Жарықтың табиғаты. Жарықтың толқындық және корпускулалық теорияларының дамуы. Табиғатта әртүрлі жарық құбылыстары болып жатады. Мысалы, кемпірқосақ, таң шапағы, сабын көпіршігіне күн сәулесі түскенде байқалатын құлпырған қызыл-жасылды жолақтар, бетіне мұнай тамған көлшік судың көгілдір-күлгін түсі — осылардың бәрі жарық құбылыстары.
Оптикалық құбылыстардың негізгі заңдары ерте заманнан-ақ белгілі. Мысалы, жарықтың түзу сызық бойымен таралуы және оның шағылу, сыну заңдарын (б.э.д. 430 жылы) Платон ашқан болатын. Жарықтың мөлдір екі ортаның шекарасында сыну құбылысы ертедегі грек ғалымдары Аристотель (б.з.д. 350 жылы) мен Птоломейге (70-147 жылы) белгілі болған. Сөйтіп жарықтың түзу сызықпен таралуы, сол сияқты оның шағылу және сыну заңдары оптиканың негізгі заңдары болып есептеледі. Осы заңдылықтарды және оптикалық көптеген құбылыстарды жете түсіну үшін жарықтың табиғаты туралы белгілі бір пікірлер болуы тиіс. Осындай пікірлерді кезінде ерте замандағы ғалымдар да айтқан болатын. Бертін келе ғылымның дамуына сәйкес жарықтың табиғаты туралы ой-пікірлер де дамып, өзгеріп отырды.
Енді осы жарық теорияларының біразына тоқталып өтейік. XVII ғасырдың аяқ кезінде жарықтың табиғаты туралы екі түрлі ғылыми түсінік болды. Олардың біреуі — жарықтың толқындық теориясы да, екіншісі жарықтың корпускулалық теориясы.
Жарықтың корпускулалық теориясын тұжырымды етіп баяндаған ағылшын ғалымы И. Ньютон (1672) болды. Бұл теория бойынша, жарың дегеніміз — жарқырауық денелерден ұшып шыққан жарық бөлшектерінің ағыны (корпускула — бөлшек деген ұғым), яғни жарық бөлшектері инерция заңына ұқсас түзу бойымен таралады. Яғни, айнаға түскен жарық бөлшектерінің шағылу бұрышы түсу бұрышына тең. Екі мөлдір ортаның шекарасында жарықтың сыну себебі — жарық бөлшектері екі ортаның бөлшектеріне тартылады, соның салдарынан бірінші ортадан екінші ортаға өткенде жарық бөлшектерінің жылдамдығы өзгереді, сонда бірінші ортаға қарағанда екінші орта тығыздау болса, жарық бөлшектерінің жылдамдығы артады. Корпускулалық теория бойынша жарықтың сыну көрсеткіші (п) жарықтың екінші ортадағы жылдамдығының (v) бірінші ортадағы жылдамдығымен (с) қатынасына тең, яғни:
мұндағы: v — жарықтың белгілі бір ортадағы таралу жылдамдығы, с — жарықтың вакуумдағы таралу жылдамдығы, sin і — түсу бұрышының синусы, sin i2 — сыну бұрышының синусы. Мысалы, жарық ауадан суға өткенде сыну көрсеткіші 1,33, яғни 1 -ден артық екендігі тәжірибеден мәлім. Демек Ньютонның жарықтың сыну көрсеткіші жайындағы қорытындысы дұрыс емес. Осылайша бұл теория жарықтың табиғатын толық түсіндіре алмады. Сондықтан голланд ғалымы X. Гюйгенс (1678 жылы) жарық құбылыстарын түсіндіретіндей жарықтың толқындық теориясын ұсынды. Бұл теория бойынша жарық дегеніміз — ерекше серпімді ортада, яғни эфирде таралатын толқындық процесс. Гюйгенстің пікірінше, жарық дыбысқа ұқсас сфералық беттер және толқындар түрінде таралады, сөйтіп жарық толқындары эфирде таралатын механикалық серпімді тербелістер болып табылады. Бұдан Гюйгенс принципі деп аталатын мынадай қорытынды шығады. Толқындық бет жеткен ортаның әрбір нүктесі элементар толқындардың дербес көзі болады, сол элементар толқындарды ораушы бет жаңа толқындық беттің орнын көрсетеді. Толқындық беттерге тік жүргізілген түзулер жарық таралатын бағытты көрсетеді. Осы толқындық теория бойынша, тығыздығы аздау ортадан тығыздығы көбірек ортаға өткенде жарық жылдамдығы кемиді, яғни тығыздығы көбірек ортаның сыну көрсеткіші n=c/v тең болғандығы тәжірибеден анықталды. Сонымен, жарықтың сыну көрсеткішінің мазмүнын толқындық теория дүрыс түсіндіргенмен, жарықтың түзу сызық бойымен таралу заңдылығын түсіндіре алмады. XVII ғасыр бойы жарықтың корпускулалық жэне толқындық теорияларының арасындағы тартыс тоқталмады. XIX ғасырдың бас кезінде ғана толқындық теория үстем бола бастаты. Себебі Ж. Фуко (1819-1968) бірінші рет жарықтың судағы таралу жылдамдығын өлшеп, толқындық теорияның дұрыстығын растады. Сол сияқты ағылшын физигі Т. Юнг (1773-1829) жарықтағы интерференция құбылысы туралы жаңа пікірлер айтты. Юнг бұл құбылысты жарық толқындарының бір-бірімен қосылуынан деп ұқты, ол жұқа пластиналардың бетінде байқалатын әр түсті дөңгелекшелердің, яғни Ньютон сақиналарының пайда болуын осы тұрғыдан қарастырады. Сөйтіп бірінші рет интерференция әдісін пайдаланып, көрінетін сэулелер толқындарының ұзындығын өлшеді.
Француз физигі О. Френель (1788-1827) Гюйгенстің прин-ципіне элементар толқындардың интерференциялану принципін қосты. Осыдан Гюйгенс-Френель принципі шықты. Осы Гюйгенс-Френель принципі негізінде жарьщтың дифракция құбылысы тереңірек дұрыс түсіндіріледі. Ал француз физигі 3. Малюс (1809 жылы) жарықтың поляризация құбылысын байқады. Сөйтіп жарық ерекше серпімді ортада — эфирде көлденең тербелістер түрінде таралады деген корытынды жасады.
XIX ғасырдың 70-ші жылдарында ағылшын физигі Дж. Максвелл электромагниттік құбылыстардың теориясын дамыта келіп, айнымалы электромагниттік өріс кеңістікте бір орында тұрмай, барлық жаққа таралатындығын дәлелдеді. Оның вакуумда таралу жылдамдығы токтың электромагниттік өлшеу бірлігінің электростатикалық бірлігімен қатынасына тең екендігін тағайындайды, яғни:
мұндағы: с — жарықтың вакуумдағы таралу жылдамдығы, e -диэлектрлік өтімділігі, u — магнит өтімділігі, v — электромагниттік толқындардың ортада таралу жылдамдығы. Сөйтіп осы қатынас заттың оптикалық, электрлік және магниттік тұрақтылықтарын байланыстырады. Сонымен, Максвелл электромагниттік толқын мен жарықтың табиғаты бір, яғни жарық дегеніміз — электромагниттік толқындардың дербес түрі деген корытынды жасады. Ал неміс физигі Г. Герц (1888 жылы) тәжірибе жасап, электромагниттік толқындар мен жарықтың негізгі қасиеттерінің ұқсас екендігін дәлелдеді. Бірақ бұл теория жарықтың затта таралу ерекшеліктерін, яғни заттың жарық сыну көрсеткішінің жарық толқынының ұзындығына тәуелділігін түсіндіре алмады, бірақ бұл мәселені 1896 жылы электрондық теорияға сүйене отырып Г. Лоренц түсіндірді.
Атақты неміс физигі М. Планк (1858-1947) 1900 жылы абсолют қара дененің сәуле шығару заңын қорытып шығарды, яғни жарық шығаратын осцилляторлар тербелгенде, сәулелік энергия мөлшері үздік-үздік порция (үлесі) түрінде шығады деді. Энергияның осындай үлесі квант деп аталады. Мұны мына қатынас арқылы өрнектеп жазуға болады:
Осы энергия кванттары жалпы физикаға үлкен өзгеріс енгізіп, бұрын түсініксіз болған құбылыстарды кванттық теория негізінде түсіндірді. Эйнштейн жарық дегеніміз — кванттар ағыны деп жорыды. Жарық кванттары қазіргі уақытта фотондар деп аталады да, фотондар ағыны болып есептеледі. Осындай теорияны жарықтың фотондық теориясы деп атайды. Сонымен, жарықтың эрі толқындық, әрі корпускулалық қасиеттері бар, жарық табиғатының екі жақтылығы шығады. Осындай көзқарасты белгілі француз физигі Луй де-Бройль (1924 жылы) үсынды. Жарықтың осындай екі жақтылы қасиеттері заттың элементар бөлшектеріне де тән. Қорыта келе, жарық материяның бір формасы да, онда материяның барлық негізгі қасиеттері болады.
Жарық толқындарының интерференциясы. Жарықтың толқындық табиғаты интерференция құбылысы арқылы түсіндіріледі. Мысалы, сабын көпіршігіне, суға тамған мүнай кілегейіне күн сәулесі түскенде, олардың беттері қызылды-жасылды болып қүлпырып түрады. Мұндай жолақтардың түрлі түсті болуы көпіршік пен сүйыққа ак жарық түскендіктен болады. Яғни, жүқа пленканың (қабыршық) бетіне монохромат (бір түсті) жарық түссе, онда аралары күңгірт жолақпен бөлінген бір түсті жолақтар байқалып, олардың жарықталынуы бірдей болмайды. Олай болса, осындай ашық жэне күңгірт жолақтардың пайда болуы — жүқа пленка беттерінен шағылған жарық толқындары бірімен-бірі қосылысқанда, олардың бірін-бірі күшейту немесе әлсірету себебінен болады. Бұл құбылыс жарықтың интерференциясы деп аталады. Интерференция құбылысы жарық толқындарымен қатар, дыбыс толқындары мен электромагниттік толқындарға да тән қасиет.
Егер бірнеше толқындардың фазалары бірдей болса, онда мұндай толқындар бірін-бірі күшейтеді де, ал фазалары қарама-қарсы болса, онда толқындар бірін-бірі әлсіретеді. Осындай интерференциялық көріністер байқалу үшін кеңістіктің әрбір нүктесінде қосылатын толқындар фазаларының айырымы бақылау кезінде өзгермей, тұрақты болуы керек. Сондықтан фазалар айырымы уақытқа байланысты өзгермейтін толқындар когерентті толқындар деп аталады. Осындай толқындар шығаратын көздер когерентті көздер болып есептелінеді.
Егер берілген бір нүктеге жетіп қосылған жарық толқын-дарының фазалар айырымы бақылау кезінде түрақты болса, онда осы нүктедегі күрделі тербеліс амплитудасының мәні үлкен, жарықталыну зор, ал амплитуданың мәні кіші болса, жарықталыну нашар болады. Сөйтіп бақылау нүктесінде интерференциялық көріністер байқалады. Бұдан шығатын қорытынды тек когерентті жарық толқындары ғана интерференциялық көріністер бере алады. Ал табиғатта когерентті жарық толқындарының болуын бір қосақ жарық толқынының екіге айырылуы нәтижесінде пайда болуынан байқауға болады.
Сонымен, жарық толқындарының интерференциялық шарттарына олардың жиіліктерінің бірдей жэне фазалар айырымының уақытқа байланысты түрақты болуы жатады. Осындай шарттарды тек монохроматты жарық толқындары ғана қанағаттандырады. Жарық толқындарының таралу бағытын белгілі бір сәуле арқылы кескіндеп көрсетуге болады. Сондықтан бұдан былай сәуле бағыттарын толқынның таралу бағыты деп түсіну керек.