Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

«В этой работе вы не найдете рисунков. Излагаемые мною методы не нуждаются ни в построениях, ни в рассуждениях геометрического или механического характера, а лишь в алгебраических операциях, подчиняющихся строгим и единообразным правилам».

В результате Лагранж объединил и развил все разделы механики — статику и гидростатику, динамику и гидродинамику (в позднейшее время к ним были присоединены аэродинамика, теория упругости и механика твердых тел).

Двигаясь в этом направлении Гамильтон создал удивительную оптику, превратив геометрическую оптику в формальную теорию, позволяющую проектировать приборы без геометрических построений. В формализме Гамильтона неожиданно объединились оптика и механика. Этот формализм почти через девяносто лет лег в основу волновой механики Л. де Бройля и квантовой механики Э. Шредингера. Скачок в микромир, о котором Гамильтон даже не помышлял!

Гамильтон доказал, что он достиг поставленной цели, предсказав на основе своей теории неизвестные явления, обнаруженные последующими опытами. Самое известное из них — коническая рефракция: узкий луч света, падающий на некоторые кристаллы, например, на кристалл исландского шпата, ведет себя необычно. В зависимости от ориентации луча света относительно осей кристалла, узкий луч распространяется внутри кристалла в форме расходящегося полого конуса и выходит из кристалла в форме полого цилиндра. Поставив на пути этого луча экран, можно увидеть на нем светлое кольцо, размеры которого не зависят от расстояния до экрана. Это явление называют внутренней конической рефракцией. При другом положении осей кристалла падающий на него луч испытывает обычное преломление, но выходит из кристалла в форме расходящегося полого конуса. В этом случае размер светлого кольца на экране зависит от расстояния до экрана (внешняя коническая рефракция).

Так Гамильтон построил математическую теорию оптических явлений, не связанную ни с эфиром, ни с корпускулами. Но физики не могли избежать вопроса — что же такое свет?

ЭФИРНЫЙ ВЕТЕР

Френелевская гипотеза упругости эфира породила вопрос: неподвижен ли эфир? Или он неподвижен только в пустом пространстве, а та его часть, что проникает внутрь материальных тел, движется вместе с ними?

Араго проделал простой опыт, наблюдая преломление света, приходящего от звезд. Оказалось, что вопреки корпускулярной теории, которой он придерживался, движение Земли не влияет на преломление света.

Араго попросил Френеля рассмотреть задачу: совместим ли этот результат с волновой теорией света? Френель ответил, что результат согласуется с волновой теорией, если признать, что эфир увлекается веществом лишь частично. Это значит, что движущееся тело увлекает не весь содержащийся в нем эфир, а лишь его избыток.

Вспомним, что для объяснения преломления света Френель предположил, что эфир, проникая внутрь прозрачных сред, уплотняется. Это значит, что внутри прозрачных тел имеется избыток эфира по сравнению с его количеством, находящимся в равновеликом объеме пустого пространства. Чем больше в данном теле избыток эфира, тем больше преломляющая способность этого тела, тем меньше в нем скорость распространения света. Отвечая Араго, Френель был вынужден принять, что движущееся тело увлекает с собой только избыток находящегося внутри него эфира.

Мысль Френеля о частичном увлечении эфира движущимся телом подтверждает и эффект Допплера. Австрийский физик Х. Допплер показал, что при приближении источника света к наблюдателю период колебаний света кажется меньшим, чем для неподвижного источника. Напротив, при удалении источника период колебаний света кажется большим (обычно говорят соответственно о «фиолетовом» и «красном» смещении, то есть об изменении цвета в сторону фиолетового или красного концов видимого спектра).

Заметим, что эффект Допплера наблюдается и в акустике как повышение или соответственно понижение тона гудка паровоза, проходящего мимо наблюдателя.

Гипотезу частичного увлечения эфира оспаривал английский физик и математик Д. Стокс. Он, среди прочего, разработал теорию вязкости жидкостей и рассмотрел процесс движения твердых тел в таких жидкостях. На основе этой теории Стокс склонялся к идее о том, что эфир полностью увлекается движущимся веществом, но при удалении от движущегося вещества скорость эфира постепенно уменьшается до нуля.

Теперь пора вспомнить английского астронома Д. Брадлея и его замечательное открытие. История этого открытия прослеживается со времени Коперника. Считалось, что годичное движение Земли должно сопровождаться регулярным смещением видимого положения звезд на небе. Многие астрономы пытались его обнаружить, но тщетно. Лишь Гук, убежденный в том, что это смещение должно существовать, объявил о том, что он его обнаружил. Причина этого ожидаемого смещения совпадает с кажущимся смещением предметов, когда их наблюдают то одним, то другим глазом. Такое смещение называют параллаксом. Сейчас его применяют в приборах для измерения расстояния — дальномерах.

Брадлей тоже поставил целью обнаружить это «параллаксическое смещение». В его время уже было ясно, что смещение очень мало. Поэтому он тщательно готовился к наблюдениям. Он воспользовался хорошим телескопом, построенным его приятелем С. Молине. Они установили телескоп почти вертикально, так, что одна из звезд созвездия Дракона появлялась в поле зрения каждый раз, когда проходила через меридиан. Были приняты все возможные меры, чтобы телескоп не менял своего положения в течении года.

Первые наблюдения были проведены 14 декабря 1725 года. Уже 28 декабря Брадлею показалось, что он заметил небольшое перемещение звезды на юг. 1 января смещение звезды наблюдалось совершенно надежно. 13 марта звезда достигла крайнего положения и начала смещаться к северу. В сентябре она снова изменила направление движения и постепенно возвратилась в исходное положение.

Казалось, Брадлей должен торжествовать. Ведь он ожидал, что наблюдая видимое положение звезды с различных точек орбиты Земли, он будет воспринимать результат наблюдения, как смещение звезды относительно оси телескопа. Но он умел критически относится к результатам наблюдения. Он сразу обнаружил нечто неожиданное: звезда изменяла направление движения тремя месяцами позже, чем если бы смещение происходило вследствие параллакса.

Тогда Брадлей предположил, что видимое смещение звезды связано с колебаниями земной оси, но и эта гипотеза была отвергнута наблюдениями. Исследования продолжались еще два года. В это время Брадлей выдвинул и отверг несколько гипотез.

Вскоре Брадлей установил собственный телескоп, при помощи которого он мог видеть регулярные смещения еще нескольких звезд. Сопоставляя результаты наблюдения всех звезд, доступных его телескопу, Брадлей внезапно понял, что происходит.

Он видел результат, проистекающий из наложения двух явлений — годичного движения Земли и конечной величины скорости света.

Это легко понять из простого примера. На якоре стоит корабль. Внезапно его навылет пробивает снаряд. Взглянув через два отверстия, вы увидите стрелявшую пушку. Пусть теперь корабль движется перпендикулярно направлению выстрела. Когда он поравняется с пушкой, она вновь стреляет. Но за то время, пока снаряд летит от одного борта к другому, корабль перемещается так, что выходная пробоина оказывается смещенной относительно входной. В результате этого прямая, проведенная