Маріо Льоцці
Коли в 1830 р. ірландець Вільям Роуа Гамільтон (1805-1865) почав займатися оптикою, хвильова теорія світла ще не була загальноприйнятою. Пуассон був ще послідовником корпускулярної теорії. Біо, самий консервативний з великих фізиків XIX століття, залишився вірним їй до самої смерті, в 1862 р. Брюстер хвильової теорії не брав, оскільки вважав неможливим приписувати творцю "настільки грубу ідею, як заповнення всього простору ефіром для того, щоб створити світло" . Важко повірити, але і Араго, згідно зі свідоцтвом Верде, заявив в 1851 р., що не може більше слідувати ідеям Френеля з тих пір, як той став говорити про поперечних коливаннях ефіру.
У цих умовах Гамільтон задався метою створити формальну теорію відомих оптичних явищ, яка була б прийнятна як з точки зору хвильової інтерпретації, так і з точки зору корпускулярної, і була б побудована за зразком принципу найменшої дії. Гамільтон заявив, що ставить перед собою мету - створити формальну теорію оптичних явищ, яка мала б таку саму "красою, ефективністю і гармонією", як аналітична механіка Лагранжа. Згідно Гамільтону, ми можемо розглядати закони поширення світлових променів самі по собі, незалежно від пояснюють їх теорій і прийти таким чином до "математичної оптиці". Більше того, йдучи цим шляхом, Гамільтон вивів звідси цілу науково-філософську доктрину. В еволюції кожної науки Гамільтон розрізняє дві стадії: у першій вчений сходить від окремих фактів до законів, користуючись індукцією і аналізом, у другій він від законів сходить до наслідків, користуючись дедукцією і синтезом. Іншими словами, людина збирає і групує окремі явища до тих пір, поки наукове уява не дасть йому можливість розкрити внутрішні закони, що дозволяють піднятися до розуміння єдності всього розмаїття. Після цього з єдності людина знову отримує різноманітність, проникаючи за допомогою відкритих законів у майбутнє.
У цьому полягає метод Гамільтона. Він зауважує, що принцип найменшої дії, хоча і виведений з метафізичних міркувань про наявність економії в природі, слід розглядати (принаймні у відомих випадках) як принцип екстремального дії, і тому він говорить про стаціонарне або варійованої дії. Таким чином, Гамільтон прийшов до формулювання носить його ім'я принципу, згідно з яким деяка фізична величина, точно визначена математично, стационарна при поширенні світла. Цим шляхом йому вдається раціоналізувати геометричну оптику, перетворивши її у формальну теорію, що дозволяє інтерпретувати досвідчені дані без необхідності вибору між корпускулярної та хвильової гіпотезами.
У 1834-1835 рр.. Гамільтон узагальнив свою теорію оптичних явищ на динаміку і систематично розвинув її, звівши рішення загальної задачі динаміки до системи двох рівнянь в приватних похідних.
У цих роботах Гамільтона досягнуть чудовий синтез проблем оптики та механіки, який був згодом знову знайдений Луї де Бройля і який безпосередньо надихнув Шредінгера в його дослідженнях. Цікаво зауважити, що найбільш потужні математичні засоби квантової механіки були запозичені саме з аналітичної механіки, що склалася в рамках класичної фізики.
Створена теорія дозволила Гамільтону передбачити, що якщо на плоскопаралельну пластину, вирізану у двуосном кристалі перпендикулярно оптичної осі, направити пучок природного світла так, щоб він заломився в кристалі паралельно оптичної осі, то на виході з пластини утворюється кільце, що світиться, діаметр якого змінюється зі зміною товщини пластини. Як відомо, - це явище внутрішньої конічної рефракції, яке було підтверджено експериментально Хемфрі Ллойдом (1800-1881) в дослідах з арагоніту.
Однак найбільш загальне застосування теорії Гамільтона було дано Карлом Густавом Якобі (1801-1854) в його знаменитих роботах, розпочатих в 1842 р. Одночасно Якобі спростив і узагальнив теорію Гамільтона, надавши їй сучасну форму, що стала класичною. Ось чому цю теорію часто називають теорією Гамільтона - Якобі.
Швидкість світла
Як ми вже згадували не раз, корпускулярна теорія приписує світлу велику швидкість в більш щільних середовищах, тоді як хвильова теорія приписує йому в цьому випадку меншу швидкість. Араго, противник корпускулярної теорії і не зовсім послідовний прихильник хвильової, вважав, що вимірювання швидкості світла в матеріальних середовищах було б кращим способом, experimentum crucis, встановити, яка ж з цих теорій справедлива. І ось в 1838 р. він пропонує відповідний досвід, виконання якого, однак, через слабкість зору він був змушений надати іншим. Таким чином, Араго особливо підкреслив вирішальну роль цього досвіду для остаточного підтвердження хвильової теорії, так що завдання вимірювання швидкості світла наземних джерел набула особливої необхідність і важливість в очах молодих фізиків.
Першим вдалося впоратися з нею в 1849 р. Арману Іполитові Фізо (1819-1896). У принциповому плані досвід Фізо був подібний досвіду Галілея. Фізо змонтував установку, в якій промінь світла проходив у щілини між сусідніми зубцями колеса, що обертається з великою швидкістю, і потрапляв по нормалі на плоске дзеркало, що знаходиться на відстані 8633 м. Відбитий промінь йшов назад у напрямку падаючого променя. Якщо зубчатка була нерухома, то відбитий промінь проходив назад через ту ж щілину, через яку він пройшов у прямому напрямку, і спостерігачеві дзеркало уявлялося освітленим. Якщо ж зубчатка досить швидко оберталася, то за час, необхідний світлі для проходження від зубчатки до дзеркала і назад, на місце щілини переміщався зубець, перегороджував шлях відбитому променю, так що поле зору здавалося спостерігачеві темним. Якщо швидкість обертання зубчатки ще більше зростала, так що відбитий промінь потрапляв вже в наступну щілину, то поле зору знову ставало світлим. Фізо отримав для швидкості світла значення 313 274 304 м / сек.
Ці досліди були повторені Альфредом Корню (1841-1902), який у якості середнього з 1000 дослідів дав в 1873 р. значення 298 400 км1сек з можливою помилкою в 1 / 300. У вдосконаленому вигляді цей метод був застосований в 1882 р. Джемсом Юнгом (1811-1883) і Джорджем Форбсом, а в 1928 р. А. Каролюсом та О. Міттелиптедтом, замінили обертову зубчатку осередком Керра, значно більш точним електрооптичних приладом, що дозволив зменшити відстань до дзеркала до кількох метрів. У такому вигляді досліди були повторені знову А. Хуттелем в 1940 р. і У. Андерсоном у 1941 р.
Проте прилад Фізо не дозволяв вимірювати швидкість світла в різних середовищах. У 1834 р. для виміру тривалості електричної іскри Уїтстона ввів обертове дзеркало і відразу ж став думати про можливість його застосування для вимірювання швидкості світла. Однак тут йому не вдалося добитися успіху. Його проект був підхоплений Араго, що запропонував дуже складний досвід, про який ми згадували на початку параграфа. Фізо і Леон Фуко (1810-1868) взялися спростити його і практично здійснити. Спочатку вони працювали разом, але потім розділилися, вступивши в змагання, хто швидше досягне мети. Це вдалося зробити в 1850 р. Фуко, що застосувала пристосування, що описується у всіх підручниках фізики.
Суть досвіду полягає в наступному. Час, необхідний для прямого і зворотного проходження світлом відстані між двома дзеркалами, одне з яких швидко обертається, визначалося по куту повороту дзеркала за цей час, який оцінювався за відхиленням світлового променя після його відбиття від дзеркала, що обертається. Для визначення числа оборотів обертового дзеркала в секунду Фуко застосував (мабуть, вперше у фізичних дослідженнях) стробоскопічний метод, тобто метод уявного уповільнення періодичного руху, що дозволяє зручно проводити спостереження. Помістивши між обома дзеркалами, що знаходяться одне від одного на відстані декількох метрів, різні речовини, відмінні від повітря, можна було визначити швидкість світла в них.
Досліди, проведені Фуко в 1850 р., дозволяли лише порівнювати значення швидкостей світла. Помістивши трубу з водою між двома дзеркалами, він показав, що швидкість світла у воді становить 3 / 4 швидкості світла в повітрі. До того ж результату прийшов дещо пізніше Фізо, поставив досвід спільно з Луї Бреге (1804-1883). У 1862 р. Фуко, відвернувшись від інших досліджень, знов зробив вимірювання швидкості світла і знайшов її рівною 298 000 км / сек з максимальною помилкою ± 500 км / сек.
Вимірювання швидкості світла повторювалися з подальшими поліпшеннями методики Фуко Симоном Ньюкомб (1835-1909) в 1881-1882 рр.., Альбертом Майкельсоном в період 1878-1882 рр.. і ще раз у 1924-1926 рр.. і У. Андерсоном у 1937 р. Виміри Андерсона дають для швидкості світла значення 299 764 км / год з можливою помилкою 15 км / сек. Всі наведені значення відносяться до поширення світла у порожнечі.
Наземні вимірювання систематично дають для швидкості світла значення більше отриманого за допомогою астрономічних методів; причина цього невідома.
Всі ці виміри узгоджуються також у тому, що в більш заломлюючих середовищах швидкість світла виявляється меншою. Та ці вимірювання розкрили ще одну важливу особливість: показник заломлення середовища не дорівнює точно відношенню швидкостей світла в порожнечі і в розглянутій середовищі, як того вимагає теорія Френеля, причому спостерігається відхилення набагато перевищує величину помилки експерименту. Ця розбіжність в 1881 р. пояснив Релей, який ввів поняття "фазової швидкості", тобто (не спостерігається зазначеними методами) швидкості суворо монохроматичної хвилі, і "групової швидкості" - швидкості гребеня хвилі, що виходить в результаті накладення великого числа монохроматичних хвиль . У диспергуючих середовищі групова швидкість, яка як раз і вимірюється в описаних дослідах, не збігається з фазовою.
У 1850 р. досліди Фізо і Фуко представлялися вирішальним тріумфом хвильової теорії. Карло Маттеуччі, один з найбільших італійських фізиків того часу, в тому ж році писав: "Пряме експериментальне доказ зменшення швидкості світла в більш щільних середовищах, про який ми тільки що говорили, повністю відкидає ньютонівську гіпотезу і чудово підтверджує справедливість хвильової".
Проте фізичні теорії ніколи не бувають остаточними. Теорія Френеля спокійно проіснувала ще близько двадцяти років, після чого почалися всілякі неприємності.
Нерухомий чи ефір илиже він захоплюється при русі тіл?
Гіпотеза пружних коливань ефіру відразу ставила проблему: нерухомий ефір або ж рухається? Зокрема, чи рухається ефір, сконцентрований в тілі, разом з цим тілом? Прекрасні досліди Араго довели, що рух Землі не робить ніякого відчутного впливу на заломлення світла, що приходить від зірок.
Цей результат був несумісний з корпускулярної теорією, тому Араго звернувся до Френелю з питанням, чи вкладається він у рамки хвильової теорії. В одному зі своїх листів 1817 Френель відповів, що цей результат легко пояснюється хвильової теорії, як і явище аберації, якщо тільки прийняти часткове захоплення ефіру, тобто прийняти, що рухається тіло захоплює із собою не весь міститься в ньому ефір, а лише надлишкову частину ефіру в порівнянні з рівним об'ємом порожнього простору. За допомогою цієї гіпотези Френелю вдалося пояснити всі явища, що виникають з-за швидкого руху заломлюючого тіла.
Вплив руху тіл, що випускають світло або звук, було досліджено теоретично в 1842 р. австрійським фізиком Християном Доплером (1803-1853), який показав, що при наближенні джерела світла до спостерігача період коливань представляється спостерігачеві меншим, ніж при нерухомому джерелі, тобто . колір випромінювання зміщується в бік ультрафіолету. Якщо ж джерело віддаляється від спостерігача, то колір зміщується в червону сторону спектру. Аналогічно якщо джерело звуку наближається до спостерігача, то звук сприймається більш високим, а якщо видаляється - нижчим; в цьому явищі тепер легко переконатися, спостерігаючи зміна висоти звуку гудка паровоза, що проходить повз спостерігача. У 1848 р. Фізо запропонував скористатися цим явищем, який отримав назву ефекту Допплера, або ефекту Допплера - Фізо, для вимірювання радіальної складової швидкості зірок за зміщення їх спектральних ліній.
Вже сам Допплер зауважив, що цей же метод можна застосувати для вимірювання швидкостей подвійних зірок, а проте це вимір нікому не вдавалося провести, в тому числі і Максвеллу. Застосування допплерівського методу в астрофізиці стало можливим лише після появи в 1860 р. призми прямого зору, яку запропонував астроном Джован Баттіста Амічі (1786-1863), відомий конструктор оптичних інструментів великої точності. Крім цієї призми, як відомо з підручників фізики, він ввів у вживання ще іншу призму (повного внутрішнього відбиття), названу на його честь, удосконалив мікроскоп і запропонував ідею імерсійного мікроскопа. Призма прямого зору Амічі складається з призми з флінтглас, розташованої між двома призмами з кронгласа; вона дає спектр в напрямку падаючого променя.
У 1869 р. Фрідріху Цолльнеру (1834-1882) прийшла в голову щаслива ідея застосувати пару протилежно розташованих призм прямого зору Амічі, щоб отримати два протилежних спектру. Таким чином був створений так званий реверсіонний спектроскоп, який дозволяв вже використовувати ефект Допплера. З цього моменту значення ефекту Допплера в астрофізиці надзвичайно зросла.
Ефект Допплера теж ніби підтверджував ідею Френеля про часткове захоплення ефіру, тим не менш, цю гіпотезу оскаржував Джордж Габріель Стокс (1819 -1903), один з найбільш блискучих продовжувачів справи Френеля, відомий перш за все відкриттям у 1852 р. явища флюоресценції і закону, визначального флюоресценцію, який і зараз називається "законом Стокса". У відомій роботі, що відноситься до 1845 р., Стоке відстоює ідею про повне захоплення ефіру, що знаходиться в безпосередній близькості від Землі, яке переходить поступово у часткове захоплення, все більш зменшуване в міру віддалення від Землі.
У 1851 р. Фізо намагався вирішити це питання, змусивши інтерферувати два промені світла, один з яких проходив стовп води в напрямку її течії, а другий - проти течії. Якщо ефір захоплюється при русі води, то інтерференційні смуги повинні зміститися по відношенню до того стану, що вони займають у досвіді з нерухомою водою. Експериментальні результати, отримані Фізо, підтвердили гіпотезу Френеля. До того ж висновку привели дослідження Едуарда Кеттелера (1836 -1900), проведені в 1871 р., і дослідження Майкельсона і Морлі в 1886 р.
Але ще п'ятьма роками раніше Майкельсон у своєму став згодом знаменитому досвіді намагався експериментально виявити рух Землі відносно ефіру, прийнятого за нерухомий, тобто виявити так званий "ефірний вітер".
Застосований Майкельсоном метод можна назвати "методом двох шляхів": один промінь світла, падаючи на злегка посріблену пластину, розщеплювався на два взаємно перпендикулярних променя; ці промені відбивалися по нормалі від двох дзеркал, розташованих на однаковій відстані від пластини, поверталися назад по тому ж шляху , зливалися разом і прямували в оптичну систему. Якщо Земля рухається щодо ефіру, то з-за відмінності часів, необхідних для проходження обома променями своїх взаємно перпендикулярних шляхів, повинна спостерігатися інтерференційна картина. Хоча лінійна швидкість обертання Землі навколо Сонця (30 км / сек) досить мала в порівнянні зі швидкістю світла, експериментальна установка була здатна знайти навіть у 100 разів менший ефект. Цей досвід, багаторазово повторений для різної орієнтації приладу і в різний час року, давав у Майкельсона весь час суто негативний результат. Критика цього досвіду з боку Лоренца призвела до того, що Майкельсон знову повторив його в 1887 р. разом з Едуардом Вільямом Морлі (1838-1923) - і з тим же результатом. Таким чином, Майкельсон міг стверджувати, що, згідно з його дослідів, ефір рухається разом з Землею. Однак явище аберації світла вказує на те, що ефір нерухомий. Ці два висновки різко протилежні один одному. Далі ми побачимо, як це протиріччя призвело до появи теорії відносності.
Досліди Майкельсона були повторені з деякими удосконаленнями Морлі і Міллером в 1904 р. з тим же результатом. Пізніше, з 1921 по 1925 р., Міллер виробляв безперервні спостереження, які привели його до висновку, що Земля рухається по відношенню до ефіру зі швидкістю 9 км / год. Однак цей висновок був спростований подальшими дослідами Джозефа Кеннеді і багатьма іншими, аж до нового досвіду Майкельсона, проведеного спільно з Пізом і Пірсоном у 1929 р.
Невидимі випромінювання
У перше тридцятиліття XIX століття дослідження поляризації та природи світла відтіснили на другий план інші важливі відкриття в області світлових явищ.
Той факт, що світлові промені пов'язані з тепловими променями, ясний з безпосереднього спостереження, був відомий, звичайно, ще з часів античності. Саме застосування слова "фокус" до увігнутим дзеркалам і до лінз показує, що тут увага зверталася більше на концентрацію теплових променів, а не світлових. Але розрізнення світлових і теплових променів ми зустрічаємо вперше, мабуть, в "Magia naturalise (" Натуральна магія ") Порти (1589 р.), де висловлюється здивування, чому увігнуте дзеркало концентрує не тільки тепло, але і холод. Це спостереження було предметом ретельного експериментального дослідження Академії дослідів, причому було відмічено відчутне охолодження у фокусі увігнутого дзеркала, перед яким поміщений великий шматок льоду. А Паоло дель Буоно (1625 - 1659), кореспондент цієї ж Академії, зауважив, що промені, що проходять через лінзу з льоду, фактично не втрачають своєї теплової здібності. Ще більш ясно відмінність між світловими і тепловими променями виявив Маріотт, який за допомогою увігнутого дзеркала з льоду показав, що теплові промені відбиваються від нього без послаблення, так що у фокусі вдається створити інтенсивність, достатню для того, щоб запалити порох. У 1777 р. Ламберт показав, що теплові промені, як і світлові, поширюються прямолінійно.
У 1800 р. Вільгельм Гершель зробив фундаментальне відкриття. Бажаючи перевірити, чи дійсно тепло, як прийнято було вважати, розподілено рівномірно по сонячному спектру, Гершель переміщував чутливий термометр уздовж сонячного спектру і виявив, що показується їм температура не тільки безперервно підвищувалася при переміщенні від ультрафіолетового кінця спектру до червоного, але її максимум взагалі досягався в області, що лежить за червоною частиною спектру, тобто там, де око нічого не вважає. Ось приклад того, наскільки "в природознавстві корисно сумніватися в загальноприйнятих речі", - зауважує з цього приводу Гершель. Він тут же пояснює це явище невидимим тепловим випромінюванням, що виходить із Сонця і відхиляється призмою слабкіше червоного кольору, чому воно і отримало назву "інфрачервоного випромінювання". Потім Гершель досліджував це невидиме випромінювання, що випускається земним джерелом, який представляв собою залізний циліндр, нагрітий, але не світиться, і показав переломлення цього випромінювання в лінзах.
Юнг розумів важливість відкриття Гершеля і в своїх лекціях в 1807 р. назвав його найбільшим відкриттям з часів Ньютона. Правда, Джон Леслі (1766-1832), дуже акуратний експериментатор, намагався пояснити досліди Гершеля повітряними течіями, проте його теоретичні заперечення не знайшли прихильників. Більш вдалими були його експериментальні дослідження (1804 р.), і зараз ще приводяться в курсах фізики. За допомогою диференціального термометра, що носить його ім'я, але описані ще в 1685 р. Іоганном Христофором Штурмом (1635-1703), і за допомогою свого "куба", одні грані якого були зачорненими, а інші дзеркальними, Леслі показав, що випускання і поглинання тілом теплового випромінювання залежать від характеру його поверхні.
За кілька років до робіт Леслі німецький фізик Йоганн Ріттер (1776 - 1810) зробив інше відкриття, "симетричне" відкриттю Гершеля і настільки ж важливе. Повторивши в 1802 р. досліди Гершеля, він задався метою дослідити хімічну дію різних ділянок світлового спектру. Для цього він застосовував хлористе срібло, почорніння якого під дією світлових променів було виявлено Йоганном Генріхом Шульце (1687-1744) ще в 1727 р., і встановив, що хімічна дія випромінювання зростає поступово по спектру від червоного до фіолетового кінця і досягає максимуму за фіолетовою областю, там, де око вже не сприймає ніякого світла. Таким чином було знайдено в спектрі нове випромінювання, яке у сонячному світлі і заломлюється призмою сильніше, ніж фіолетове, у зв'язку з чим воно і отримало назву "ультрафіолетового випромінювання". Томас Юнг з більшою точністю повторив досліди Ріттера і справив також вимірювання інтенсивності, а Вільям Волластон (1766-1828) підтвердив отримані Юнгом результати в дослідах з розчином гуммигута, який під дією світла змінює свій колір з жовтого на зелений.
За цим пішли роботи багатьох інших фізиків, в тому числі де Соссюра та Пікте, Гей-Люссака і Тенар, Зеєбека і Берар, кожен з яких вніс свій внесок у дослідження цього явища. Ці дослідження привели також до одного важливого застосування - фотографії, що грає таку велику роль і для самої фізики. Ми не можемо тут, однак, зупинятися на історії фотографії. Достатньо лише згадати, що в 1839 р. Луї Дагерр (1789-1851) повідомив про винайдений їм процесі, названому "дагеротипом", який є удосконаленням методу отримання фотографічних зображень на металі, запропонованого в 1827 р. Жозефом Ньепсом (1765-1833), співробітником якого був Дагерр. У 1840 р. Дрейпер сфотографував Місяць, а в 1842 р. - лінії Фраунгофера; в тому ж році Алессандро Майоккі (1795-1854) сфотографував Сонце.
Фундаментальний внесок у ці дослідження вніс Мачедоніо Меллона (1798-1854). Меллона, один з найбільших італійських експериментаторів, зайнявся дослідженням "променистого тепла" за допомогою інструменту, значно більш чутливого, ніж були тоді у вживанні звичайні термометри. Він застосовував "термо-мультиплікатори", які з термоелектричного стовпчика, пов'язаного з гальванометром Нобілі, чутливим елементом експериментального пристосування, відомого зараз як оптична лава Меллон. За підтримки Араго Меллон провів свої головні досліди в Парижі, де змушений був шукати політичного притулку з 1831 по 1839 р., бо надавав допомогу паризьким студентам, які взяли участь у революції 1830 р.
Після аналізу результатів, отриманих у галузі дослідження променистого тепла попередніми фізиками, і виправлення деяких з них Меллон починає самостійні дослідження з вивчення поглинання променистого тепла різними тілами і виявляє, що кам'яна сіль дуже прозора для тепла, так що особливо підходить для виготовлення призм і лінз, призначених для дослідження інфрачервоного випромінювання. Меллон показав різну преломляемости теплових променів, яка до того заперечувалася, і "хімічних", тобто ультрафіолетових променів; він довів, що променисте тепло поляризоване, і за допомогою дотепного досвіду, приписуваного тепер Тиндаль, показав, що інтенсивність променистого тепла убуває назад пропорційно квадрату відстані.
Ще в 1833 р. Карло Маттеуччі показав, що теплові промені інтерферують між собою, а слідом за ним Форбс (1809-1868) підтвердив інтерференцію теплових променів на приладі з двома дзеркалами Френеля. Велике значення має робота Меллона, що вийшла в Неаполі в 1842 р., куди він був запрошений до Школи мистецтв і ремесел (посаду цю він був змушений залишити в 1848 р. теж з політичних міркувань).
У цій невеликій роботі (всього 47 сторінок) він роз'яснює поняття променистого тепла, світла і хімічних променів (ультрафіолету) як подібних явищ випромінювання, що розрізняються лише довжиною хвилі. Це було одним з найбільших досягнень науки того часу і суттєвим стимулом до вироблення єдиних теорій, характерних для прогресу фізики в XIX столітті. У своїй новій роботі, що вийшла роком пізніше, Меллон показав, що поглинання інфрачервоного випромінювання відбувається так само, як і поглинання видимого випромінювання, і подібно до того, як при певній товщині тіла бувають прозорі або непрозорі для світла, так і для тепла вони бувають "теплопрозрачни "і" теплонепроникність ". Як і світло, тепло може відчувати виборче поглинання в тілах, так що оптично прозоре тіло не завжди "теплопрозрачно", як, наприклад, скло, яке слабо поглинає світло і сильно поглинає тепло. Всі ці явища, а також різна преломляемости теплових променів дозволили Меллон говорити в фігуральному сенсі про "теплових кольорах". У 1845 р. Меллон показав, що теплове випромінювання - це не суто поверхове явище, у ньому беруть участь і внутрішні шари випромінюючого тіла.
У своїй роботі "La thermocrose ou la coloration calorique" ("Про теплових кольорах"), опублікованій в Неаполі в 1850 р. (і перевиданої в 1954 р. в Болоньї в його зібранні творів), Меллон дає захоплююче за формою незбиране виклад своєї теорії променистого тепла і своїх класичних експериментів. Після введення, що носить автобіографічний характер, Меллон описує спочатку прилади для вимірювання променистого тепла та джерела теплового випромінювання, потім переходить до експериментальних досліджень теплового випромінювання в просторі і в повітрі, а потім - до поширення променистого тепла в різних речовинах.
У цій класичній роботі було започатковано дослідження випромінювальної і поглинальної здатності різних тіл (і зокрема, сажі, що призвело до поняття чорного тіла) і показано, що закони, яким підкоряються класичні явища оптики, збігаються з законами, що визначають аналогічні явища в області теплового випромінювання. Дослідження Меллон були продовжені Джоном Тиндаль (1820-1893), зокрема в області поглинання в газах. Тиндаль показав, що сухе повітря погано поглинає теплові промені, і після довгої полеміки з Генріхом Густавом Магнусом (1802-1870) продемонстрував в 1881 р. сильне поглинання теплових променів водяною парою, що має, звичайно, велике значення для метеорології.
Так само як застосування термоелектричної батареї зумовило можливість фундаментальних відкриттів Меллона, застосування нового чутливого термометра - болометра - зробило можливим подальше просування в дослідженні променистої енергії. Цей новий прилад був описаний в 1881 р. американським фізиком Самюелем Ленглі (1834-1906). Найтонша смужка платини, покритою сажею, що служить термочутливим елементом, є частиною електричного контуру. Якщо на смужку падає випромінювання, то її температура змінюється, і внаслідок цього змінюється електричний опір; по зміні опору можна судити про зміну температури. Болометр - винятково чутливий прилад, що дозволяє встановити зміни температури з надзвичайно високою точністю. Цей новий прилад дозволив Ленглі зробити ряд відкриттів. Він показав, що максимум випромінювання сонячного спектра перебуває в області помаранчевого кольору, а не інфрачервоного, як думали раніше; що інфрачервоне випромінювання порівняно легко проходить крізь атмосферу; що кількість енергії, необхідне для того, щоб викликати видимий ефект, дуже сильно залежить від кольору. Нарешті, Ленглі виміряв для наземних джерел дуже великі довжини хвиль випромінювання аж до 0,05 мм.