Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Единственной загвоздкой в теории был вопрос о том, через какую среду волны света распространяются. Для океанических волн это вода, для звуковых — воздух (или любое другое вещество). Но вот что пронизывают волны света? Поскольку непременным условием распространения остальных волн является наличие среды, а свет может распространяться в вакууме, сторонники теории волн должны были предъявить некий люминофорный (иными словами, светоносный) эфир. Однако никто не имел ни малейшего понятия о том, из чего этот эфир может состоять.

Исаак Ньютон в своем труде «Оптика», впервые опубликованном в 1704 году, выдвинул другую концепцию света, предположив, что свет состоит не из волн, а из мельчайших частиц — корпускул. Идея надолго поселилась в умах человечества — «Оптика» оставалась основополагающим трудом, описывающим поведение света, на протяжении всего XVIII века. (Уж в названии такой книги можно было обойтись и без орфографических ошибок.[63]

Проведя хитроумные эксперименты, Ньютон пришел к любопытным выводам о том, что и почему со светом происходит, когда его лучи при прохождении через стеклянный стакан в результате дифракции отклоняются. В своем известном опыте с призмой ученый продемонстрировал, как солнечный луч разделяется на составляющие его радужные цвета спектра. Корпускулярная теория света была центральной темой трактата, хотя вошла в него лишь как один из вопросов в конце пересмотренного издания 1717 года: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?»

Рассуждая в форме вопросов об оптических явлениях, Ньютон предположил, что свет состоит из мельчайших частиц. Когда солнечный луч проходит через стеклянную призму, он разделяется на разные цвета. Что если каждый цвет соотносится с частицами определенного размера? Самым малым размером ученый наделил частицы фиолетового спектра, а самым большим — красного. И хотя экспериментальным путем он свою теорию не подтвердил, его авторитет в науке был так весом, что ученые в основной своей массе его корпускулярную теорию света приняли. И отказались от нее крайне неохотно — только в начале XIX века, когда стали появляться первые свидетельства в пользу того, что свет — это все-таки волна. В частности, это было наиубедительнейшим образом продемонстрировано на примере одного опыта. Этот важнейший для современной физики опыт поставил не маститый ученый, а любитель, не утруждавший себя возней в лаборатории. В ходе опыта выяснилось, что для света характерно основополагающее свойство волн — интерференция.

* * *

Родившийся в 1773 году Томас Юнг был человеком от природы одаренным, владел несколькими языками. Грамоте научился в два года, а к четырем прочитал от корки до корки Библию, причем дважды. Прошло каких-то тридцать лет, и он начертил оптическую схему, при виде которой екнуло бы сердце любого пролетающего мимо мотылька-однодневки.

Угадайте, кому в подарок на Рождество достался компас?

Юнг познакомил научную общественность со своей схемой во время чтения «Курса лекций по естественной философии и механическому искусству» в Королевском обществе в 1807 году. Оптическая схема объясняла взаимодействие волн, «образовавшихся от двух камешков одинакового размера, брошенных в пруд в одно и то же время». Говорят, Юнга осенило, когда он, прогуливаясь возле пруда кембриджского Эммануэл-Колледжа, увидел расходившиеся от пары лебедей круги ряби, волны которых накладывались. Однако, демонстрируя схему, он имел в виду вовсе не волны в пруду, а поведение света.

Юнг считал, что схема наглядно объясняет поведение не только водной ряби, но и солнечного луча, проходящего через две прорези экрана (отмеченные буквами А и В) и выходящего в виде волн. Свет, имея волновую природу, должен расходиться от каждой прорези на манер волн, проходящих через узкую щель дамбы; такое свойство волны, дифракция, хорошо известно. Юнг предположил: если свет является волной, тогда выходящие из обеих прорезей и накладывающиеся лучи должны интерферировать друг с другом — как и волны в воде. Только в случае со светом вместо участков более или менее спокойной воды должны проявиться участки большей и меньшей освещенности. Область особо заметного волнения в случае со световыми волнами будет областью особенно яркого освещения; область менее заметного волнения будет областью менее освещенной. Именно такое заключение, утверждал Юнг, позволил сделать опыт с экраном. В ходе опыта лучи, наложившись, образовали следующую картину:[64]

В опыте Юнга свет не был таким четким (данный опыт проведен с использованием лазера), однако лучи, проходившие через две прорези, вне всяких сомнений интерферировали, образуя области более светлые и более темные

Юнг считал, что объяснить результаты данного опыта, исходя из ньютоновской корпускулярной теории света, нельзя, в то время как появление светлых и темных участков по краям «может быть с легкостью выведено из интерференции двух встречающихся волн, которые либо усиливаются, либо взаимно уничтожаются». Наверняка его доводы показались вам убедительными, правда? В самом деле, как можно объяснить результаты опыта, основываясь на теории, будто свет состоит из мельчайших частиц? Ведь если к одним частицам прибавить другие частицы, получится еще больше частиц. То есть света.

Однако ньютоновская теория пустила в умах ученых мужей настолько глубокие корни, что к доводам Юнга прислушались лишь по прошествии десятка лет. И пускай на примере воды видно, что волны при ослабляющей интерференции друг друга уничтожают — предположение о том, что свет плюс свет равняется темноте, казалось слишком уж нелогичным. Шотландец Генри Брум, юрист и ярый поборник теории Ньютона, обрушился на Юнга со злобными нападками. На страницах принадлежавшей ему влиятельной газеты «Эдинбург ревю» Брум писал, что не обнаружил в доводах Юнга и «малейших признаков эрудиции, проницательности или изобретательности, которые могли бы хоть как-то оправдать отсутствие всякой мысли».

Скептики замолчали только тогда, когда французский физик Огюстен Френель подтвердил аргументацию Юнга математическими выкладками. В сообщении Французской академии наук, сделанном в 1815 году, Френелю удалось блестяще объяснить интерферирующие края из опыта Юнга с помощью формул, основываясь при этом на волновой теории света. Наконец, общественное мнение начало меняться, и к середине XIX века научные круги пришли к единому мнению: свет определенно является формой волны.