Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
Ньютону удалось на языке математики описать массу наблюдаемых оптических явлений, включая отражение и рефракцию — изгиб световых лучей при попадании из менее плотной среды в более плотную. Однако у света были и свойства, которые Ньютон объяснить не мог. Световой луч, попадающий на стеклянную поверхность, частично проходит сквозь нее, частично отражается. Почему одни частицы света отражаются, а другие — нет? Пришлось приспосабливаться. Ньютон считал, что корпускулы света вызывают волнообразное возмущение эфира. Эти “приступы легкого отражения и легкого прохождения” были причиной того, что световой луч отчасти проходил сквозь стекло и отчасти отражался67. Ньютон связал “размер” возмущений эфира с цветом. Возмущения самого большого “размера” (согласно терминологии, принятой гораздо позже, — те, у которых длина волны самая большая) ответственны за красный цвет, самого маленького (длина волны самая короткая) — за фиолетовый.
Голландский физик Христиан Гюйгенс утверждал, что корпускул света нет. Он был на тринадцать лет старше Ньютона. К 1678 году Гюйгенс сформулировал волновую теорию света, объяснявшую отражение и рефракцию. Однако его “Трактат о свете”, посвященный этому вопросу, был опубликован лишь в 1690 году. Гюйгенс считал, что свет представляет собой волну, распространяющуюся через эфир. Эта волна сродни ряби на озере от брошенного камня. Если свет действительно состоит из частиц, задавался вопросом Гюйгенс, почему нет свидетельств соударений этих частиц при пересечении двух световых лучей? А потому, утверждал он, что таких частиц нет. Звуковые волны не сталкиваются, и, следовательно, свет похож на волну.
Хотя теории и Ньютона, и Гюйгенса объясняли отражение и рефракцию, когда речь шла о некоторых других оптических явлениях, их предсказания разнились. Десятилетиями не удавалось тщательно проверить эти теории. Однако существовало явление, которое можно было использовать для этой цели. Тень, отбрасываемая телом, когда о него ударяется луч света, состоящий из движущихся по прямым линиям корпускул Ньютона, должна иметь острые углы. А волны Гюйгенса, как вода, плещущаяся вокруг омываемого ею тела, должны приводить к образованию тени, контур которой слегка размыт. Иезуит и физик Франческо Гримальди окрестил дифракцией явление изгибания света вокруг препятствий или краев очень узкой щели. В книге, напечатанной два года спустя после его смерти в 1665 году, он описал тень, отбрасываемую непрозрачным предметом, помещенным на пути тонкого солнечного луча, проникающего в совершенно темную комнату через дырочку в ставнях. Эта тень оказалась больше той, которую следовало ожидать, если бы свет состоял из частиц, движущихся по прямой. Кроме того, вокруг тени, там, где граница между светом и темнотой должна быть четкой, наблюдались слегка размытые цветные полосы.
Ньютон хорошо знал об открытии Гримальди. Позднее он и сам поставил опыты для исследования дифракции, результаты которых легче было объяснить на основании волновой теории Гюйгенса. Однако Ньютон настаивал, что дифракция — результат действия сил на частицы света, и само это явление указывает на природу света. Поскольку Ньютон был всеми признанным ученым, его корпускулярная теория света (странный гибрид частицы и волны) была признана единственно верной. Помогло и то, что Ньютон пережил Гюйгенса, умершего в 1695 году в тридцатидвухлетнем возрасте. Знаменитая эпитафия Александра Поупа (пер. А. П. Павлова): “Природы строй, ее закон/ В извечной тьме таился/ И бог сказал: ‘Явись, Ньютон!’ / И всюду свет разлился” — свидетельство того, как благоговейно относились к Ньютону при жизни. И еще долго после смерти Ньютона в 1727 году его авторитет был непререкаем и никто не смел подвергнуть сомнению его представление о природе света. Лишь на заре XIX века английский эрудит Томас Юнг бросил Ньютону вызов. Со временем его работа привела к возрождению волновой теории света.
Родившийся в 1773 году Юнг был старшим из десяти детей в семье. Он бегло читал уже в два года, а к шести годам дважды прочитал всю Библию. Юнг, врач по образованию, знал более десяти языков и внес существенный вклад в дешифровку египетских иероглифов. Получив от дяди наследство и приобретя таким образом независимость, он смог заняться научными изысканиями, удовлетворяя свое непомерное любопытство. Юнга интересовала природа света. Он решил исследовать сходство и различие между светом и звуком, а заодно прояснить “одно или два неясных места в теории Ньютона”68. Юнг был убежден, что свет представляет собой волну, и поставил эксперимент, положивший конец корпускулярной теории Ньютона.
Юнг направил монохроматический свет на экран со щелью. Пройдя через щель, свет попадал на второй экран с двумя очень узкими параллельными щелями, расположенными близко друг к другу. Как фары автомобиля, эти две щели служили новыми источниками света, или, как писал Юнг, “центрами расхождения, от которых свет благодаря дифракции расходится во всех направлениях”69. На сплошном экране, расположенном за экраном с двумя щелями, Юнг увидел светлую полосу в центре, окруженную с обеих сторон чередующимися светлыми и темными полосами.
Рис. 4. Эксперимент Юнга с двумя щелями. Справа — картина интерференции.
Юнг использовал аналогию, чтобы объяснить появление “интерференционных полос”. Бросим два камня в озеро. Места, где они падают в воду, находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Каждый камень приводит к появлению волн. Зыбь, образованная одним из камней, наталкивается на зыбь, источником которой является другой камень. Там, где встречаются впадины или гребни двух волн, они сливаются, образуя одну новую впадину или гребень. Это конструктивная интерференция. А там, где встречаются гребень и впадина, они гасят друг друга, оставляя поверхность воды невозмущенной. Это деструктивная интерференция.
В эксперименте Юнга световые волны, исходящие из двух щелей, прежде чем попасть на экран, точно так же интерферируют. Яркие полосы являются результатом конструктивной интерференции, темные — деструктивной. Юнг понял, что этот результат можно объяснить, только предположив, что свет — это волна. Корпускулы Ньютона просто привели бы к появлению на экране двух ярких изображений щелей, а между ними все осталось бы темным. Иная интерференционная картина была бы просто невозможна.
В 1801 году Юнгу, впервые выдвинувшему идею интерференции и сообщившему о результатах своих экспериментов, пришлось выдержать яростную атаку в печати. Ведь он посягнул на самого Ньютона! В свою защиту Юнг напечатал брошюру, в которой объяснил свое отношение к Ньютону: “Но, как бы я ни благоговел перед Ньютоном, это не значит, что я должен считать его непогрешимым. Без торжества, но с сожалением я вижу, что и он совершал ошибки, а его авторитет, возможно, иногда даже замедлял развитие науки”70. Юнг продал один-единственный экземпляр своей брошюры.
Человеком, вслед за Юнгом попытавшимся выйти из тени Ньютона, был французский инженер Огюстен Жан Френель. Он был на пятнадцать лет моложе Юнга и ничего не знал о нем. Френель независимо открыл не только явление интерференции, но и повторил многие другие результаты Юнга. В сравнении с экспериментами его английского коллеги изящные эксперименты Френеля отличались тщательностью, а результаты сопровождались безупречными математическими расчетами. Они были поданы так, что к 1820 году число новообращенных маститых сторонников волновой теории стало расти. Работы Френеля убеждали: волновая теория лучше корпускулярной теории Ньютона объясняет целый ряд оптических явлений. Мало того, Френель опротестовал обвинение, давно тяготевшее над волновой теорией: якобы она не дает ответа на вопрос, почему свет не может поворачивать за угол. Френель утверждал, что может. Но поскольку длина волны света в миллионы раз меньше длины волны звука, отклонение светового луча от прямой линии очень мало, и поэтому его трудно заметить. Волна изгибается только вокруг таких препятствий, размеры которых несущественно превышают длину волны. Звуковые волны очень длинны, и поэтому они могут огибать большинство барьеров.
Убедить оппонентов и скептиков сделать выбор между двумя конкурирующими теориями можно было, поставив эксперимент, для которого эти теории предсказывали разные результаты. Таким экспериментом, проведенным в 1850 году во Франции, стало измерение скорости света в средах плотнее, чем воздух. Оказалось, что в стекле или воде свет распространяется медленнее. Это полностью совпадало с предсказанием волновой теории. Корпускулярная теория Ньютона не могла объяснить, почему свет движется именно с такой скоростью. Но оставался вопрос: если свет — это волна, то каковы ее свойства? Здесь на сцене появляется Джеймс Клерк Максвелл со своей теорией электромагнетизма.
