Открытие поляризации через отражение

Эразм Бартолин первый доказал существование двойного преломления в ирландском кристалле, обычно называемом известковым шпатом или кислоугольной ромбоидальной известью. Гюйгенс занимался этим явлением и нашел весьма простой и изящный геометрический способ для определения направлений необыкновенного луча при всех его положениях относительно луча, определяемого по закону Декарта и называемого обыкновенным. Гюйгенс основал свой способ на рассуждениях, заимствованных из теории волн и предварил о том своих читателей.

Рассуждение Малюса от 12 декабря 1808 г. имело следующее заглавие: Записка о свойстве света, отражаемого прозрачными телами. Докладчик об ее достоинстве, Лагранж, хотел, чтобы строение Гюйгенса считалось следствием одного опыта. Но не выходит ли из пределов недоброжелательство к теории, когда оно внушает притворство или уничтожает откровенность?

Ньютон также потребовал заменить решение Гюйгенса новыми правилами. Но они оказались несообразными с явлениями.

Из новых наблюдателей Волластон первый подтвердил истину оснований голландского ученого. Для этой проверки он употребил весьма остроумный способ, посредством которого он нашел показатель преломления, наблюдая полное отражение. Кажется, в 1808 г. академия наук не считала удовлетворительными все такие проверки, потому что она сделала вопрос предметом конкурса. Как бы то ни было, геометрическое строение Гюйгенса Малюс привел в алгебраические формулы; отклонение необыкновенных лучей, выведенное из этих формул, он сравнивал с числами, полученными из тончайших опытов, и всегда видел совершенное согласие. Таким образом, геометрическое решение Гюйгенса совершенно утверждено, хотя оно сперва было основано только на теоретических соображениях.

Луч света разделяется на два луча одинаковой силы, какое бы ни было положение исландского кристалла. Но бывает совсем другое, когда лучи, вышедшие из одного кристалла, разлагаются другим, совершенно сходным с первым. Если второй кристалл относительно первого имеет такое положение, что их одноименные стороны бывают параллельны, то обыкновенный луч претерпевает одно обыкновенное преломление, а необыкновенный остается и выходит лучом необыкновенным. Таким образом, естественный луч, проходя первый кристалл, меняется в своих свойствах. Действительно, если бы естественный луч, раздвоясь, сохранял свои первоначальные свойства, то каждый из лучей, обыкновенный и необыкновенный, опять разделились бы на два луча, проходя через второй кристалл, и после этого второго перехода получались бы четыре изображения одного и того же предмета. При этом явлении прежде всего приходит на ум предположение, что естественный луч состоит из частей, из которых одна способна для преломления обыкновенного, а другая, равная первой, для преломления необыкновенного. Но это предположение уничтожается самым простым опытом: поверните второй кристалл на четверть оборота, не меняя его параллельности с первым кристаллом: увидите, что обыкновенный луч станет необыкновенным, необыкновенный же преломится по общему закону.

Итак, обыкновенный и необыкновенный лучи выходят из первого кристалла с одинаковыми свойствами, и чтобы обнаружить в них эти свойства, надо только один из них повернуть на 90° вокруг его самого или около линии его распространения. Таким образом, двойное преломление открывает в лучах света стороны, имеющие различные свойства. Таким образом, наблюдение научило нас, что необыкновенный луч, выходя из исландского кристалла, получает свойство обыкновенного луча, если заставим его сделать четверть оборота вокруг него самого.

Если вспомнить, что лучи света так тонки, что если сквозь скважину, сделанную концом иглы, их проходят миллиарды, не мешая один другому, то любой разумный человек не может не удивиться описанному явлению, открытому Гюйгенсом. Два пучка лучей, выходящих из исландского кристалла со сторонами различных свойств, называются поляризованными в противоположность лучам естественным, имеющим одинаковые свойства на всех своих сторонах, потому что они разделяются на две части одной силы, какое бы положение не имел исландский кристалл.

Я объяснил, в каком положении должен быть второй кристалл, чтобы обыкновенные и необыкновенные лучи, выходящие из первого, сохранили свои наименования. Во всех промежуточных положениях второго кристалла обыкновенные и необыкновенные лучи вообще разделяются на два луча, но уже весьма различных сил.

Таково было состояние наших знаний в самой трудной части оптики, когда в один день в своем доме на улице Анфер Малюс посмотрел сквозь кристалл с двойным преломлением на солнечные лучи, отражаемые стеклами Люксембурга. Вместо двух равносильных изображений он, меняя положение своего глаза, видел только одно — то обыкновенное, то необыкновенное. Это странное явление сильно поразило нашего товарища. Он пытался объяснить его частыми переменами солнечного света в атмосфере. Но с наступлением ночи Малюс направил свет восковой свечи на поверхность воды под углом 36° и посредством своего кристалла удостоверился, что отраженный свет был поляризован так же, как этим самым кристаллом. То же самое он получил, когда свет падал на стеклянное зеркало под углом 35°. С этой минуты было доказано, что не одно двойное преломление может поляризовать свет или не одно двойное преломление заставляет свет терять его способность постоянно разделяться на две части, проходя через исландский кристалл. До сих пор никто не подозревал, чтоб отражение от прозрачных тел имело свойства упомянутого кристалла. Но Малюс не остановился в начале своего открытия: он одновременно направил обыкновенный и необыкновенный лучи на поверхность воды и заметил, что при наклоне под углом 36° эти лучи отражаются неодинаково.

Когда часть обыкновенного луча отражается, необыкновенный луч весь проходит через жидкость. И наоборот: когда при известном положении кристалла относительно плоскости, в которой происходит отражение, отражается часть необыкновенного луча, уничтожается отражение луча обыкновенного.

Таким образом, отражение стало свойством отличать одни лучи от других, поляризованных в различных направлениях. В ту ночь, которая следовала за случайными наблюдениями над люксембургскими окнами, Малюс положил основание одной из важнейших частей новейшей оптики и заслужил неоспоримое право на бессмертную славу.

Я бы вышел из пределов биографии, если бы поместил в ней все наблюдения Малюса над прямыми и отраженными лучами, в которых является поляризация. Но, чтобы приготовить читателя к уразумению весьма любопытного явления, замеченного Малюсом в 1811 г., не могу не объяснить, что́ понимают под лучом частнополяризованным.

Естественный луч света всегда дает два равносильных изображения, какое бы положение относительно него не имела сторона кристалла, но луч вполне поляризованный дает только одно изображение в двух ее особенных положениях. Луч частнополяризованный имеет как бы средние свойства между естественным лучом и лучом вполне поляризованным: он дает два изображения, но их сила меняется с положением разлагающего кристалла.

Лучи, отраженные от воды и стекла под теми углами, которые более или менее угла полной поляризации, поляризуются частно и тем более, чем угол их наклонения к отражающей поверхности более приближается к 35 или 36°.

Малюсу казалось, что от металлов отражаются лучи неполяризованные, даже неполяризованные частно, но эта ошибка была впоследствии исправлена.

После своих первых исследований Малюс думал, что после двойного преломления отражение от некоторых и темных веществ есть единственное средство для поляризования света. Но в конце 1809 г. его понятия об этом предмете расширились. Из опытов он узнал, что в свете, проходящем через стекло под некоторыми наклонениями, обнаруживаются следы частной поляризации, и что свет, пройдя через многие сложенные сгибом стекла, поляризуется вполне. При этом он заметил, что поляризация сквозь стекла обратна той, которая происходит при отражении: когда отражение дает луч, сходный с обыкновенным, производимым кристаллом при известном его положении, поляризация через стекла дает луч, сходный с необыкновенным от того же самого кристалла.

Здесь я не могу входить в подробности ни о весьма любопытных следствиях, выведенных Малюсом из его опытов, ни об усовершенствовании самих опытов, скажу только, что если когда-нибудь найдут вещество, которое при угле полной поляризации через отражение отражает половину упавшего на него света, то свет, прошедший через одну его пластинку, также вполне поляризуется. Итак, для полной поляризации через преломление нет необходимости употреблять стеклянный столб Малюса: для этого достаточно одной пластинки.

После опытов Гюйгенса над двойным преломлением исландского кристалла и горного хрусталя минералоги открыли в природе множество кристаллов, производящих двойное преломление, но нельзя прямо узнать, что такой-то кристалл принадлежит к этой категории: надо сперва сделать из него призму и посмотреть через две ее стороны на весьма малый предмет, например, на точку, сделанную иглой. В 1811 г. один член нашей академии (Араго) показал, что можно обойтись без этого весьма затруднительного опыта. Таким образом он доказал, что многие листочки слюды производят двойное преломление. Этим результатам, полученным его другом, Малюс сообщил всеобщность в сочинении под названием «Об оси отражения кристаллов и органических веществ», прочитанном в академии 19 августа 1811 г.