Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Идея о том, что свет состоит из отдельных частиц или, как мы называли их, фотонов, прошла в своем развитии несколько периодов расцвета и упадка. Как мы уже сказали, хотя Ньютону и нравилась эта идея, но решительно связываться с ней узами брака он не стал (хотя, так сказать, пофлиртовал с нею слегка, но она так и не стала для него единственно верной). Однако его авторитет был столь велик, что основанная на представлении о свете как о потоке частиц теория доминировала в науке почти до середины XIX в., когда волновые теории света взяли над нею верх. После того как Максвелл объяснил природу света электромагнитными колебаниями, о чем мы в подробностях поговорим позже, триумф волновой теории света казался неоспоримым. Но в XX в., с возникновением квантовой механики, корпускулярная (основанная на частицах) теория света вернулась вновь – и теперь атомы света были официально наречены фотонами. Привычка Ньютона не выводить из игры множество возможных альтернатив и при этом не отдавать исключительное предпочтение какой-либо одной гипотезе стала провозвестием современного принципа дополнительности.

Для своего фундаментального понимания природы цвета Ньютон нашел отличное практическое применение – он усовершенствовал конструкцию телескопа. До него во всех телескопах использовали пару линз, обычно размещавшихся на противоположных концах длинной трубы. Принцип их действия был таков: свет, исходящий от удаленных объектов, вначале собирался, а затем фокусировался, чтобы создать увеличенные изображения этих объектов. Поскольку лучи разных цветов проходят сквозь линзы по различным траекториям, не все лучи различного цвета получалось точно сфокусировать одновременно, и изображение в телескопе выходило размытым. Эта проблема называется хроматической аберрацией. Ньютон предложил вместо линзы использовать для сбора лучей света вогнутое зеркало и создал телескопы, в которых реализовал эту идею. Его отражающие телескопы (рефлекторы) уменьшали хроматическую аберрацию, а также были проще в изготовлении[26]. По сути, все современные телескопы являются рефлекторами.

Анализ света послужил плодотворным источником научных открытий. Среди всех таких открытий, которые можно перечислять, сейчас я остановлюсь на одном, которое несложно описать, но при этом оно имело огромное значение и не было чуждо поэзии. (Некоторых других мы коснемся позже.)

Когда рассматриваешь спектр солнечного света, то остается впечатление, что он представляет собой сплошную полосу плавно изменяющейся яркости. Но если в опыте используется высококачественная призма, которая разделяет свет очень точно, то в нем можно заметить множество мелких подробностей. Йозеф фон Фраунгофер, занявшийся изучением солнечного спектра в начале XIX в., обнаружил не менее 574 темных полос в спектре, казавшемся до того непрерывным. Причина появления этих полос оставалась непонятой до середины XIX в., когда Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф продемонстрировали, как такие же полосы можно получить и в земных условиях. Если некий объем холодного газа помещается перед раскаленным источником света, этот газ будет поглощать часть света. Газ, как правило, поглощает свет очень выборочно, удаляя из него компоненты в пределах узких спектральных полос. Когда делают спектральный анализ пропущенного через него света, поглощенные цвета в нем отсутствуют, за счет чего в спектре образуются темные полосы.

Различные виды газов (к примеру, газов, состоящих из разных химических элементов) поглощают разные цвета спектра. Поэтому, если мы не знаем, из чего состоит какой-то газ, мы можем понять это, наблюдая, какой именно свет он поглощает! На языке нашей обобщенной химии в переводе Бунзена и Кирхгофа темные линии Фраунгофера говорят нам, что данный атом вещества сочетается только с определенными элементами света, т. е. поглощает определенные цвета, а остальные не трогает. Также есть и обратный эффект, когда нагретый газ излучает свет своих особенных цветов, создавая яркие линии в спектре. В совокупности эти темные и яркие линии похожи на отпечатки пальцев, по которым можно опознать оставившее их вещество.

Таким образом, анализируя свет какой-либо звезды и сравнивая яркие и темные полосы в нем с полученными от разных газов в лаборатории, астрономы могут определить, из чего сделана эта звезда (и узнать много других подробностей об ее атмосфере, откуда и исходит видимый нами свет). Этот метод быстро стал хлебом насущным для физической астрономии и остается таковым по сей день. С фундаментальной точки зрения он позволил нам выяснить, что звезды состоят из тех же самых веществ и подчиняются тем же самым физическим законам, которые мы наблюдаем здесь, на Земле.

Норман Локьер и Пьер Жанссен выполнили ряд наблюдений солнечной короны, загадочные результаты которых сперва поставили под сомнение этот вывод, но в конце концов лишь подкрепили его. В 1868 г. во время солнечного затмения они наблюдали в спектре света от короны яркую линию, неизвестную по наблюдениям какого-либо из газов на Земле[27]. Было решено, что источник этой линии – новый элемент, названный «короний», который посчитали существующим только во внеземных условиях. Но в 1895-м двое химиков из Швеции, Пер Клеве и Нильс Абрахам Ланглет, а также, независимо от них, Уильям Рамзай обнаружили, что ту же самую линию излучает и газ, истекающий из урановых руд. Так восстановилось утраченное было родство между небом и землей. А новый элемент был назван или, точнее говоря, вновь назван гелием – в честь Гелиоса, древнегреческого бога Солнца.

Основные законы ньютоновской механики – это динамические законы, т. е. законы, определяющие, как происходит изменение окружающего нас мира во времени. Динамические законы отличаются от правил геометрии или от тех законов, которые мы обсуждали в главах, посвященных Пифагору или Платону, и которые описывают отдельные объекты или отношения.

Динамические законы побуждают нас расширить наш поиск красоты. Мы должны думать не только о том мире, который есть, но также – главным образом – о более обширном, воображаемом мире того, что может быть. Мир ньютоновской механики – это мир возможностей.

Этот расширенный поиск красоты открывает золото на горе Ньютона (илл. 28). Но необходима небольшая подготовка перед тем, как мы отправимся туда с визитом.

Непосредственные предшественники Ньютона оставили натуральной философии большую нерешенную задачу.

В «Звездном вестнике» (Sidereus Nuncius) Галилея была дюжина его зарисовок Луны, такой, какой он увидел ее через первый астрономический телескоп с 20-кратным увеличением, который сам сконструировал. Пятна света и тени ясно указывали на то, что у Луны весьма неровная поверхность (илл. 16).