Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

«Все мы знаем, что есть свет, однако непросто объяснить, что же это такое», — заметил Сэмюэль Джонсон. [62] Он сказал это в 1762 году, о чем свидетельствует Джеймс Босуэлл в «Жизни Сэмюэля Джонсона», часть 3. И он прав: тот факт, что благодаря свету мы видим, сильно затрудняет понимание природы самого света.

Должен вам кое в чем признаться: я тут рассуждал о свете как о форме волны, однако в строгом смысле это не так. Живший в XVII веке Роберт Гук, английский физик, или, как тогда было принято называть, естествоиспытатель, в 1665 году выдвинул теорию света. Примерно четверть века спустя теория получила поддержку в лице его современника, голландца Христиана Гюйгенса, который опубликовал математическое доказательство того, что поведение света по большей части может быть объяснено с позиций волн.

Единственной загвоздкой в теории был вопрос о том, через какую среду волны света распространяются. Для океанических волн это вода, для звуковых — воздух (или любое другое вещество). Но вот что пронизывают волны света? Поскольку непременным условием распространения остальных волн является наличие среды, а свет может распространяться в вакууме, сторонники теории волн должны были предъявить некий люминофорный (иными словами, светоносный) эфир. Однако никто не имел ни малейшего понятия о том, из чего этот эфир может состоять.

Исаак Ньютон в своем труде «Оптика», впервые опубликованном в 1704 году, выдвинул другую концепцию света, предположив, что свет состоит не из волн, а из мельчайших частиц — корпускул. Идея надолго поселилась в умах человечества — «Оптика» оставалась основополагающим трудом, описывающим поведение света, на протяжении всего XVIII века. (Уж в названии такой книги можно было обойтись и без орфографических ошибок. [63] Трактат Ньютона называется Opticks, в то время как по правилам правописания английского языка должно быть Optics (прим. перев.).

Проведя хитроумные эксперименты, Ньютон пришел к любопытным выводам о том, что и почему со светом происходит, когда его лучи при прохождении через стеклянный стакан в результате дифракции отклоняются. В своем известном опыте с призмой ученый продемонстрировал, как солнечный луч разделяется на составляющие его радужные цвета спектра. Корпускулярная теория света была центральной темой трактата, хотя вошла в него лишь как один из вопросов в конце пересмотренного издания 1717 года: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?» {148} 148 Ньютон, Исаак. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М., Гостехиздат, 1954.

Рассуждая в форме вопросов об оптических явлениях, Ньютон предположил, что свет состоит из мельчайших частиц. Когда солнечный луч проходит через стеклянную призму, он разделяется на разные цвета. Что если каждый цвет соотносится с частицами определенного размера? Самым малым размером ученый наделил частицы фиолетового спектра, а самым большим — красного. И хотя экспериментальным путем он свою теорию не подтвердил, его авторитет в науке был так весом, что ученые в основной своей массе его корпускулярную теорию света приняли. И отказались от нее крайне неохотно — только в начале XIX века, когда стали появляться первые свидетельства в пользу того, что свет — это все-таки волна. В частности, это было наиубедительнейшим образом продемонстрировано на примере одного опыта. Этот важнейший для современной физики опыт поставил не маститый ученый, а любитель, не утруждавший себя возней в лаборатории. В ходе опыта выяснилось, что для света характерно основополагающее свойство волн — интерференция.

Родившийся в 1773 году Томас Юнг был человеком от природы одаренным, владел несколькими языками. Грамоте научился в два года, а к четырем прочитал от корки до корки Библию, причем дважды. Прошло каких-то тридцать лет, и он начертил оптическую схему, при виде которой екнуло бы сердце любого пролетающего мимо мотылька-однодневки.

Юнг познакомил научную общественность со своей схемой во время чтения «Курса лекций по естественной философии и механическому искусству» в Королевском обществе в 1807 году. {149} 149 Young, Thomas, “A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts“ (London: J. Johnson, 1807). Оптическая схема объясняла взаимодействие волн, «образовавшихся от двух камешков одинакового размера, брошенных в пруд в одно и то же время». Говорят, Юнга осенило, когда он, прогуливаясь возле пруда кембриджского Эммануэл-Колледжа, увидел расходившиеся от пары лебедей круги ряби, волны которых накладывались. {150} 150 Bendall, S., Brooke, C, and Collinson, P., A History of Emmanuel College, Cambridge (Woodbridge: The Boy dell Press, 1999). Однако, демонстрируя схему, он имел в виду вовсе не волны в пруду, а поведение света.

Юнг считал, что схема наглядно объясняет поведение не только водной ряби, но и солнечного луча, проходящего через две прорези экрана (отмеченные буквами А и В) и выходящего в виде волн. Свет, имея волновую природу, должен расходиться от каждой прорези на манер волн, проходящих через узкую щель дамбы; такое свойство волны, дифракция, хорошо известно. Юнг предположил: если свет является волной, тогда выходящие из обеих прорезей и накладывающиеся лучи должны интерферировать друг с другом — как и волны в воде. Только в случае со светом вместо участков более или менее спокойной воды должны проявиться участки большей и меньшей освещенности. Область особо заметного волнения в случае со световыми волнами будет областью особенно яркого освещения; область менее заметного волнения будет областью менее освещенной. Именно такое заключение, утверждал Юнг, позволил сделать опыт с экраном. В ходе опыта лучи, наложившись, образовали следующую картину: [64] Надо сказать, вскоре Юнг понял, что данный эффект образуется только в том случае, если оба луча света когерентны — то есть обладают одинаковой длиной волны, интенсивностью и выходят через прорези одновременно. Для выполнения всех этих условий необходимо, чтобы лучи, испускаемые все тем же ярким источником света, проходили через обе прорези синхронно.

Юнг считал, что объяснить результаты данного опыта, исходя из ньютоновской корпускулярной теории света, нельзя, в то время как появление светлых и темных участков по краям «может быть с легкостью выведено из интерференции двух встречающихся волн, которые либо усиливаются, либо взаимно уничтожаются». Наверняка его доводы показались вам убедительными, правда? В самом деле, как можно объяснить результаты опыта, основываясь на теории, будто свет состоит из мельчайших частиц? Ведь если к одним частицам прибавить другие частицы, получится еще больше частиц. То есть света.