет однако оснований сомневаться, что для межзвездных пространств и других видов С. скорость имеет то же значение. Наблюдения над переменными звездами, удаленными от земли на колоссальные расстояния, показывают, что по крайней мере для видимого С. скорость в пустом пространстве с громадной степенью точности не зависит от цветности. Менее точные измерения с радиоволнами и лучами Рентгена показывают, что их скорость (в пределах ошибок опыта) совпадает с цифрой Майкельсона. В веществе скорость С. зависит от цветности, как обнаруживают явления дисперсии (смотрите Дисперсия света). Теоретически показатель преломления

где с и с — скорость С. в пустоте и веществе. Измерения Майкельсона и других показали однако, что с в (1) не совпадает со скоростью, измеряемой непосредственным опытом; изменение п с цветностью происходит иначе, чем изменение скорости света в веществе, измеряемой прямым опытом. Релей выяснил причину этого расхождения. В формуле (1) фигурируют скорости перемещения фазы идеальной (монохроматической) волны (фазовая скорость). Если волны различной длины движутся с различной фазовой скоростью, то есть имеется дисперсия, то фазовая скорость становится математич. фикцией, физич. смысл приобретает т. ы. групповая скорость:

(А — длина волны). В областях, удаленных от полосы поглощения вещества, групповая скорость и совпадает со скоростью распространения энергии волны, то есть с действительно измеряемой скоростью. Для пустого пространства групповая скорость совпадает с фазовой, т. к. в этом случае

Скорость С. не зависит от движения источника, как доказывают наблюдения над двойными звездами. В случае зависимости скорости С. от скорости звезды законы движения двойных звезд являлись бы искаженными, чего не наблюдается. Земных опытов в этом отношении до сих пор не производилось. Измеряемая скорость С. не только независима от движения источника, но также (в случае инерционного движения) и от скорости системы, в которой производятся измерения. Это заключение основано главным образом на отрицательных резулыа-тах интерференционного опыта Майкельсона, имевшего целью обнаружить влияние движения земли в пространстве на измеряемую скорость С. Отсутствие ожидаемого эффекта послужило одним из поводов к созданию специальной теории относительности (смотрите Относительности теория), выводом которой является утверждение о совпадении скорости света с максимальной (предельной) скоростью переноса энергии, допускаемой специальной теорией относительности. Общая теория относительности, трактующая случай ускоренных движений, предусматривает изменчивость измеряемой скорости спета. Опыты Саньяка с вращающимся интер-ферографом и опыт Майкельсона с суточным вращением земли обнаружили в согласии с этим сложение скорости С. со скоростью ускоренного движения системы. По общей теории относительности скорость света должна, зависеть от гравитационного потенциала пространства, в котором происходит распространение С. Этот вывод подтверждается наблюдениями отклонения световых лучей в поле тяготения солнца (смотрите Относительности теория). Поток С., какова бы ни была его интенсивность, не оказывает никакого влияния на другой световой поток, распространяющийся в том же пространстве; освещенности, создаваемые обоими пучками, арифметически складываются; в этом состоит свойство суперпозиции интенсивностей С., отличающее поток света от потока вещества (два потока вещества, встречаясь, частично рассеиваются). Свойство суперпозиции с громадной точностью подтверждается наблюдением над солнечными пучками огромной интенсивности, пересекающимися вблизи поверхности солнца.

Суперпозиция интенсивностей всегда выполняется для световых пучков, исходящих из двух различных самосветнщихся точек (некогерентные пучки). Наоборот, пучки, идущие от одной светящейся точки и пересекающие друг друга вследствие отражений, преломлений и прочие, вообще говоря, не подчиняются принципу суперпозиции интенсивностей. Они интерферируют друг с другом (смотрите Интерференция света), обнаруживая в некоторых областях пространства резкое нарушение суперпозиции в одну и другую сторону. Существование чередующихся светлых и темных мест в поле интерференции при наличии стационарного движения света показывает, что состояние света в каждой данной точке пространства есть ф-ия времени ί, то есть чго С., распространяясь в пространстве, изменяется во времени. Встречая малые препятствия и отверстия, С. огибает их, обнаруживая при этом интерференционные и другие явления (смотрите Диффракция). В полном соответствии с опытом эти свойства С. математически описываются волновым диференциаль-ным ур-ием:

да?, да? г^> да? ₂, ,₃,

0/2 ^С V 0ж2 + _Зу2 + 0?2 ) ^с V <Р> W)

где ψ — световая ф-ия, средний квадрат которой пропорционален измеряемой на опыте энергии С., с — скорость С., х, у, ζ — координаты. Ур-ие (3) м. б. получено из ур-ий упругой среды или электромагнитного поля из представлений о С. как об упругих или электромагнитных возмущениях, но при несомненной недостаточности этих представлений оно должно рассматриваться только как математический эквивалент результатов опыта, с большой точностью отображающий законы распространения С. Общее решение ур-ия (3) для расстояния τ от светящейся точки имеет вид:

9=/i(*-7) + /.(»+7). (4)

где и /о — некоторые функции указанных аргументов, соответствующие возмущениям, распространяющимся в двух противоположных направлениях. Ограничиваясь одним направлением и разлагая φ в тригонометрический ряд, можно написать:

4>=Σι^Α* ^sin2^i(i+ 7 + <?/)· (а)

В предельном (фиктивном) случае

φ=A sin 2πν ^ί+ + d^j (6)

(δ — фаза), τ. е. имеет вид ур-ия гармонической волны. Амплитуда А связана с энергией С., частота световых колебаний — с его цветностью. Разлагая свет источников в спектральных приборах, пропуская его через светофильтры, или пользуясь избирательными поглощателями (например глазом), можно выделить участки, соответствующие б. или м. узким интервалам частот Αν. Точная монохроматизация С. невозможна, так как процесс излучения всегда конечен и синусоиды ограничены во времени, то есть не являются точными синусоидами. Поэтому излучение всякого реального источника С. соответствует конечному интервалу Αν, и выделение строго монохроматич. С. было бы возмож-ным только с бесконечно малой энергией. Шкала световых волн, обнаруженных на опыте, простирается от чрезвычайно длинных радиоволн до исчезающе коротких у-волн радия (смотрите Лучи световые). Природа космических лучей (смотрите)

окончательно не выяснена до настоящего времени; есть однако основания считать их корпускулярной, а не световой радиацией.

Решение различных задач о распространении С. может быть осуществлено при помощи уравнения (3) при соответственном задании граничных и начальных условий. В частности из уравнения (3) выводятся вспомогательные принципы оптики, принцип Гюйгенса, принцип Ферма, принцип прямолинейного распространения С. для однородной среды и различные другие положения геометрической оптики (смотрите Гюйгенса принцип, Ферма принцип). Явления, наблюдаемые при отражении, рассеянии, распространении С. в анизотропных средах, доказывают для всей шкалы светового спектра поперечность световых возмущений (смотрите Поля-ризация света). Световые колебания в изотропной среде происходят в плоскости, перпендикулярной к линии распространения. Свойства электромагнитных волн, излучаемых искусственными электрическими системами — радиостанциями (смотрите), вибраторами Герца (смотрите), — вполне совпадают с перечисленными свойствами С., то есть распространяются с той же скоростью, поперечны и описываются ур-ием (3). На этом основании и по косвенным подтверждениям, получаемым из явлений взаимодействия С. и вещества, можно утверждать, что природа любых световых волн электромагнитная. При этом световой вектор, определяющий действия С. на вещество, есть вектор электрический, что доказано опытами со стоячими световыми волнами при фотохимическом действии (Винер) и при возбуждении флуоресценции (Друде и Нернст).

Изложенный комплекс свойств С. полностью охватывает все особенности законов его распространения. Совершенно иные свойства, не укладывающиеся в волновую схему, обнаруживаются в явлениях излучения и поглощения С. веществом. Действия С. и спектральные закономерности показывают, что энергия С., по крайней мере в момент излучения и поглощения, сосредоточена в нек-рых центрах, т. н. световых квантах, или фотонах, с энергией hv, где h — универсальная постоянная, равная 6,55 · 10—¹⁷ эрг-ск. Наиболее естественно предположение, что и распространение С. происходит в виде отдельных корпускул (фотонов), хотя эта гипотеза принципиально не м. б. вполне доказана на опыте, т. к. для экспериментального изучения особенностей распространения необходимо заставить С. действовать на вещество, то есть поглотиться. Попытки воздействовать С. на С., именно обнаружить столкновения фотонов при пересечении интенсивных свойств пучков, дали отрицательный результат. Фотоны либо совершенно свободно проникают друг через друга либо чрезвычайно малы (размеры менее 10-²⁰ см). Воздействия сильных электрич. и механич. полей на С. также не оказывают никакого заметного влияния на распространение С., то есть фотоны (если таковые существуют при распространении С.) не обладают заметными магнитными и электрическими моментами. Известные до сих пор свойства фотонов ограничиваются энергией hv и количеством движения-^-.

Предполагается также, что фотон обладает угловым моментом вращения, «спином», величины +. Ось спина направлена параллельно или антипараллельно движению фотона. То или иное направление определяет по этой гипотезе характер поляризации С. По Дираку плоско поляризованный свет состоит из фотонов, у которых вероятность параллельных и антипараллельных спинов одинакова. В эллиптически поляризованном С. вероятности спинов обоих типов различны. Раман рассматривает некоторые особенности поляризации при молекулярном рассеянном С. как экспериментальное доказательство существования спина фотонов. Доказательность этих опытов (в смысле однозначности) однако подвергается сомнению. Распределение фотонов в световом пучке—беспорядочно статистическое, как можно судить по флуктуациям действия в ионизационных камерах или при фотоэлектрическом эффекте достаточно жестких (рентгеновых) лучей при малой интенсивности. Порог периферии, зрения человеческого глаза соответствует в спектральной области максимальной чувствительности нескольким десяткам фотонов в ск. По утверждениям нек-рых наблюдателей при этом заметны наглаз флуктуации в интенсивности источника. «Если бы, — пишут Б. Барнес и М. Черни, — глаз был приблизительно в десять раз чувствительнее, чем он есть на самом деле, то флуктуации были бы столь отчетливыми, что С. наиболее слабых звезд казался бы капающим с неба и судьба корпускулярной теории С. была бы совершенно иной». Поглощаясь в веществе, фотоны увеличивают энергию и соответственно массу вещества, но вместе с тем прекращают свое существование в виде независимых единиц. Наоборот, при излучении С. энергия и масса вещества убывают и возникают фотоны. Затруднения в вопросе об источниках энергии солнца и звезд вынуждают предполагать, что составные частицы вещества, электроны и протоны, при некоторых неизвестных нам условиях внутри звезд могут полностью превращаться в фотоны, теряя заряд. Возможность превращений такого рода является впрочем совершенно гипотетической и не следует из теоретических соображений или из непосредственного опыта. Поскольку энергия фотона пропорциональна частоте v, квантовая структура С. резко проявляется на опыте только в жестких лучах с большими значениями v. В области радиоволн с незначительными частотами квантовое строение практически незаметно, но принципиально не подвергается никакому сомнению.

Теория С. Воззрения на природу С. и теория световых явлений непрерывно менялись по мере выяснения основных свойств С. Неизменность простых монохроматич. цветов при отражении, рассеянии и преломлении («атомизм» С.), прямолинейность распространения, отсутствие каких-либо прямых опытных доказательств существования механической среды (эфира) между небесными телами и возможность поляризации световых лучей («твердая» структура; являлись для Ньютона основой для развития корпускулярной теории С. Ньютон полагал С. состоящим из потока твердых, неизменных частиц, испытывающих внутренние периодич. изменения («приступы»). Теория Ньютона была развита в применении к широкому кругу оптич. явлений Бошковичем, Лапласом, Био и др. Изучение явлений двойного преломления в крист, интерференции и диффрак-ции привело, с другой стороны, Гука, Гюйгенса, Эйлера и позднее Юнга, Френеля и дру гих к развитью механической волновой упругой теории С. Почти до конца 19 в волновая упругая теория С. являлась господствующей, охватывая математически все основные известные тогда свойства С. и находя затруднения только в попытках построения механич. эфира, к-рый должен быть «твердым» (поперечные колебания) и вместе с тем чрезвычайно разреженным. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом и открытие электромагнитных волн Герцем, выяснившие не механическую, электромагнитную природу С., заставили перейти к развитью электромагнитной волновой теории, сохранившей свое значение в основном и до настоящего времени. Согласно этой теории С. является электромагнитным возмущением, распространяющимся в пространстве при изменениях электромагнитного состояния вещества. В основе теории лежат ур-ия поля Максвелла, которые для изотропной непроводящей среды с магнитной проницаемостью, равной 1,.и ди-электрич. постоянной ε имеют в векторной форме следующий вид:

, -1-Т· ® 9JE А тл 1 0/Г /_ч

rot и =-— ; rot Е =--—. (7)

с Οί ’ с dt

При отсутствии свободных электрических и магнитных зарядов кроме того

div Е=0; div Н=0. (8)

Уравнения Максвелла не выведены из каких либо более простых или механических представлений, они являются математической экстраполяцией законов электромагнетизма, оправдывающейся совпадением с опытом. Как указано выше, световым действующим вектором является электрический вектор Е. Для исключения магнитного вектора Н из уравнений (7) и (8) дифе-ренцируем первое ур-ие (7) по г и применяем операцию rot ко второму ур-ию (7):

32 Л ε 0*Е

rot

3(2

., „ i, ел-

rot rot Ε — — rot-д,-

c at

ел

Исключая rot-^τ-, получаем:

, -г, e 02 E

rot rot ,E=—

Воспользуемся векторным тождеством: rot rot E=— v^a-®“b 5з^га<1 div E,

(9)

(Ю)

Подставляя

(И)

где у² — оператор Лапласа 2 ^

X, У У Z

(10) и (8) в (9), находим:

« a#

V " С2 0i2 * то есть волновое ур-ие, совпадающее с ур-ием (3), являющимся математич. выражением эмпирич. законов распространения С. Сравнивая ур-ия

(11) и (3), находим, что скорость распространения возмущения в среде с с —— ·

V ε

Иначе, показатель преломления

η=е. (12)

Этот вывод теории Максвелла очевидно неверен, если считать е постоянной величиной, не зависящей от частоты С. Электронная теория вещества восполняет этот пробел формальной электромагнитной теории С. и дает на основании представления об элементарных электромагнитных резонаторах правильную зависимость ε от и (смотрите Дшперсия света). Иа уравнений (8) следует, что электромагнитные возмущения поперечны (смотрите Поляризация света), и т. о. теория Максвелла полностью описывает все особенности распространения С. Обобщение теории на случай распространения С. в движущихся системах дано теорией относительности, с развитием которой фактически прекратились дальнейшие попытки построения механич. теорий С. на основе представления об упругом эфире.

Квантовые свойства С., обнаружившиеся при изучении спектров и действий С., не объяснимы теорией Максвелла. Для создания единой теории С., обнимающей как законы распространения, так и процессы излучения и поглощения С., необходима новая квантовая электродинамика. Отсутствие таковой заставило наряду с волновым представлением о С. пользоваться во многих случаях видоизмененной корпускулярной теорией С. Помимо объяснения спектральных закономерностей и действий С. теория фотонов совместима с рядом явлений, которые ранее рассматривались как очевидное доказательство волновой природы С. При этом необходимо помимо квантовых соотношений пользоваться выводами теории относительности. Примером может служить классический опыт Фуко, доказавший, что вопреки корпускулярной механич. теории Ньютона скорость С. в веществе меньше, чем в пустоте. Если корпускула Ньютона с массой т и скоростью с падает под углом i на границу раздела пустоты и среды и, преломляясь под углом г, движется со скоростью и, то тангенциальная слагающая количества движения корпускулы должна остаться неизменной при переходе границы, откуда следует, что

.. sin i и тс sin i=mu sin г, то есть п=——=—

’ sin г с в противоречии с опытом Фуко. По теории световых квантов фотон между частицами вещества вообще не может двигаться со скоростью, отличной от с сохраняя при этом всегда свою энергию hv. Наблюдаемое замедление фотона должно толковаться как последовательные поглощения и излучения его частицами вещества. В результате при условии постоянства скорости между частицами фотон может только замедляться в общем продвижении. Другим примером корпускулярного объяснения как будто бы чисто волнового свойства С. служит эффект Допплера (смотрите Допплера эффект). Пусть частица вещества с массою то, двигавшаяся со скоростью V _L в направлении движения фотона hv₀, поглотила последний. При этом она испытывает со стороны фотона давление величины

— и соответственно меняет скорость до υ₂.

Применяя к этому процессу законы сохранения энергии и количества движения, найдем, опуская для упрощения релятивистские поправки:

. mt>? mvl

hv₀ + -7-=hv+,

— + mv₁ — mv₂.

Обозначим среднюю скорость -¹из обоих ур-ий найдем:

»0 - V _ Ό

Vl -4- Г>2 —

--=у, тогда то есть в первом приближении (при мало отличающихся скоростях и v.₂) формулу Допплера.

Применение формул теории относительности при этом выводе дает совершенно точное релятивистское выражение для эффекта Допплера.

В свое время одним из доказательств волновой теории С. считалось совпадение экспериментально определенной величины светового давления, равной для случая давления на черную пластинку -у (Е — энергия, падающая в

1 ск.) с вычисленной из теории волн. Для корпускул Ньютона давление, производимое частицами с массой т и скоростью с равно изменению количества движения:

Р=Nmc

{N — число частиц). Энергия частиц Е=^л’”^с2, откуда

Р =

2Е

то есть вдвое больше, чем получается на опыте. Применяя релятивистские формулы, можно и в этом случае получить правильный вывод. По теории относительности общая энергия частицы, движущейся со скоростью υ и имеющей покоящуюся массу то₀,

АгпосЗ

Е =

i -.

С другой стороны, количество движения

Р _ Nmpv

V>-i

Вставляя выражение Р в формулу для Е и полагая в пределе υ — с находим

Р=^

с в согласии с опытом.

Присоединение к представлениям о фотонах законов квантовой механики (в форме Бора) позволяет в простейших случаях подойти и к формальному объяснению явлений диффрак-ции. Пусть на диффракционную решетку с постоянной а падает под углом а фотон hv, рассеиваясь под углом β. Ударяясь о решетку, фотон сообщает ей нек-рое количество движения. Решетка с массой М приобретает скорость V. В соответствии с основным постулатом Бора (смотрите Кванты) момент количества движения системы, имеющей периодич. структуру с периодом а (диффракционная решетка), должен подчиняться квантовому условию а

j Mv dl=/с/г,

где к — целое число. Напишем закон сохранения количества движения для его тангенциальной компоненты:

-ί- sin α= Mv + у sin β

(ничтожным изменением λ при рассеянии пренебрегаем). Пользуясь постулатом Бора, находим отсюда

a (sin а — sin β)=к λ,

то есть обычную формулу диффракционной решетки.

Это формальное объяснение диффракции, равно как все представления о фотонах, вынуждает к интерпретации основного ур-ия распространения (3) или (11) как закона статистического, справедливого только при одновременном действии очень большого числа фотонов. В каждый данный момент волновая концепция можно сказать и выполняется и нарушается: она выполняется потому, что фотон попадает только в места, разрешаемые теорией волн, то есть уравнением (3), она нарушается потому, что вопреки уравнению (3) фотон пе может одновременно попасть во все места диффракционной картины. Эта картина создается только постепенно, частями, за большой промежуток времени, в результате действия огромного числа фотонов. Интерпретация световой функции как вектора электрической напряженности также становится обоснованной только для большого числа фотонов. Электрическое и магнитное поля соответствуют в физике вакуума примерно тому же, что упругость и скорость течения в физике газа. Если в рассматриваемом газовом объёме имеется огромное количество молекул, то газ можно считать упругой непрерывной средой и говорить об ее упругости и потоке. В более точной теории обе величины становятся только вспомогательными средствами статистического расчета огромного числа элементарных молекулярных процессов. Они теряют смысл для отдельной молекулы. Точно так же электрическое и магнитное поля могут считаться непрерывными только при наличии в объёме огромного числа (фотонов. В более точной теории будущего эти поля должны приобрести значение только статистических величин; они теряют всякий смысл для отдельного фотона (Г. Ми).

Если волновая теория С. встречает непреодолимые затруднения при объяснении квантовых свойств С., то теория фотонов связана с неменьшими трудностями при попытке пространственно-временного каузального понимания явлений интерференции. Рассмотрим простейший интерференционный опыт с двумя щелями, из которых выходят когерентные лучи, дающие, например в области встречи, темную полосу. Этот опыт удается при чрезвычайно слабых интенсивностях света: применяя фотографирование, можно получить интерференционные полосы при падении в среднем одного фотона в ск. на фотографическую пластинку. Вероятность встречи двух фотонов исчезающе мала: каждый фотон проходит фактически всегда в отсутствии другого. Между тем если одну щель закрыть, то интерференция исчезает. Формально явление интерпретируется так: при закрытии одной из щелей «волна вероятности», соответствующая закону статистики фотонов, меняется, направляя фотон в прежнее темное место; при обеих открытых щелях в это место не попадает ни одного кванта. Трудность этого формализма состоит в том, что, представляя С. состоящим из фотонов, в которых сосредоточены все свойства С., нельзя понять, каким образом изменение чего-то, не связанного с фотоном и не действующего на него, может вызвать изменение его движения; «волна вероятности» играет в этой формальной картине роль нематериального агента.

Невозможность создания последовательной, до конца исчерпывающей свойства С. теории на основе представления о волнах или корпускулах явилась стимулом построения новой волновой квантовой механики (смотрите Механика квантовая). Открытие электронных и атомных волн дало прочную базу новой теории и обобщило двойственность корпускулярных и волновых свойств и на вещество. Новая теория отказывается от наглядного представления о волнах и корпускулах, сливая их в единой слит ной сущности, не поддающейся в общем модельной конкретизации. В частном случае невозмущенного движения материи приближенно можно представлять себе частицы как «волновые пакеты», то есть как результат интерференции волн несколько отличающейся длины, распространяющихся с различными скоростями. Скорость движения частиц при этом соответствует групповой скорости волн. Последовательное проведение этого образа однако не удается. Математическая теория света, основанная на принципах новой квантовой механики (Дирак), построена по следующей схеме. Вещество и С. рассматриваются как единая система, энергия которой состоит из трех частей: энергии вещества, энергии электром; гшггного поля и энергии связи вещества и поля. Для этой системы, заключенной для упрощения задачи в некоторую конечную полость, составляется функция Гамильтона, при помощи которой получаются ур-ия Гамильтона для данной системы, аналогичные ур-иям Гамильтона классической механики. Далее производится переход от «лучевого» ур-ия Гамильтона к квантовому волновому уравнению, аналогичный такому же переходу в теории Шредингера (смотрите Механика квантовая). Получающееся уравнение заменяет уравнение (11) классич. теории Максвелла и охватывает в основном все известные свойства С. в соответствии с тем, что при выводе использованы как волновые, так и квантовые законы. Теория Дирака связана однако с непреодоленными до сих пор трудностями, касающимися структуры электрона; для собственной энергии электрона получаются бесконечно большие значения. Эти затруднения до некоторой степени обходятся установлением соответствия классических и квантовых выводов при применении дираковс.кого метода квантования поля.

Взаимодействия вещества и С. Вещество оказывает различные влияния на распространение света, меняя его направление, скорость, состояние поляризации и частоту. Формальная теория Максвелла, характеризующая вещество только материальными константами (диэлектрической постоянной и проводимостью), не в состоянии объяснить этих влияний или же объясняет их только вплоть до нек-рых постоянных, остающихся в теории нерасшифрованными. Электронная теория вещества, даже в ее наиболее общем, не детализированном виде, в сочетании с электромагнитной теорией све- та значительно расширяет круг явлений, поддающихся классич. объяснению (смотрите Отражение света, Диверсия света, Вращение плоскости поляризации, Поляризация света, Рассеяние света). Основой этого объяснения является представление об элементарных электромагнитных резонаторах, из которых построено вещество, взаимодействующее со световыми волнами. Квантовые свойства вещества и С. ограничивают однако точность выводов классической теории С. и в этой области. Это проявляется особенно отчетливо в явлениях рассеяния С. и при расчете констант, характеризующих распространение С. в веществе. Наиболее резко квантовые свойства С. проявляются однако в его действиях на вещество. Виды действий С. могут быть различными в зависимости от конгломерата вещества, на к-рый действие производится. Элементарные частицы (электроны и протоны) могут испытывать только механич. действие — световое давление. Величина этого давления определяется количеством движения

Т. Э. т. XX.

фотона у, что экспериментально подтверждается т. наз. эффектом Комптона (смотрите Рассеяние света). Более сложные образования вещества (ядра и атомы) могут испытывать и другие действия С. помимо механич. давления. Поглощаясь в атоме или ядре, фотон прекращает свое существование как таковой, увеличивая энергию системы, то есть производя в ней изменение. Это изменение может выразиться некоторой перегруппировкой частей атома, т. н. возбуждением. Возбужденный атом, даже изолированный от других, обычно пребывает в этом состоянии только конечное время, по истечении которого он спонтанно возвращается в нормальное состояние, возрождая фотон в виде излучаемого С. (смотрите Люминесценция). Энергия возбуждения м. б. также отнята при столкновениях с другими атомами, превращаясь в тепловую, кинетическую энергию («удары второго рода») или в энергию возбуждения других атомов. Если энергия фотона достаточно велика, возбуждение сопровождается вылетом электрона за пределы атома, происходит фотоионизация, или фотоэлектрический эффект. Наиболее характерной особенностью фотоэлектрического эффекта является независимость скорости Вылетающего электрона от интенсивности света; эта скорость определяется только энергией фотона и связями электрона в атоме. Молекулы вещества при поглощении фотона помимо давления света, возбуждения и фотоионизации могут химически распадаться на составные части: происходит фотодиссоциация (смотрите Фотохимия). Закон фотодиссоциации снова определяется квантовыми свойствами С. Если фотодиссоциация происходит, то на каждый поглощенный фотон приходится одна распавшаяся молекула (закон Эйнштейна). Более сложные агрегаты вещества (коллоидальные мицеллы, целые кристаллы) могут вероятно также при поглощении фотонов претерпевать своеобразные изменения как целое. Наряду со световым давлением, возбуждением, фотоэффектом и фотохимия. процессами в таких агрегатах иногда наблюдаются изменения под действием С., характерные для всей системы (возникновение анизотропии при освещении поляризованным С., дихроизм, оптич. активность при освещении кругополяризованным С.). Эти явления, открытые Вейгертом, теоретически еще недостаточно выяснены. Световое давление, оказываемое на большой агрегат молекул,

в согласии и с теорией фотонов и с теорией волн. Классич. теория, равно как и теория фотонов, предусматривает кроме того пондермо-торное действие С., связанное с моментом вращения в кругополяризованном луче. Такой луч, падая на зеркало, должен сообщить ему момент вращения (эффект Садовского). Явление в виду его малости до сих пор не обнаружено.

Возникновение С. По классич. электромагнитной схеме С. возникает при ускорении движения электрич. заряда. Энергия, излучаемая зарядом е в единицу времени, в первом приближении равна

- ^е2 I ^dv ²

3 _С2 [dtl

Классич. теория дает при этом определенный ответ относительно всех свойств излучаемого С., его спектрального состава, поляризации,

амплитуд и фаз. В теории квантов частоты излучаемого С. определяются условием частот Бора:

где 2?!, Е2 — энергия в начальном и конечном состоянии излучающей системы. Теория атома новой квантовой механики определяет также вероятности излучения фотонов (соответственно амплитудам классич. теории), поляризацию и ширину излучаемых спектральных линий (смотрите Спектры). В условиях внешних магнитных и электрич. полей состояние элементарных систем вещества изменяется, что сопровождается изменениями свойств излучаемого С. (смотрите Маг-нетооптика и Электрооптика).

Лит.: Общие курсы оптики и справочники.×в о л ь-с о и О., Курс физики, т. 2 и 5, Берлин, 1923; Muller, Pouillets Lehrhuch der Physik, 11 Auflage, В. 2, T. 3, Brschw., 1929; Born M., Optik, В., 1933; Bruclut G., Cours d’optique, B., 1931; Forsterling K., Lehrbuch d. Optik, Lpz., 1928; Wood R., Physical Optics, N. Y., 1921; Preston T., The Theory of Light, 4 ed., L., 1912; Handbuch d. Physik, hrsg. v. H. Geiger u. K. Scheel, B. 20, 21, B., 1928—29; Handbuch d. Experimentalphysik, hrsg. v, W. Wien u. F. Harms, B. 18, Lpz., 1928; Schuster A., An Introduction to the Theory of Optics, L., 1909; D r u d e P., Lehrbuch d. Optik, 3 Aufl., Lpz., 1912; L a f а у M., Cours de physique, t. 2, P., 1931. Теория С.; H ь ю то н И., Оптика, пер. с англ., М.—Л. 1927; Дирак П., Основы квантовой механики, Л.—М., 1932; Fresnel А., Оеш-res; L о г e n t z Н., The Theory of Electrons, Lpz., 1916; Maxwell I. C., Scientific Papers, Cambridge, 1890;. Poincari H., Mathematische Theorie des Liehtes, В., 1894; Neumann.I., Mathematische Grundlagen d. Quan-tenmechanik, B., 1932; Rosenfeld L., La thdorie quantique des champs, «Annales de l’Institut H. Poincare», 1932, v. 2, fascicule 1, p. 25; R о s e n f e 1 d L., Ueber die quantentheorische Behandlung d. Strahlungsprobleme, «Convegno di fisica nucleare», Roma, 1931. С. Вавилов.