Опыты Френеля и Араго и их значение для упругой теории света

Интерференция двух когерентных волн осуществляется наиболее эффективно в том случае, когда направления колебаний во взаимодействующих пучках совпадают. Мы видели также, что метод Френеля получения двух когерентных пучков обеспечивает в обычных интерференционных опытах сохранение состояния поляризации интерферирующих волн.

Возможность получения световых волн, поляризованных в любой плоскости, позволяет поставить вопрос о взаимодействии вол, колебания которых взаимно перпендикулярны. Основные опыты в этом направлении были выполнены Араго и Френелем (1816г.). Они показали, что если в обычном интерференционном опыте на пути двух интерферирующих пучков поставить поляризационные устройства, обеспечивающие их взаимно перпендикулярную поляризацию, то интерференция наблюдаться не будет. Но, если повернуть одно из этих поляризационных устройств на 90°, в результате чего направления колебаний в обоих пучках совпадут, то интерференционная картина будет хорошо выявляться и мы увидим обычное распределение максимумов и минимумов. Интерференционные полосы видны и при промежуточных ориентациях поляризаторов, но с меньшей видимостью.

Опыт, аналогичный проделанному Френелем и Араго, можно осуществить следующим образом. В интерферирующие, одинаково поляризованные пучки введем дополнительные поляроиды N₁ и N₂. Если N₁ и N₂ ориентированы так, что выделенные ими направления колебаний в обоих пучках совпадают, то наблюдается обычная интерференционная картина. Если же один из поляроидов повернуть на 90°, то поле зрения станет однородным и никаких следов чередования интенсивностей наблюдаться не будет. Интерференционная картина восстановится, если второй поляроид также повернуть на 90°.

Историческое значение опытов такого типа весьма велико. Они показали, что при наложении двух когерентных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей налагающихся волн. Но при сложении колебаний это имеет место, только если колебания строго перпендикулярны. Действительно, только тогда А² = а²+ b² (А — амплитуда результирующего, а а и b — амплитуды налагающихся колебаний). Таким образом, из опытов Френеля и Араго следует, что в случае световых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, световые колебания строго перпендикулярны друг к другу. Это означает, что в световой волне полностью отсутствует продольная компонента. Такой вывод, естественный в рамках электромагнитной теории света, был сделан в свое время Юнгом и Френелем еще в рамках упругой теории света, но приводил тогда к очень серьезным трудностям. Предположения о существовании материальной среды, в которой возможно распространение строго поперечных колебаний и невозможно распространение продольных колебаний, несовместимы с представлением об обычной упругой среде (даже твердой), что заставило для понимания законов отражения и преломления света сделать допущения относительно граничных условий, несовместимые с механикой обычных сред.

Несмотря на указанную трудность, эти опыты и многочисленные экспериментально подтвержденные следствия, которые из них извлек Френель, заставили признать поперечность световых волн.