Сергей Суворов - О чем рассказывает свет
На примере развития техники спектрального анализа видно, что по мере того, как возникают трудности и ставится новая задача, находятся и пути ее разрешения.
О природе света
Борьба материализма и идеализма в физике
В этой книжке мы уже видели, как сложен путь науки. Сколько было споров о том, что такое свет — поток частиц или череда волн! Казалось, что в XIX веке этот спор был решен окончательно, притом решен в пользу волновой природы света. Этот вывод подтверждали все опыты, об этом говорила и стройная систематика излучений — шкала электромагнитных излучений, отличающихся друг от друга только длинами волн. Однако в XX веке споры эти разгорелись вновь и на новой основе.
Казалось бы, что все это — чисто физические споры. И решаться они должны легко: в чью пользу говорит опыт, тот и прав. Сама природа дает ответ, разрешает все сомнения.
На самом деле вопрос не так прост. Ведь иногда новый экспериментальный материал приводит к необходимости менять старые представления. Происходит бурная ломка понятий. Возникает вопрос о том, какова же ценность тех представлений, которые мы сначала создаем, а затем сами должны менять. К чему они относятся — к объективному миру вне нас или же это только способ «упорядочить» наши собственные восприятия? Так наступает кризис познания.
Сомнения в объективности законов природы распространяют на общественное развитие: если в природе нет объективных законов и все развивается произвольно, то объективных законов в развитии общества не существует и подавно. Например, захотят властные люди, и общество будет развиваться не к коммунизму, а к феодализму! И напротив, кто заинтересован именно в таком толковании произвольного развития общества, тот заинтересован в том, чтобы такое же мнение распространялось и на толкование законов природы: нет объективной природы, нет ее законов, независимых от человека, а есть только человеческое восприятие, которое он «упорядочивает».
Это — позиция субъективного идеализма. В развитии подобных взглядов заинтересованы господствующие классы капиталистического общества.
Никто не может отрицать, что в процессе познания физических свойств природы возникают трудности. Это, как говорят философы, теоретико-познавательные, или гносеологические трудности. В ходе познания они всегда преодолеваются. Но коль скоро они возникают, вокруг них разгорается идеологическая борьба.
Раскрывая процесс познания свойств света, мы должны рассказать и о том, какие гносеологические трудности при этом возникали уже в нашем веке и как идеалисты пытались обратить их в свою пользу.
Мы снова возвращаемся к вопросу о том, что такое свет, какова его природа, но возвращаемся уже на новой основе.
Вопрос этот физики ставили двояко. Первый смысл вопроса таков: что такое свет — вещество или не вещество? И если не вещество, то что это такое? Второй смысл вопроса: что такое свет — частицы или волны?
Посмотрим, как отвечали физики на эти вопросы и какая идеологическая борьба шла вокруг их ответов.
Свет — это не вещество
Веществом физики издавна называли все окружающие нас тела, небесные и земные, а также те части, из которых они состоят, — молекулы и атомы. Вещество обладает рядом характерных для него свойств. В XIX веке эти свойства представляли в следующем виде. Вещество воспринимается нами непосредственно: например, все тела видимы, а если молекулы и атомы невидимы, то только в силу их чрезвычайной малости. Если же мы сложим эти «малости» в одно целое, то целое будет видимо. Вещество обладает механическими свойствами. Оно непроницаемо. Частицы и тела притягивают друг друга, а заряженные либо притягивают, либо отталкивают. Одно тело (или частица) передает энергию другому либо при помощи удара, либо при помощи упругих волн. Движение вещества — это перенос его из одного места пространства в другое. К веществу применимы законы сохранения массы, энергии, импульса (импульсом тела называют в механике меру механического движения, пропорциональную массе и скорости тела). Таково было представление о веществе в прошлом веке.
Когда было доказано, что свет обладает волновыми свойствами, ученые стали искать такое подходящее вещество, в котором можно создать упругие волны; с помощью таких волн в веществе они думали объяснить все световые явления.
Но такого вещества в природе не находилось. Свет распространяется даже там, где физики не находили никакого вещества. Многие известные свойства света (в частности, характер колебаний) оказалось невозможным совместить со свойствами любого из известных веществ. Тогда физики придумали некую мировую среду — мировой эфир. Эфир мыслился как вещество, но чтобы в нем могли протекать электромагнитные процессы, его пришлось наделить особыми свойствами. Считалось, что эфир заполняет сплошь все пространство, пронизывая также и тела. Непосредственно органами чувств он не воспринимается. Эфир мыслился неподвижным в целом и покоящимся во всех своих частях. Временами по нему пробегают упругие волны; их мы и воспринимаем как свет (вообще как электромагнитные излучения).
Ученые (в том числе и Максвелл) думали с помощью этого эфира создать механическую модель световых процессов. Но такая модель не получалась. Для объяснения одного свойства света эфир наделяли одним качеством, для объяснения другого свойства — другим качеством и т. д. Но все эти придуманные качества эфира вставали в противоречие друг с другом. Всякие новые попытки приводили только к нагромождению новых противоречий. Английский ученый Уипекер очень хорошо описал это нагромождение противоречий в двухтомной книге «История теорий эфира и электричества». Это очень поучительные страницы истории физики.
Итак, все многочисленные остроумные попытки крупнейших физиков XIX века построить теорию светоносного эфира пропали даром. Причина этого ясна. В самой задаче было внутреннее противоречие: механическая модель не могла выразить электромагнитные процессы. Никакими механическими свойствами придуманного вещества — эфира нельзя объяснить электромагнитные свойства света.
Свет — это не вещество и не его движение.
Толкование света как лучистой энергии
Физики стали думать над тем, что такое свет. В нем хотелось найти то, что сохраняется, что оставляет след, когда самого света уже нет, что может быть передано от одного тела к другому, скажем, от Солнца к Земле. Свет, действительно, можно характеризовать с этой стороны: он передает энергию. Солнечный свет передает на Землю огромную энергию, которая во много раз превышает энергию, добываемую человеком в окружающей природе.
С энергией физики знакомы давно. Но когда они имели дело с веществом, у энергии был носитель — вещество. Одно тело передавало энергию другому, по само тело — носитель — сохранялось как таковое, правда, с меньшей энергией. Попытки найти носитель световой энергии успеха не имели. Тогда физики самый свет стали называть «лучистой энергией». Вся природа разделилась ими на две стихии — на вещество и на лучистую энергию. Так писались и учебники на протяжении многих десятилетий.
Последствия этого шага не замедлили сказаться.
«Энергетизм» против материализма
В XIX веке большинство физиков были материалистами. Но они все еще не знали научного, диалектического материализма и лишь стихийно защищали позицию примитивного, механистического материализма. Из этого вытекали и их поиски вещественной среды — светоносного эфира с механическими свойствами. Многие физики думали: материя — это и есть вещество.
Но такое мнение подменяет широкое философское понятие материи более частным понятием — физическим понятием вещества. Оно ошибочно и ведет к серьезным последствиям. В частности, из него следует, что поскольку лучистая энергия — не вещество, постольку свет уже и не материя.
Такой именно логикой и воспользовались идеалисты. На рубеже XX века в естествознании образовалось особое направление — энергетизм. Его развивали химик Оствальд, физик и философ Мах, а также Гельм и другие. Энергетики пошли еще дальше. Они утверждали, будто современная физика доказывает, что энергией является не только свет, а вообще все в природе; в ней существует только энергия. Что такое палка? — спрашивали энергетики. И отвечали: мы знаем о существовании палки не по тому, что она есть вещество или материя, а по тому, что она сопротивляется нашему движению или же ударяет нас, словом, знаем ее по ее действию, в силу ее энергии. Стало быть, напрасно были многовековые споры о том, что прежде всего — материя или дух, ибо над ними (над материей и духом) стоит энергия. Материализму пришел конец, наступило господство энергетизма.
