Сергей Вавилов - Глаз и Солнце
Волновая теория в первой половине XIX века победила теорию истечения Ньютона безукоризненной качественной и количественной точностью своих предсказаний. Но насколько прочна была эта победа? Вспомним, что для Ньютона главным доводом против теории волн было отсутствие механической среды – эфира – в межпланетном пространстве. Устранили ли этот довод Юнг и Френель? Нет, для них именно волновые свойства света казались доказательством бытия эфира. В течение всего XIX века физики тщетно стремились найти прямые доказательства существования эфира. В особенности роковыми для эфира оказались опыты с распространением света в движущихся телах. Если существует неподвижная механическая среда, в которой распространяются световые волны, то, например, годичное движение Земли вокруг Солнца должно сопровождаться своего рода «эфирным ветром», влияющим на оптические явления. На опыте такого «ветра» не оказалось. Следовательно, либо эфира нет, либо он обладает совершенно особыми, не механическими свойствами.
Несмотря на это, волновая теория света получила поддержку, совсем неожиданную, в области электрических и магнитных явлений. На опыте было показано, что электрические и магнитные возмущения распространяются со скоростью света; при этом связь электрических и магнитных состояний такова, что в пространстве при некоторых условиях должны распространяться электромагнитные волны. Эти волны, предсказанные теоретически Максвеллом, были обнаружены на опыте Г. Герцем. А. С. Попов нашел впервые способ претворить электромагнитные волны в могучее средство для сигнализации на дальние расстояния и таким образом положил начало радио. П. Н. Лебедев и другие исследователи показали, что электромагнитные волны обладали всеми известными тогда признаками света – они отражались, преломлялись, поляризовались, обнаруживали дифракцию. Таким образом было открыто еще новое свойство света – он оказался электромагнитным явлением. Это объяснило взаимодействия света и вещества. Вещество, как мы хорошо знаем теперь, построено из электрически заряженных частиц, положительных ядер и отрицательных электронов, расположенных на периферии атомов. Всякое движение этих частиц должно порождать электромагнитные волны, т. е. свет. Наоборот, электромагнитные волны, падая на атомы и молекулы, раскачивают заряженные частицы, энергия волн рассеивается и поглощается.
Вернемся теперь к затруднениям с эфиром. В механической теории световых волн эфир совершенно обязателен; без среды, без эфира не может и существовать механических волн, так же как не может быть звука без воздуха или другой среды. Но с тех пор, как было доказано, что световые волны – электромагнитные, положение круто изменилось. Независимо от того, есть эфир или нет, мы знаем из прямых и хорошо известных опытов, что вокруг заряженных тел существует электрическое поле. Если заряд начинает двигаться, то по законам электромагнетизма в пространстве обязательно появятся электромагнитные волны. Они должны существовать, поскольку существует электрическое поле.
Позволительно, конечно, задать вопрос, а можно ли само электрическое поле объяснить без эфира? На это приходится ответить только одно: бесчисленные попытки, начиная с попыток самого Максвелла, вывести законы электричества и магнетизма на основе представления о механическом эфире оказались до сих пор тщетными.
Независимо от этого, как уже было отмечено, волновая теория света на электромагнитной основе к концу XIX века была доказана, казалось, с несомненностью, а возражение Ньютона об отсутствии эфира потеряло значение, как только стало ясно, что световые волны не механические.
Волновая теория торжествовала, казалось, окончательную победу. В оптике все было «приведено в порядок». Но торжество оказалось очень кратковременным. Не прошло и пяти лет со времени открытия радио, как выяснились квантовые законы действий света, непостижимые с волновой точки зрения. Как может энергия поглощаться целыми порциями, если она подводится непрерывными волнами? С тех пор прошли десятилетия, а недоумение осталось прежним; волновая теория не может ответить на этот вопрос и теперь.
Волновая теория беспомощна перед квантовыми законами действия света. Это неудобное положение таково, что снова приходится вспомнить Ломоносова, который по адресу теории истечения сказал: «Неудобность часто живет в соседстве с невозможностью».
С другой стороны, именно «невозможная» теория истечения снова получила шансы на признание. Для нее нет эфирных затруднений: световые корпускулы летят в пустоте, для них не нужен эфир. Квантовые законы также вполне согласуются с воззрением Ньютона. Молекулы поглощают свет целыми квантами, потому что к ним подлетает либо целая корпускула, либо ничего; поэтому при химических превращениях под действием света разлагаются не сразу все молекулы, а только те, на которые попал квант – корпускула.
Уменьшая яркость волн, мы уменьшаем их размах, напряженность, а ослабляя поток корпускул, мы оставляем действие каждой корпускулы прежним, уменьшая только число корпускул. Квантовые законы действий света в теории истечения значат только то, что свет распространяется целыми квантами – корпускулами.
Но в то же время воскресшая теория истечения по-прежнему не может объяснить интерференции, дифракции и других свойств света, где автоматически все затруднения разрешает теория волн.
Положение, создавшееся в оптике, было совершенно нетерпимым, и физик имел все основания повторять горестную фразу Ломоносова, приведенную в начале этой главы и сказанную именно по поводу теории света. Два совершенно различных воззрения на природу света властвовали каждое в своей области и оставались бессильными в соседней.
Проблеск разрешения трудности появился с неожиданной стороны. Вспомним, как мы пришли к выводу о возможности только двух представлений о свете. Мы основывались на привычных повседневных наблюдениях, показывающих, что механическая передача энергии происходит только двумя способами: посредством частиц или посредством волн. Мыслимо, конечно, сочетание того и другого, но этими возможностями и исчерпывается все, что удается «представить» и «понять».
Классическая механика, созданная, так же как и оптика, Ньютоном, есть математическое обобщение нашего привычного опыта, и выводы ее, в смысле возможных способов передачи энергии на расстояние, ничем не отличаются от наших простых заключений. Так называемая «классическая физика» характеризуется уверенностью, что в законах Ньютона найдена полная истина, сомневаться в которой невозможно. На основе этой уверенности возникло «механистическое» естествознание, стремившееся объяснить все явления природы движением частиц, связанных некоторыми силами и подчиняющихся законам Ньютона.
Основой уверенности в непогрешимости этих законов была, во-первых, их понятность, полное соответствие нашим привычным, вненаучным представлениям, во-вторых, огромный успех классической механики во всех областях естествознания и техники. Между тем эти доводы в пользу законов Ньютона далеко не безупречны. «Понятным» мы называем то, что соответствует нашим привычкам. Мы сравниваем, например, летящий атом с летящей пулей, объясняя или поясняя себе образ атома посредством более привычного образа пули. Но всякому ясно, что в действительности пуля безмерно сложнее атома, и наше «объяснение» сводит более простое к более сложному, но привычному. «Понятность» тех или иных законов и явлений еще не залог их действительной простоты и достоверности. С другой стороны, человек исторически развивается, меняются его навыки, и бывшее ранее непонятным становится постепенно очевидным. Наши привычные представления во многом соответствуют действительному ходу явлений, и по мере развития человек все ближе подходит к постижению истины, однако говорить о полном совпадении наших представлений с абсолютной истиной значило бы отрицать другую бесспорную истину о развитии человека. Короче говоря, уверенность в механистичности природы и в непреложности законов Ньютона покоится, в сущности, на очень зыбком фундаменте «привычки».
Существующий материальный мир – движущаяся материя – представляется нам в двух основных формах – как вещество и свет. Постепенно окрепло убеждение, что вещество во всем своем многообразии построено из отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Вещество казалось поэтому более понятным, чем свет, в котором одновременно обнаруживались свойства и волн и частиц. В то время как неотделимое свойство света – его движение, и мысль о «неподвижном свете» кажется абсурдом, механическая физика вполне примирялась с «покоящимся веществом». Волна немыслима без движения. Если физик и говорит о «стоячих волнах», то он разумеет при этом результат сложения двух волн, бегущих навстречу одна другой. Наоборот, отдельно взятую частицу можно представить вполне неподвижной. Однако такая форма материи, лишенной движения, т. е. ее неотъемлемого свойства, чистая абстракция с точки зрения диалектического мировоззрения. Она действительно оказалась таковой, как это показали новые, совсем неожиданные и удивительные ответы. В опытах, произведенных впервые около четверти века назад, было обнаружено, что поток электронов, протонов и молекул, встречая малые препятствия и отверстия, дает такие же отчетливые дифракционные явления, как и свет, т. е. обладает теми же основными свойствами волн.
