Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

За год до вступления в члены Королевского института, в 1800 году, Юнг опубликовал свою первую крупную работу, где рассматривалась аналогия между звуком и светом: «Опыты и проблемы по звуку и свету» 80. Еще несколько лет ушло на разработку эксперимента, который войдет в историю под именем ученого и подтвердит упомянутую аналогию. Однако трактат 1800 года стал значительной вехой в истории науки, поскольку содержал первое объяснение явления интерференции, на котором будет основан знаменитый эксперимент Юнга. Объяснение состояло в том, что при встрече двух волн результирующее движение соединяет в себе характеристики движения каждой волны в отдельности. «Интерференция» – не вполне удачный термин для этого явления, так как он предполагает нечто незаконное, агрессивное, в общем, негативное, на самом же деле происходит просто соединение двух сущностей, которые в результате порождают новую сущность. Возможно, чувствуя это несоответствие, Юнг часто употреблял более элегантный термин – «коалесценция».

Ньютон отчасти предугадал феномен интерференции, объясняя причины приливов в заливе Бакбо (Вьетнам), на берегу которого стоит крупный портовый город Хайфон. Британские купцы XVII столетия, пытавшиеся наладить торговлю с Вьетнамом, знали, что прибрежные воды залива отличаются необычным поведением. В 1684 году один английский путешественник опубликовал в Philosophical Transactions письмо об особенностях прилива в этих местах. Раз в две недели наступал день, когда ни прилива, ни отлива не было и вода стабилизировалась на одном уровне. Затем в течение семи дней наблюдался только прилив, который медленно достигал своего пика к концу недели. В течение следующей недели имел место столь же медленный непрерывный отлив.

Это странное явление вызывало интерес у многих ученых, и Ньютон предложил объяснение происходящему в своем научном шедевре «Математические начала натуральной философии» (1688). Океанские приливные волны, по его мнению, входили в залив с двух различных направлений – из Южно-Китайского моря и с юга, со стороны Индийского океана, – двумя путями различной длины, из-за чего одной приливной волне требовалось шесть часов, чтобы достичь берега, а другой – двенадцать. В результате одна приливная волна часто компенсировала отлив на другом направлении, и это приводило к исчезновению одного прилива, а дважды в течение лунного месяца – к исчезновению как прилива, так и отлива (уровень воды тогда оставался неизменным) 81. И хотя данное явление в настоящее время рассматривается как частный пример волновой интерференции, Ньютон не стал распространять обобщение на все волновые явления в принципе, считая приливы Бакбо исключительным явлением, характерным для одного конкретного места.

В своем трактате 1800 года Юнг рассматривает интерференцию только применительно к звуковым волнам, не перенося свои выводы на свет, несмотря на то, что основная часть исследования посвящена именно свету. Главным достижением Юнга стало установление существования самого явления интерференции, осознание его фундаментальной роли в волновом движении и понимание того, что оно имеет место повсюду, где сталкиваются различные волны. Однако из описания, которое Юнг приводит в своей работе, невозможно понять ни всю степень оригинальности открытия, ни даже роль самого ученого. Юнг как будто вовсе не стремится привлечь внимание читателя к своему открытию и просто пишет о том, что при пересечении звуковых волн каждая частица той среды, через которую они проходят – например, молекулы воды или воздуха, – принимает участие в движении обеих волн. Юнг не высказывает никаких притязаний на научный приоритет в обнаружении этого явления, словно оно давно уже всем известно и всеми хорошо понимается. Он скромно, как бы между прочим, упоминает о нем, просто исправляя ошибочное мнение одного коллеги 82.

В следующем году Юнг распространил объяснение явления интерференции на волны на поверхности воды и света. Позднее он писал:

«В мае 1801 года, размышляя над прекрасными экспериментами Ньютона, я обнаружил закон, который, как представляется, способен пролить свет на гораздо большее число интересных феноменов, нежели любой другой оптический принцип, известный доселе.

Я попытаюсь объяснить данный закон с помощью сравнения. Предположим, что некоторое количество одинаковых волн проходит по поверхности стоячего озера с определенной постоянной скоростью и входит в узкий канал, ведущий из озера. Предположим, что какая-то сходная причина вызывает еще одну подобную серию волн, которые попадают в тот же канал с той же скоростью и в то же самое время, что и первые. Ни одни из этих волн не уничтожат другие, но, напротив, их воздействия объединятся. Если, к примеру, они войдут в канал в тот момент, когда максимальный подъем одной серии волн совпадет с максимальным подъемом другой, они вместе вызовут последовательность еще больших объединенных максимумов. Но если подъем в одной серии волн совпадет со спадом в другой, то подъем скомпенсирует упомянутый спад и поверхность воды останется ровной. По крайней мере, мне не удалось отыскать никакого альтернативного объяснения ни на основе теоретических изысканий, ни с помощью эксперимента.

В настоящее время я склонен полагать, что подобный эффект имеет место всякий раз, когда таким образом смешиваются две порции света, и это я называю общим законом интерференции света» 83.

При интерференции волн на поверхности воды гребни различных волн могут накладываться друг на друга, приводя к еще большему подъему воды, в то время как при «гасящей» интерференции, то есть при совпадении гребня одной волны и долины другой водная поверхность остается неизменной. Нечто подобное происходит и в случае со светом, если считать, что его сила связана с амплитудой колебаний в какой-то волне. В тех случаях, когда фазы колебаний накладывающихся световых волн совпадают, волны усиливают друг друга и возникают участки большей освещенности. В тех же случаях, когда гребень одной волны приходится на долину другой, они гасят друг друга и возникают темные участки.

Данное Юнгом объяснение интерференции подходило и для объяснения многих других явлений, до того времени ставивших исследователей в тупик. Наиболее впечатляющим было объяснение так называемых ньютоновых колец – серии концентрических колец, появляющихся, когда к выпуклой линзе прикладывают плоскую стеклянную пластину. Юнг объяснил появление колец, описанных Ньютоном, предположив, что темные участки в них были результатом гасящей интерференции.

Хотя изложение Юнга часто бывало туманным, демонстрации ученого всегда отличались предельной ясностью, простотой и убедительностью, что было следствием его собственного превосходного понимания проблемы. В 1803 году он прочел на заседании Лондонского королевского общества доклад под названием «Эксперименты и расчеты в физической оптике», который начинался так: