Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Идея Гримальди о поперечных колебаниях эфира тоже оказалась забытой и возродилась лишь через сто лет.

Следующий существенный шаг в истории эфира сделал Т. Юнг, английский врач, предметом диссертации которого в области медицины были исследования человеческого голоса. Юнг отличался широким диапазоном интересов. Вероятно по аналогии с периодическим усилением и ослаблением звуков, — звуковыми биениями, — которые он объяснял наложением двух звуковых волн, он заинтересовался периодичностью, возникающей при оптических явлениях. Он, по-видимому, узнал о них из книг Ньютона. Но теория «приступов», при помощи которой Ньютон объяснил цвета тонких пленок и пластин, казалась ему слишком искусственной.

Дискутируя с Ньютоном, Юнг опирается на самого Ньютона, который объяснил взаимным наложением двух волн сильные приливы у Филиппинского архипелага, изученные Галилеем.

Юнг проводит мысленный эксперимент с двумя волнами одинаковой длины и высоты, бегущими с постоянной скоростью по поверхности озера. Пусть эти волны приходят к каналу, выходящему из озера. Возможны два случая. Первый — вершины одной из волн накладываются на вершины другой; в канале возникает волна большей величины, чем при наличии лишь одной из волн. Второй случай — вершины одной из волн совпадают с впадинами другой; поверхность воды в канале остается ровной.

Юнг не только понял существо явления, но и придумал для него подходящий термин, составленный из двух латинских слов: интер (между) и ференс (несущий) — взаимодействие между несущими (волнами).

«Так вот, — заключает Юнг, — я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».

В 1802 году Юнг подкрепил свой мысленный опыт реальным. Он проделал булавкой два близких отверстия в непрозрачном экране и направил на них свет, проходящий через небольшое отверстие в ставне. От каждого из булавочных отверстий распространяются два расширяющихся конуса света. Там, где они перекрываются, образуются чередующиеся темные и светлые полосы. Сторонники корпускулярной теории света должны были ожидать в этой зоне равномерное усиление освещенности. Но этого не было.

Так Юнг впервые осуществил экспериментальное подтверждение волновой природы света. Волновая теория света, казалось, получила надежное опытное обоснование.

Юнг вывел целый ряд следствий из принципа интерференции. В частности он объяснил эмпирические результаты, полученные Ньютоном при наблюдении полос, возникающих в воздушном зазоре между выпуклой линзой и плоской стеклянной пластинкой. Более того, он заполнил этот зазор водой и, обнаружив, что кольца, видимые в этом зазоре, уплотнились, решил старый спор между Гюйгенсом и Ньютоном.

Из волновой теории Гюйгенса следовало, что длина волны света в более плотной среде уменьшается, а значит уменьшается и скорость света. Корпускулярная теория Ньютона предсказывала увеличение скорости света в более плотной среде. Опыт решил в пользу волновой теории.

Интересно, что выполнив описанный выше мысленный опыт с поперечными волнами на поверхности воды, Юнг продолжал, вслед за Гюйгенсом, считать, что свет распространяется волнами сжатия и разрежения.

Вероятно, тому было две причины. Одна из них — его опыты со звуковыми волнами сжатия и разрежения. Вторая — авторитет Гюйгенса и общая уверенность в том, что эфир аналогичен воздуху, а внутри газообразных сред поперечные волны невозможны.

Но под модель разреженного, способного сжиматься эфира уже была подведена мина. Ее заложил сам Гюйгенс. Он обнаружил, что луч света, расщепившийся на два луча, то есть испытавший двойное лучепреломление в кристалле исландского шпата, испытывает самое обычное преломление, если на его пути поставить второй кристалл исландского шпата, ориентированный так же, как первый. Если же второй кристалл повернуть, то и в нем тоже возникнет двойное лучепреломление.

Это было необъяснимо.

Многие исследователи в начале XIX века изучали эти явления. Французский военный инженер Э. Малюс в 1808 году сумел математически описать все детали таинственного поведения лучей света в кристаллах. Но он не смог найти основу своих расчетов в волновой теории света и вновь возвратился к корпускулярной теории, опираясь на предположение Ньютона о том, что корпускулы света обладают полярностью. Так возник термин «поляризация света», доживший до наших дней, а многообразные проявления поляризации света стали подтверждением корпускулярной теории Ньютона.

Победоносное шествование корпускулярной теории продолжалось семь лет.

Причиной дальнейшей метаморфозы во взглядах на природу света оказалась политика. Как известно, 1 марта 1815 года Наполеон бежал с острова Эльба и высадился на юге Франции. Дорожный инженер О. Френель примкнул волонтером к роялистским войскам, пытающимся преградить дорогу Наполеону. Эта попытка не удалась. Начались последние «Сто дней» величия Наполеона. Естественно, что роялист Френель уволен со службы и вынужден отправиться в провинцию.

Там, чтобы обрести душевный покой, он занялся оптическими опытами, не имея никакой специальной подготовки и пользуясь примитивным оборудованием.

«Сто дней» закончились поражением Наполеона и Френель был вновь принят на службу, но не перестал заниматься оптикой. Уже 15 октября того же года Френель направил Парижской академии наук два мемуара, посвященных мало изученной в то время проблеме распространения света.

Дифракцию — огибание светом непрозрачных препятствий, — обнаружил, как мы знаем, Гримальди. Исходя из своих опытов Френель пришел к заключению о том, что огибание глубоко связано с взаимодействием различных частей пучка света, попавших в точку наблюдения по различным путям. Так Френель, независимо от Юнга, пришел к принципу интерференции.

Обдумывая свои опыты Френель сопоставил принцип интерференции с принципом огибающей элементарных волн, выдвинутым Гюйгенсом. Внезапно он понял, что таким путем опровергается основное возражение против волновой теории света. Начиная с Ньютона ученых отпугивало то, что волновая теория не могла объяснить очевидного факта — прямолинейного распространения световых лучей.

Несложный расчет показал Френелю, что узкий пучок света, распространяющийся в пустом пространстве, где отсутствуют экраны или другие препятствия, продолжает распространяться прямолинейно. Почему? Потому, что все волны, которые, казалось, должны были бы разбегаться в стороны, гасят друг друга в результате интерференции. Эта же интерференция приводит к сложению тех частей «разбегающихся волн», которые образуют световые колебания, распространяющиеся вдоль прямой.

Позже профессиональные физики, лучше владевшие математикой, усовершенствовали расчеты Френеля и подтвердили его выводы: волновая теория безупречно объясняет факт прямолинейного распространения света в пространстве, свободном от препятствий.

Френель продолжал исследовать свойства света. Он вновь сопоставил дифракцию — огибание светом препятствий с интерференцией — взаимным наложением световых волн, испущенных общим источником, но прошедших различные пути. Через три года он представил на конкурс, объявленный Парижской академией наук, новый обширный мемуар. В конкурсную комиссию входили три убежденных ньютонианца: Лаплас, Пуассон и Био. Входили в нее также Гей-Люссак, не работавший в области оптики, но игравший роль беспристрастного арбитра, и Араго, обладавший способностью быстро