Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Короче говоря, красный цвет будет преломляться меньше всех, за ним — оранжевый и т. д. В таком случае, проходя через призму, свет и создаст спектр.

Ньютон тоже мог объяснить преломление с точки зрения своей теории частиц, но ему приходилось признать, что скорость частиц света возрастает при переходе от низкой оптической плотности к более высокой. Здесь было явное противоречие между двумя теориями. Оставалось всего лишь измерить скорость света в разных средах и отметить, как меняется скорость; тогда можно было бы сделать выбор между частицами Ньютона и волнами Хайгенса. Единственная загвоздка состояла в том, что произведение такого замера стало возможным только двумя столетиями позже Ньютона и Хайгенса.

Однако была еще одна разница в предсказаниях теорий. Частицы, по Ньютону, перемещались по прямой во всех частях светового луча, поэтому луч и давал абсолютно резкие тени. Волны, по Хайгенсу, вели себя не так. Каждая точка фронта волны служила фокусом для волн во всех направлениях, но по большей части фронта волна, идущая от точки влево, гасилась волной, идущей от соседней точки вправо, и т. д. С учетом всех этих взаимных погашений оставалось только движение вперед.

Однако было и исключение — края фронта волны. На правом краю движение вправо не гасилось, потому что для этого недоставало соседней точки справа. На левом краю не гасилось движение влево. Следовательно, пучок света, будучи волной, должен был бы «растекаться» в стороны. В особенности если сноп лучей проходит сквозь отверстие в непрозрачном препятствии, свет на границах пучка должен был бы начать растекаться в стороны с самого момента прохода сквозь отверстие, так что площадь освещенной отдаленной поверхности должна быть шире, чем можно ожидать при прямолинейном движении.

Феномен подобного распространения волны в стороны называется дифракцией, и его легко наблюдать на примере волн в воде и звуковых волн. Поскольку свет, проходя сквозь отверстие в препятствии, не демонстрирует дифракции, казалось, что права теория частиц. К сожалению, во времена Ньютона не было известно, что чем меньше длина любого вида волны, тем меньше эффект дифракции. Следовательно, если сделать еще одно предположение — что длина световой волны очень мала, — то логично ожидать, что эффект дифракции не будет заметен, и с решением следовало бы подождать.

На самом-то деле дифракция света наблюдалась и в XVII веке. В 1665 году итальянский физик Франческо Мария Гримальди (1618–1663) пропустил свет через два отверстия и показал, что площадь светового пятна на освещенной в итоге поверхности была несколько больше, чем должна быть, если бы свет проходил через два отверстия абсолютно прямолинейно. Другими словами, дифракция имела место.

Что еще важнее, границы освещенной области были цветными, внешний их круг был красным, а внутренний — фиолетовым. Это тоже, как поняли в конце концов, подходило под волновую теорию, потому что, если красный цвет имеет наибольшую длину волны, он подвергнется наибольшей дифракции, а фиолетовый, с самой короткой длиной волны, — наименьшей.

И действительно, именно по этому принципу формируется спектр. Если стекло разметить ровными параллельными линиями, каждая из них будет представлять собой непрозрачную область, отделенную от других прозрачной областью, это будет ряд темных полос, по краям которых будет иметь место дифракция. Фактически, если полосы будут очень узкими, можно сказать, что стекло будет состоять из одних только краев этих полос. Если разметка очень прямая, а полосы очень узкие, то дифракция на каждом краю будет одинаковой, и дифракция с каждого края будет усиливать дифракцию со всех остальных. Таким образом, получится спектр не хуже, а вернее, лучше, чем у любой призмы. Полосы легче точно проводить по полированному металлу, чем по стеклу. В таком случае каждая линия является непрозрачным участком поверхности, отделенным от других отражающей поверхностью, и в таком случае тоже будет создан спектр (хотя при обычном отражении от нетронутых поверхностей этого не происходит).

Спектр, создаваемый такой решеткой дифракции, является обратным по отношению к спектру, сформированному рефракцией. В то время как фиолетовый является наиболее преломляемым цветом, а красный — наименее, говоря о дифракции, мы видим, что фиолетовый является наименее дифрагируемым. Следовательно, если в первом случае спектр красный слева и фиолетовый справа, то во втором — наоборот, красный справа и фиолетовый слева. Точнее, в случае спектра рефракции красный является цветом, ближайшим к изначальной линии движения света, а фиолетовый — ближайшим к изначальной линии в случае спектра дифракции.

(В наше время решетка дифракции используется для формирования спектра гораздо чаще, чем призма. Первым, кто использовал решетку дифракции для этих целей, был Фраунгофер — человек, который первым произвел и полное наблюдение линий спектра.)

Ньютон знал об экспериментах Гримальди и даже повторял их, особо отмечая появление цвета по краям. Однако этот феномен показался ему столь незначительным, что он не счел его поводом усомниться в теории частиц и поэтому недооценил его значение. Более показательные свидетельства дифракции и возможность измерять скорость света в различных средах все еще были на тот момент делом будущего. В результате физикам XVII века осталось выбирать между двумя личностями, а не между двумя наборами физических представлений. Престиж Ньютона был на тот момент велик, и еще сотню лет после этого, на протяжении всего XVIII века, почти все физики считали свет частицами по природе, и обсуждению это не подлежало.

Бытовавшая в XVIII веке уверенность в существовании световых частиц была поколеблена в самом начале XIX века. В 1801 году Янг (помните теорию цветового зрения Янга — Гельмгольца?) провел эксперимент, который вдохнул новую жизнь в волновую теорию.

Янг пропустил свет сквозь щель на поверхность, в которой были проделаны две близко расположенные прорези. Каждая прорезь стала, таким образом, источником конуса света, и два этих конуса частично перекрыли друг друга, перед тем как попасть на экран.

Если свет состоит из частиц, то область, где два конуса перекрывают друг друга, должна получать частицы из обеих прорезей. Следовательно, концентрация частиц должна в этой области удвоиться и яркость освещения должна быть выше, чем яркость освещения областей, где конусы не перекрывают друг друга. Этого не произошло — область наложения состояла из полос, в которой чередовались яркие и тусклые линии.

Это оказалось препятствием для развития теории световых частиц. Однако с точки зрения волновой теории проблемы не было. В одних точках экранной поверхности свет из двух пучков состоял из волн в фазе (т. е. гребень наложился на гребень — см. ч. I). В этом случае два световых пучка влияют друг на друга таким образом, что результирующая волна будет двойной амплитуды и произведет двойную яркость. В других же точках два световых пучка будут вне фазы (то есть гребень одной волны будет соответствовать провалу другой). Тогда две волны погасят, по крайней мере частично, друг друга, и амплитуда результирующей волны будет меньше, чем у любой из ее составляющих. Там, где погашение будет полным, волны не будет вообще. В результате мы получим тусклую область.