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

Аристотель предположил, что веществом Вселенной, лежащей вне Земли, является нечто, что он назвал эфиром. Понятие эфира сохранялось в современной науке даже тогда, когда все остальные части Аристотелевой физики обнаружили свою несостоятельность и были отброшены. Однако он сохранялся в более усложненной версии. Он составлял структуру пространства, заполняя все, что считалось вакуумом, и, более того, проникал внутрь всей обычной материи.

Ньютон отказался объяснить, как гравитация передается от тела к телу через пустоту. «Я не делаю предположений», — строго сказал он. Однако же его последователи толковали, что гравитация прокалывает путь сквозь эфир так же, как звук прокладывает путь сквозь воздух. Гравитационное воздействие тела будет выражено как искажение той части эфира, которая с ним контактирует, это искажение будет исправляться, в процессе чего будет искажать соседний участок эфира. Перемещаясь, это искажение в конце концов достигнет другого тела и повлияет на него. Можно представить такое перемещающееся искажение как «эфирную волну».

Другой выход из дилеммы о воздействии на расстоянии заключался в том, чтобы допустить, что силы, которые заставляют почувствовать себя через вакуум, на самом деле проходят сквозь него в виде потока мельчайших частиц. Эти частицы могут быть слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но, тем не менее, они есть. К примеру, свет может состоять из мчащихся с огромной скоростью частиц, пересекающих вакуум. Проходя от Солнца к Земле, они сперва находятся в контакте с Солнцем, затем — с Землей, и получается, что никакого воздействия на расстоянии нет, как и в случае бросания мяча в бутылку.

Два столетия после Ньютона физики колебались между этими двумя точками зрения: волны или частицы. Первое требовало эфира, второе — нет. Этот том будет посвящен по большей части деталям колебания между этими точками зрения. В XVIII веке доминировало представление о частицах, в XIX — о волнах. Затем, когда наступил XX век, произошла любопытная вещь — две точки зрения растворились одна в другой и стали едины. Чтобы объяснить, как это произошло, давайте начнем с первой сущности, известной своим прохождением сквозь вакуум, — со света.

Очевидно, что свет вломился в сознание человека, как только это сознание возникло. Происхождение самого слова похоронено глубоко в тумане начала индоевропейских языков. Важность света была высоко оценена самыми первыми мыслителями. Даже в Библии первый приказ Бога и создании мира гласил «Да будет свет!».

Свет распространяется по прямой. Это каждый из нас знает с детства. Мы уверены в том, что если мы смотрим на предмет, то этот предмет находится там, куда мы смотрим. (Это полностью верно, если только мы не смотрим в зеркало или сквозь стеклянную призму, но эти исключения из общего правила так несложно запомнить.)

Такое прямолинейное движение света, его прямолинейное распространение, является базовым допущением оптики (от греческого «взгляд»), изучающей физику света. Там, где поведение света анализируется так, что его лучи представляют прямые линии, и где эти линии изучали геометрическими методами, мы говорим о геометрической оптике. Именно геометрической оптике посвящены эта и следующая главы.

Представьте себе источник света, например пламя свечи. При условии, что никакой материальный объект не перекроет ваш угол зрения, пламя будет видно с одинаковой легкостью с любого направления. Соответственно свет может быть представлен как распространяющийся во все стороны от своего источника. К примеру, солнце иногда рисуют (в двухмерном отображении) как круг с линиями, изображающими лучи, расходящимися в стороны со всех сторон окружности.

Такие линии в рисунке солнца напоминают спицы колеса, расходящиеся от ступицы. По-латыни спица колеса — радиус (это дает нам слово для обозначения прямой линии, исходящей из центра круга к окружности). Самая малая порция светового излучения напоминает линию по своей прямоте и предельно малой толщине — это световой луч.

Солнечный луч, светящий через дыру в занавеске, образует световой столб, расширяющийся на промежутке от дыры до противоположной стены, и на месте его пересечения со стеной появляется ярко освещенный круг. Если воздух в комнате нормально запылен, то этот столб света будет виден как столб мерцающих пылинок. Прямые линии, ограничивающие световой столб, будут наглядным свидетельством прямолинейного распространения света. Такой световой столб является пучком лучей. Пучок лучей можно рассматривать как совокупность бесконечного количества бесконечно тонких световых лучей.

Источники света не одинаковы по своей яркости. Стоваттная лампочка дает больше света, чем свечка, и несравнимо больше света дает нам солнце. Чтобы измерять количество света, излучаемого световым источником, физики должны были договориться о принятии одного конкретного источника света за стандарт.

Проще всего было выбрать стандартную свечку, сделанную из конкретного материала (лучше всего восковую), приготовленную определенным образом и отлитую по установленным требованиям.

Свет, излучаемый такой свечкой в горизонтальном направлении, был признан равным одной канделе, свече. Сейчас свечу заменили электрические лампы установленной формы, особенно в Соединенных Штатах, но мы все равно говорим о международной канделе, о единице измерения количества света, примерно равной старой свече.

Яркость источника света каким-то образом изменяется в зависимости от расстояния, с которого он наблюдается: чем больше расстояние, тем тусклее свет кажется. Рядом со свечкой книгу можно читать без усилий; чуть отнести ее подальше — и сначала читать будет трудно, а затем — невозможно.

Это неудивительно. Допустим, что от пламени свечи исходит строго определенное количество света. Так как он распространяется во все направления, это строго отмеренное количество будет растянуто на все большее и большее пространство. Можно представить границу освещенного пространства как поверхность шара, где источник света находится в середине. Поверхность этой сферы будет становиться все больше и больше, по мере того как свет будет распространяться наружу.

Из геометрии нам известно, что площадь поверхности сферы пропорциональна квадрату длины радиуса. Если расстояние от источника света (радиус воображаемой сферы, о которой мы рассуждаем) удваивается, то площадь, по которой распространяется свет, увеличивается в 4 раза. Если расстояние утраивается — площадь увеличивается в 9 раз. Общее количество света на всей освещенной площади останется тем же самым, но освещенность, то есть количество света, падающего на конкретный участок поверхности, должна уменьшаться. Более того, она должна уменьшаться пропорционально квадрату расстояния от источника света. Удвоение расстояния уменьшит силу света до ¼ первоначальной; утроение расстояния — до 1/ 9.