Михаил Терентьев - История эфира

Юнг и Френель шли в науке, как два корабля параллельным курсом; обычно Юнг бывал чуть впереди, но Френель, двигаясь независимо, оставлял за собой территорию, изученную значительно глубже.

Юнг начинал в 1800-1802 годах с работ, в которых он, как в свое время Гюйгенс, пытался развить аналогию между светом и звуком. Распространение света представлялось ему как волновой процесс, причем допускались только продольные волны сжатия и разрежения в гипотетической эфирной среде. (Другие, поперечные, колебания казались абсолютно невозможными в веществе, которое определенно не является твердым.) Чтобы внешне как-то смягчить свои расхождения со сложившимися к тому времени научными установками, Юнг часто ссылается на Ньютона, давая понять, что Учитель тоже допускал подобную ересь (имеются ввиду волны в эфире), — нужно только внимательнее его читать. Тем не менее, Юнга это не спасло от нападок.

Исходные идеи Юнга сводились к следующим положениям:

1. Пространство заполнено эфиром, переносящим свет. Эфир — разреженная среда (имеет малую плотность), но обладает высокой упругостью, что необходимо для передачи колебаний большой частоты.

2. Когда тело светится, оно возбуждает колебания в окружающем эфире.

3. Ощущения различных цветов зависят от частоты вибраций, возбуждаемых светом в сетчатке глаза.

4. Все тела притягивают эфир, поэтому плотность эфира в них больше, чем в окружающем пространстве, что необходимо для объяснения законов преломления света.

Главное достижение Юнга — это открытие и систематическое использование принципа интерференции световых лучей. (Сам термин «интерференция света» был введен Юнгом.) С помощью этого принципа он описал дифракцию света, объяснил им же поставленный и ставший впоследствии классическим опыт по прохождению света через две тонких щели — опыт, который часто рассматривается как доказательство волновой картины. В рамках своих представлений он описал преломление и отражение света, явление окрашивания тонких пластинок и происхождение колец Ньютона, то есть основных фактов, с которых сейчас начинается изучение оптики в школе. Но его теория не описывала появление двух волн, сферической и сфероидальной, которые еще со времен Гюйгенса вводились в волновой теории для объяснения двойного лучепреломления в исландском шпате. (Сейчас мы знаем, благодаря Френелю, что это явление связано с поляризацией, которая в картину продольных волн Юнга никак не вписывалась.) Кроме того, Юнг был слабый математик, поэтому его аргументация обычно бывала чисто словесной, а теории плохо разработаны. Интуиция Юнга поразительна, но это стало ясно позже, а в то время влияние его работ было невелико. Например, Лаплас продолжал математическое развитие корпускулярной теории уже после работ Юнга, как будто ничего не произошло. В 1807-1810 годах У. Гершель печатает работы, где пытается объяснить кольца Ньютона, исходя из корпускулярных воззрений, при этом даже не ссылается на Юнга, который, кстати, опубликовал свои статьи в том же журнале.

И это не случайно. То, что описывалось в волновой картине, при различных дополнительных предположениях всегда удавалось интерпретировать по-другому. Усложнения корпускулярной теории позволяли все время увеличивать область ее применимости и продлевали ей жизнь. Правда, жизнь эта постепенно, с накоплением данных, становилась совсем некрасивой, но считалось, что лучшего выхода нет. Кроме того, существовал простой факт прямолинейности световых лучей, который выглядел неразрешимой загадкой в волновой картине. А в 1808 году возникли новые проблемы, когда французский физик Э. Малюс (1775-1812), наблюдая сквозь пластинку исландского шпата свет, преломленный в окнах Люксембургского дворца, случайно обнаружил явление, которое вскоре было им правильно интерпретировано как следствие «поляризации». На самом деле, с поляризацией света (не вводя этого термина) столкнулись еще Гюйгенс и Ньютон, анализируя разделение луча на «обыкновенный» и «необыкновенный» в кристаллике исландского шпата, но это рассматривалось как единичное явление, связанное не со светом, а со специальным уникальным свойством упомянутого кристалла. Здесь же обнаружилось, что поляризация возникает при отражении от любых прозрачных сред, что она является внутренним свойством самого света, и в корпускулярной теории она естественно связывалась с ориентацией «полюсов» световых частиц. Но не было никакого разумного способа ввести степени свободы, характеризующие поляризацию, в волновой картине продольных световых колебаний плотности эфира. Нужно сказать, что интуиция не подвела Юнга и в этом вопросе: он первый сказал, что для объяснения явления поляризации нужно считать световые колебания поперечными, хотя сам тут же признал трудность такой гипотезы — ведь для этого эфир должен быть «абсолютно твердым». (В поперечных колебаниях частички эфира смещаются перпендикулярно направлению луча света, при этом они должны быстро возвращаться назад за счет огромной поперечной упругой силы. Такие свойства наблюдались в природе только в твердых телах, где частицы — атомы в кристалле, по современным представлениям, — жестко закреплены в определенных положениях. Заметим, что детальной математической теории распространения колебаний в твердых и текучих средах в то время еще не было, но качественная картина представлялась достаточно верно.)

В таких условиях в 1815 году началась работа в физике Огюста Френеля. Она закончилась через девять лет, в 1824 году, и после этого в мировой науке не осталось серьезных людей, которые взялись бы обсуждать оптику с корпускулярной точки зрения!

Еще в 1814 году, сидя в провинции, Френель в письме к брату просит его прислать элементарный учебник по физике. (Политехническая школа в Париже, которую Френель закончил в 1809 году, давала выпускникам прекрасную математическую подготовку. В сравнении с ней программа по физике кажется очень скромной: не было ни ярких преподавателей, ни хороших учебников.) В том же году он просит сообщить ему что-нибудь о поляризации света: «Ты не можешь себе представить, как мне хотелось бы знать, что это такое. Мне кажется, что Малюс сделал это открытие... Пришли мне какой-нибудь мемуар, который бы ввел меня в курс дела». И чуть позже, в том же году, то есть в 26 лет, еще не владея материалом, он пишет: «Я полагаю (речь идет об объяснении прямолинейности световых лучей. — М.В.Т.), что того же можно добиться в гипотезе колебаний, если лучше присмотреться». И далее: «Я признаюсь тебе, что испытываю большой соблазн верить в колебания особой жидкости для передачи света и тепла». Почему его выдающиеся современники, которые знали гораздо больше, такие как Лаплас, Араго, Малюс, Био и многие, многие другие, думают совершенно иначе? Что заставляет еще незрелого физика с уверенностью выбрать свой, независимый и, в конечном счете, верный путь?