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

В 1868 году английский астроном Уильям Хёггинс (1824–1910) изучил линии спектра звезды Сириус и смог показать, что Сириус удаляется от нас со скоростью около 40 километров в секунду (позднейшие исследования несколько уменьшили эту цифру). С тех пор была измерена радиальная скорость (скорость удаления от нас или приближения к нам) тысяч звезд, и для большинства звезд она составила от 10 до 40 километров в секунду. Для одних звезд это оказалась скорость приближения, для других — скорость удаления.

В XX веке такие измерения проводились уже для света, идущего к нам из других галактик. Тогда быстро выяснилось, что происходит вселенское отдаление. За исключением двух ближайших к нам галактик, везде наличествовал неизменный сдвиг спектральных линий в сторону красного края — эффект, известный как красное смещение. Более того, чем тусклее светит (соответственно, предположительно, чем дальше находится) галактика, тем больше было красное смещение. Эту связь расстояния со скоростью удаления можно ожидать, только если галактики, все до одной, движутся все дальше и дальше друг от друга, как будто вся Вселенная расширяется; именно этой гипотезой и принято обычно объяснять красное смещение.

Поскольку красное смещение возрастает по мере удаления галактики от нас, значит, скорость этого удаления тоже возрастает. Для очень удаленных галактик эти скорости уже можно выражать в значительных долях скорости света. В некоторых из удаленных галактик были отмечены скорости до 4/ 5скорости света. В таких условиях есть массивное смещение света в инфракрасный спектр, большее, чем может компенсировать заимствование из ультрафиолетового излучения, присутствующего в свете этих галактик. Поэтому общий объем видимого света из этих далеких галактик тусклее и это ставит предел тому, какую часть Вселенной мы можем увидеть в лучах видимого света, какими бы сильными ни были наши телескопы.

Недостаточно просто сказать, что свет состоит из волн, потому что существуют два класса волн, свойства которых сильно различаются. Так, волны на воде — поперечные волны, волнообразно пульсирующие вверх и вниз под правильными углами к направлению, в котором движется сама волна. Звуковые волны — продольные волны, волнообразно пульсирующие вперед и назад в том же самом направлении, в котором движется сама волна (см. ч. I). К какой же разновидности относятся световые волны?

До второго десятилетия XIX века то меньшинство ученых, которые считали свет волновой формой, рассматривали его как продольную волну. В частности, так считал и Хайгенс. Однако оставался еще эксперимент XVII века по свету, который не объяснили удовлетворительно ни ньютоновская теория частиц, ни хайгенсовская теория продольных волн, и это в конце концов изменило всеобщую точку зрения.

Этот эксперимент был впервые описан в 1669 году голландским физиком Эразмом Бартолином (1625–1698). Он обнаружил, что кристалл исландского шпата (прозрачной формы карбоната кальция) производил двойное изображение. Если, например, кристалл поместить на поверхность, на которой есть черная точка, то сквозь него можно было увидеть две точки. Если кристалл вращать, сохраняя контакт с поверхностью, одна из точек оставалась неподвижной, в то время как вторая начинала вращаться вокруг первой. Очевидно, проходя сквозь кристалл, свет расщеплялся на два луча, преломлявшиеся по-разному. Это явление так и назвали «двойное преломление». Луч, воспроизводивший недвижимую точку, Бартолин назвал ординарным лучом, второй же — экстраординардным.

И Хайгенс и Ньютон принимали во внимание этот эксперимент, но не могли прийти к четкому заключению. Очевидно, если свет преломлен двумя различными способами, его составляющие, будь то частицы или продольные волны, должны чем-то различаться. Но чем?

Ньютон выдвинул какие-то смутные предположения, что частицы света могут различаться между собой полярностью, как магниты (см. гл. 9). Он не стал развивать эту теорию, но сама идея не была забыта.

В 1808 году французский военный инженер Этьен Луи Малюс (1775–1812) экспериментировал с некоторыми кристаллами, дающими двойное преломление. Он поместил один из них на солнечный свет, отраженный от окна, снаружи на некотором расстоянии от комнаты и обнаружил, что вместо того, чтобы увидеть пятно солнечного света раздвоенным (как он ожидал), он увидел его единым. Он решил, что, отражая свет, окно отразило только один «полюс» света, о котором говорил Ньютон. Отраженный свет он назвал поляризованным светом. Это было неправильное название, оно не отражало реального положения вещей, но закрепилось и уже, несомненно, будет сохраняться.

Когда вследствие экспериментов Янга вновь приобрела известность волновая теория света, вскоре стало ясно, что достаточно только признать, что свет имеет форму поперечных, а не продольных волн, и поляризацию света можно без труда объяснить. Янг пришел к этому выводу в 1817 году, а дальше его развил французский физик Огюстен Жан Френель (1788–1827). В 1814 году Френель обнаружил несомненные примеры интерференции и продолжил иметь дело с поперечными волнами, используя подробный математический анализ.

Чтобы понять, как поперечные волны объясняют поляризацию, представьте себе луч света, движущийся от вас, в котором волны пульсируют под правильным углом к линии движения, как и положено поперечным волнам. Допустим, волны света колеблются вверх и вниз. Однако они могут также колебаться вправо и влево, сохраняя при этом правильный угол к линии движения. Они могут даже колебаться по диагонали под любым углом, сохраняя при этом правильный угол к линии движения. Когда составляющие свет волны колеблются во всех возможных направлениях под правильным углом к движению и распределены по всем плоскостям поровну — это неполяризованный свет.

Давайте остановим внимание на двух видах колебания — вверх-вниз и влево-вправо. Все колебания, принимающие диагональные положения, можно разделить на вертикальную и горизонтальную составляющие (так же как вектор силы можно разделить на составляющие, между которыми будет прямой угол, см. ч. I). Следовательно, для простоты мы можем представить неполяризованный свет, как состоящий только из вертикальной и горизонтальной составляющих, где интенсивность обеих одинакова.

Возможно, вертикальная составляющая может пройти через прозрачную среду там, где не может пройти горизонтальная. По аналогии, допустим, вы держите конец веревки, вплетенной в изгородь. Если вы пустите по веревке вертикальную волну, она будет ходить вверх-вниз без помех; если же пустите по веревке волну горизонтальную, то волнообразные движения наткнутся на жерди изгороди и будут подавлены.