Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Это странное явление вызывало интерес у многих ученых, и Ньютон предложил объяснение происходящему в своем научном шедевре «Математические начала натуральной философии» (1688). Океанские приливные волны, по его мнению, входили в залив с двух различных направлений – из Южно-Китайского моря и с юга, со стороны Индийского океана, – двумя путями различной длины, из-за чего одной приливной волне требовалось шесть часов, чтобы достичь берега, а другой – двенадцать. В результате одна приливная волна часто компенсировала отлив на другом направлении, и это приводило к исчезновению одного прилива, а дважды в течение лунного месяца – к исчезновению как прилива, так и отлива (уровень воды тогда оставался неизменным)81. И хотя данное явление в настоящее время рассматривается как частный пример волновой интерференции, Ньютон не стал распространять обобщение на все волновые явления в принципе, считая приливы Бакбо исключительным явлением, характерным для одного конкретного места.
В своем трактате 1800 года Юнг рассматривает интерференцию только применительно к звуковым волнам, не перенося свои выводы на свет, несмотря на то, что основная часть исследования посвящена именно свету. Главным достижением Юнга стало установление существования самого явления интерференции, осознание его фундаментальной роли в волновом движении и понимание того, что оно имеет место повсюду, где сталкиваются различные волны. Однако из описания, которое Юнг приводит в своей работе, невозможно понять ни всю степень оригинальности открытия, ни даже роль самого ученого. Юнг как будто вовсе не стремится привлечь внимание читателя к своему открытию и просто пишет о том, что при пересечении звуковых волн каждая частица той среды, через которую они проходят – например, молекулы воды или воздуха, – принимает участие в движении обеих волн. Юнг не высказывает никаких притязаний на научный приоритет в обнаружении этого явления, словно оно давно уже всем известно и всеми хорошо понимается. Он скромно, как бы между прочим, упоминает о нем, просто исправляя ошибочное мнение одного коллеги82.
В следующем году Юнг распространил объяснение явления интерференции на волны на поверхности воды и света. Позднее он писал:
...
«В мае 1801 года, размышляя над прекрасными экспериментами Ньютона, я обнаружил закон, который, как представляется, способен пролить свет на гораздо большее число интересных феноменов, нежели любой другой оптический принцип, известный доселе.
Я попытаюсь объяснить данный закон с помощью сравнения. Предположим, что некоторое количество одинаковых волн проходит по поверхности стоячего озера с определенной постоянной скоростью и входит в узкий канал, ведущий из озера. Предположим, что какая-то сходная причина вызывает еще одну подобную серию волн, которые попадают в тот же канал с той же скоростью и в то же самое время, что и первые. Ни одни из этих волн не уничтожат другие, но, напротив, их воздействия объединятся. Если, к примеру, они войдут в канал в тот момент, когда максимальный подъем одной серии волн совпадет с максимальным подъемом другой, они вместе вызовут последовательность еще больших объединенных максимумов. Но если подъем в одной серии волн совпадет со спадом в другой, то подъем скомпенсирует упомянутый спад и поверхность воды останется ровной. По крайней мере, мне не удалось отыскать никакого альтернативного объяснения ни на основе теоретических изысканий, ни с помощью эксперимента.
В настоящее время я склонен полагать, что подобный эффект имеет место всякий раз, когда таким образом смешиваются две порции света, и это я называю общим законом интерференции света»83.
При интерференции волн на поверхности воды гребни различных волн могут накладываться друг на друга, приводя к еще большему подъему воды, в то время как при «гасящей» интерференции, то есть при совпадении гребня одной волны и долины другой водная поверхность остается неизменной. Нечто подобное происходит и в случае со светом, если считать, что его сила связана с амплитудой колебаний в какой-то волне. В тех случаях, когда фазы колебаний накладывающихся световых волн совпадают, волны усиливают друг друга и возникают участки большей освещенности. В тех же случаях, когда гребень одной волны приходится на долину другой, они гасят друг друга и возникают темные участки.
Данное Юнгом объяснение интерференции подходило и для объяснения многих других явлений, до того времени ставивших исследователей в тупик. Наиболее впечатляющим было объяснение так называемых ньютоновых колец – серии концентрических колец, появляющихся, когда к выпуклой линзе прикладывают плоскую стеклянную пластину. Юнг объяснил появление колец, описанных Ньютоном, предположив, что темные участки в них были результатом гасящей интерференции.
Хотя изложение Юнга часто бывало туманным, демонстрации ученого всегда отличались предельной ясностью, простотой и убедительностью, что было следствием его собственного превосходного понимания проблемы. В 1803 году он прочел на заседании Лондонского королевского общества доклад под названием «Эксперименты и расчеты в физической оптике», который начинался так:
...
«Проводя некоторые эксперименты с цветовой каймой по краям теней, я обнаружил столь простое и убедительное доказательство общего закона интерференции двух порций света… что счел нужным вкратце изложить перед Королевским обществом факты, которые мне представляются столь значимыми… Эксперименты, которые я намереваюсь здесь описать… могут быть повторены без особого труда в любом месте, где светит солнце, и без каких-либо специальных приспособлений, за исключением тех, что имеются в распоряжении любого»84.
В первом из таких экспериментов Юнг иглой проделал крошечную дырочку в листе плотной бумаги, закрывавшем окно, так, чтобы на противоположную стену падал тонкий лучик света. Когда в этот луч вводили «кусочек картона шириной примерно в одну тридцатую дюйма», то с обеих сторон тени, которую этот кусочек бросал на стену, возникала еще одна небольшая тень с окрашенными краями. Дифракция света – серия параллельных черных и белых полос – наблюдалась и на самой тени. В настоящее время этот эксперимент рассматривается как самое явное доказательство наличия интерференции.
В лекциях Юнга, опубликованных в 1807 году, особенно поражают диаграммы и демонстрации. В двадцать третьей лекции («О теории гидравлики») концепт интерференции применяется к волнам на воде. Для ее сопровождения Юнг изготовил неглубокий сосуд с двумя источниками волн. Вершины и впадины обеих групп волн создают устойчивую структуру, благодаря которой отчетливо виден сам процесс интерференции. Это устройство стало прототипом волнового бассейна, знакомого большинству студентов, изучающих физику (рис. 14).
Рис. 14. Интерференционная картина, возникающая при наложении волн от двух расположенных рядом источников колебаний (рисунок Юнга)
А в лекции номер 39 («О природе света») Юнг рассказывает о явлении интерференции в оптике. Для сопровождения этой лекции он ставил эксперимент, который не только самым ярким способом демонстрирует интерференцию света, но и служит классическим доказательством его волновой природы. Юнг описывает свой опыт так:
...
«Луч однородного света падает на экран, в котором проделаны два маленьких отверстия или прорези, каковые могут рассматриваться как центры расхождения, от которых свет распространяется во всех направлениях».
Два отверстия или прорези становятся, таким образом, двумя источниками волн, подобно таковым в волновом бассейне. И если в волновом бассейне мы наблюдаем структуру процесса интерференции в виде двух групп перекрывающихся окружностей с линиями, исходящими из точки между двумя источниками, то зритель упомянутого эксперимента должен был наблюдать ту же самую структуру при падении лучей света на экран. Юнг продолжает:
...
«В этом случае, когда два практически сформировавшихся луча оказываются на поверхности, размещенной у них на пути, их свет разделяется темными полосами на почти равные участки, которые, однако, становятся шире по мере удаления поверхности от отверстий… и, соответственно, также шире пропорционально близости отверстий друг к другу»85.
В данном случае интерференционный узор состоит из параллельных полос света, в котором яркие полосы соответствуют тем участкам, где световые волны усиливают друг друга, а темные полосы – участкам, где они гасят друг друга.
