Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Исследования хроматической аберрации и история зеркального телескопа позволяют добавить несколько черточек к характеристике личности Ньютона. Бельгийский физик Лукас приобрел известность тем, что, повторив опыты Ньютона по преломлению света в призме, обнаружил численное расхождение своих результатов с ньютоновскими. Ньютон утверждал, что Лукас ошибся, не дав себе труда повторить опыт. Теперь мы знаем, что они пользовались призмами из различных сортов стекла. И нам трудно понять, почему это осталось незамеченным.
Зеркальный телескоп создан Ньютоном целиком на основе собственных исследований и расчетов. Однако не значит, что он был первым. В то время уже существовали достаточно крупные телескопы, совершенно не имевшие линз. А упоминание о зеркальных телескопах встречается еще в трудах Галилея.
Величие Ньютона проявилось и в том, что, сознавая трудность корпускулярной теории, не способной объяснить периодические свойства света, и не имея возможности принять существование эфира, он не занял здесь какой-либо определенной позиции, не пресек, не ограничил авторитетом своего имени дальнейшие исследования.
Но всегда находятся католики, желающие быть святее папы. После смерти Ньютона постепенно забылось, что в последнем издании его «Оптики» он приводит семь аргументов в пользу волновой теории и лишь один против нее. Последователи возвели в абсолют его корпускулярную теорию, и она заняла господствующее положение вплоть до начала XIX века, тормозя развитие науки.
Возрождение
Перелом произошел, когда Юнг возродил волновую теорию для объяснения интерференции, а Френель решил наконец с ее помощью и проблему дифракции.
Томас Юнг начал заниматься физикой и математикой в восьмилетнем возрасте, когда большинство детей лишь начинает знакомиться с азбукой и арифметикой. Через год он приступил к изучению иностранных языков, а также латинского, греческого, древнееврейского и арабского. В это время его главным увлечением стала ботаника. Казалось, мальчика ожидает судьба большинства вундеркиндов — популярность в детстве и быстрое забвение. Но Юнг избежал столь печальной участи. В двадцать лет он опубликовал «Наблюдения над процессом зрения». Здесь на основе своих опытов он поставил под сомнение корпускулярную теорию света, уже, безусловно, отождествлявшуюся с именем Ньютона, и высказался за волновую теорию.
Его дерзость вызвала бурю. Под давлением критики правоверных ньютонианцев Юнг признал необоснованность своих взглядов и на время прекратил занятия оптикой. Он усиленно трудился, готовясь к получению диплома доктора медицины.
Однако мысли о природе света не были оставлены. Опубликованный Юнгом в 1800 году трактат «Опыты и проблемы по звуку и свету» позволяет отчасти заглянуть не только в его физический кабинет, но и в ту чисто психологическую сферу, которую теперь принято называть творческой лабораторией ученого. Юнг упоминает о том месте из третьей книги знаменитого труда Ньютона — «Математические начала натуральной философии», где говорится о работах астронома Галлея, наблюдавшего аномально высокие приливы, возникающие в некоторых местах Филиппинского архипелага. Ньютон объясняет их взаимным наложением приливных волн.
Хорошему артисту достаточно одного слова суфлера, чтобы свободно провести сложный монолог, конечно, если артист достаточно подготовлен к роли предыдущей самостоятельной работой.
Юнг был готов! Частный пример, относящийся к столь далекой от оптики теории приливов, был толчком, породившим лавину.
«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера... Представьте себе далее, что по какой-либо аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, проходящих... с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся, если... вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».
Чисто умозрительное заключение Юнг подтверждает простым и наглядным опытом. Замечательный опыт Юнга может повторить каждый. В куске картона нужно проколоть булавкой два небольших отверстия и осветить их солнечным светом, проходящим через отверстие в закрытом ставне. На противоположной стене или на специальном белом экране возникнет чередование светлых и темных полос: светлые полосы там, где световые волны, проходящие через оба отверстия, накладываются согласованно (в фазе), а темные — там, где они гасят друг друга (накладываются в противофазе).
Если закрыть одно из отверстий, то полосы исчезают. Остаются лишь дифракционные кольца, которые наблюдал еще Гримальди. Исчезают полосы и при открывании ставня, когда узкий пучок света, падающий на оба отверстия, заменяется широким. Так проводил свои опыты Гримальди и, конечно, не мог обнаружить полос.
Работу Юнга восприняли с недоверием, а его соотечественники — англичане насмехались над дилетантом, покусившимся на великое наследие Ньютона. Но теперь Юнг не сдавался.
Луч из волн
Одновременно с Юнгом, ничего не зная о его работах, оптическими исследованиями занимался еще один дилетант, французский дорожный инженер Огюстен Френель. Он участвовал в борьбе против Наполеона, и во время чисток, проходивших в период «Ста дней» после возвращения Наполеона с Эльбы, Френель уехал в деревню. Здесь он начал систематические исследования в области оптики, Средства его были ограничены, столь же бедными были и его экспериментальные возможности. Но мощь интеллекта и привычка обходиться простыми математическими методами позволяли ему извлекать из примитивных опытов поразительные результаты. А инженерная хватка и требовательность к надежности каждого результата делали его опыты безупречными.
Френель начал с изучения теней от малых предметов. В наиболее чистом виде это можно сделать при помощи тонких проволок. И Френель обнаружил систему чередующихся полос, заменяющих резкую границу тени, которую следовало ожидать, исходя из корпускулярной теории. Стоило поднести к проволоке с одной ее стороны край непрозрачного экрана, как светлые полосы внутри тени исчезали. Оставались лишь темные полосы в освещенной части, которые наблюдал еще Гримальди.
Френель объяснил возникновение светлых полос внутри области тени наложением двух частей световой волны, огибающих проволоку с обеих сторон. Так он самостоятельно пришел к пониманию интерференции света.
Впоследствии, узнав о работах Юнга и его опытах с двумя отверстиями и желая полностью отделить явление интерференции от явления дифракции на краях отверстия, Френель придумал опыт с двумя зеркалами и сдвоенной призмой. Это позволило ему расщеплять и вновь сводить вместе световые волны, проходящие через узкую щель, и наблюдать прекрасные интерференционные картины, знакомые теперь любому школьнику.
Френель объединил принцип интерференции с методом элементарных волн и огибающей волны, введенным Гюйгенсом. Получилась законченная система. Притом элементарные волны и их огибающая уже не были чисто геометрическим понятием и способом построения, как у Гюйгенса, но стали самой сущностью световой волны. Френель не ограничился этим, он дал математическую формулировку волновой теории света.
Он показал, что отдельные участки волнового фронта, исходящего из светящейся точки, порождают вторичные волны таким образом, что они полностью гасят друг друга — все, за исключением небольшой центральной части, расположенной на прямой, соединяющей источник света с освещаемой точкой.
Так был разрешен вековой парадокс, стоявший на пути волновой теории света. Найдено объяснение прямолинейных световых лучей, возникающих и остающихся узкими, несмотря на волновую природу света. Вот оно: все волны, отклоняющиеся от прямой, полностью гасят друг друга. Все они гасятся, не препятствуя распространению узкого луча, состоящего из центральных участков волн, бегущих прямолинейно.
Френель сумел математически рассчитать все детали процесса, приводящего к огибанию световых волн вокруг краев предметов, указав, в частности, как этот процесс зависит от длины волны. Так была наконец построена теория дифракции.
Великие математики — Лаплас и Пуассон, а также некоторые физики считали инженера Френеля дилетантом и в математике. Первые статьи Френеля о дифракции подверглись их критике за отсутствие математической строгости.
Парадокс
Через несколько лет Френель заново формулирует свои результаты и представляет их на конкурс Парижской академии наук. Работу рассматривает специальная комиссия — Лаплас, Пуассон, Араго, Био, Гей-Люссак. Трое первых — убежденные ньютонианцы, сторонники корпускулярной теории света. Араго склонялся к волновой теории света, но, как экспериментатор, не мог противостоять безупречной математической логике Лапласа и Пуассона. Гей-Люссак занимался исследованием свойств газов, химией и изучением множества частных вопросов, ни один из которых не имел отношения к оптике. Академики понимали, что Гей-Люссак не может являться авторитетом по существу работы Френеля, но, по-видимому, ввели его в комиссию в расчете на его беспристрастие и безупречную честность. Впрочем, научная добросовестность всех членов комиссии была выше всяких подозрений.
