Текст книги "Эволюция физики"

Автор книги: Альберт Эйнштейн

Соавторы: Леопольд Инфельд
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Волновая теория света

Вспомним, почему мы прекратили описание оптических явлений. Нашей целью было ввести другую теорию света, отличную от корпускулярной, но также пытающуюся объяснить ту же область фактов. Чтобы сделать это, мы должны были прервать наш рассказ и ввести понятие волн. Теперь мы можем вернуться к нашему предмету. Первым, кто выдвинул совершенно новую теорию света, был современник Ньютона – Гюйгенс. В своём трактате о свете он писал:

«Если, кроме того, свет употребляет для своего прохождения некоторое время – что мы сейчас проверим, – то из этого следует, что это движение, сообщённое окружающей материи, следует одно за другим во времени; поэтому оно, подобно звуку, распространяется сферическими поверхностями и волнами; я называю их волнами по тому сходству, которое они имеют с волнами, образующимися на воде, когда в неё брошен камень, и представляющими собой последовательно расширяющиеся круги, хотя они и возникают от другой причины и находятся лишь на плоской поверхности».

По Гюйгенсу, свет – это волна, передача энергии, а не субстанции. Мы видели, что корпускулярная теория объясняет многие наблюдённые факты. В состоянии ли это сделать и волновая теория? Мы должны снова поставить те вопросы, на которые уже дали ответ с помощью корпускулярной теории, чтобы увидеть, может ли волновая теория ответить на них с таким же успехом. Сделаем это здесь в форме диалога между Н и Г, где Н – собеседник, убеждённый в справедливости корпускулярной теории Ньютона, а Г – собеседник, убеждённый в справедливости теории Гюйгенса. Ни тому, ни другому не разрешено применять доводы, полученные после того, как работа обоих великих мастеров была закончена.

Н: В корпускулярной теории скорость света имеет вполне определённый смысл. Это скорость, с которой корпускулы движутся в пустом пространстве. Что она означает в волновой теории?

Г: Конечно, она означает скорость световой волны. Всякому известно, что волна распространяется с некоторой определённой скоростью, и то же должно быть с волнами света.

Н: Это не так просто, как кажется. Звуковые волны распространяются в воздухе, морские волны – в воде. Каждая волна должна иметь материальную среду, в которой она распространяется. Но свет проходит через вакуум, в то время как звук не проходит. Предположить волну в пустом пространстве фактически означает вовсе не предполагать никакой волны.

Г: Да, это трудность, хотя и не новая для меня. Мой учитель изучал её очень внимательно и решил, что единственный выход – предположить существование гипотетической субстанции, эфира, передающей среды, заполняющей всю Вселенную. Вселенная, так сказать, погружена в эфир. Если у нас есть смелость ввести это понятие, то всё становится ясным.

Н: Но я возражаю против такого предположения. Во-первых, оно вводит новую гипотетическую субстанцию, а мы уже имеем слишком много субстанций в физике. Имеется также и другой довод против него. Вы не сомневаетесь в том, что мы должны всё объяснять, оставаясь в пределах механики. А как относительно эфира? В состоянии ли вы ответить на простой вопрос о том, как эфир построен из своих элементарных частиц и как он обнаруживается в других явлениях?

Г: Ваше первое возражение, конечно, справедливо. Но, вводя некий искусственный невесомый эфир, мы сразу освобождаемся от гораздо более искусственных световых корпускул. Мы имеем только одну «таинственную» субстанцию вместо бесконечного числа их, соответствующего огромному числу цветов в спектре. Не кажется ли вам, что это и есть настоящий прогресс? По крайней мере, все трудности сконцентрированы в одном пункте. Мы не нуждаемся больше в искусственном предположении, что частицы, относящиеся к различным цветам, движутся с одной и той же скоростью в пустом пространстве.

Ваше второе возражение тоже справедливо. Мы не можем дать механического объяснения эфира. Но нет никакого сомнения в том, что дальнейшее изучение оптических и, может быть, других явлений обнаружит его структуру. В настоящее время мы должны ожидать новых экспериментов и заключений, но я надеюсь, что в конце концов мы сможем разрешить проблему о механической структуре эфира.

Н: Оставим на время этот вопрос, так как он не может быть разрешён теперь. Мне хотелось бы видеть, как ваша теория, даже если мы отбросим трудности, объясняет те явления, которые так ясны и понятны в корпускулярной теории. Возьмём, например, тот факт, что световые лучи проходят в вакууме или в воздухе вдоль прямых. Кусок бумаги, помещённый перед свечой, создаёт чёткую и резко очерченную тень на стене. Резкие тени были бы невозможны, если бы волновая теория была правильна, ибо волны огибали бы края бумаги и тем самым размазывали бы тень. Маленькое судно не является препятствием для морских волн, как вы знаете; они просто огибают его, не отбрасывая тени.

Г: Это неубедительный довод. Возьмите короткие волны на реке, ударяющие о борт большого корабля. Волны, возникающие на одной стороне корабля, не будут видны на другой. Если волны достаточно малы, а корабль достаточно велик, появляется очень чёткая тень. Очень возможно, что свет кажется нам проходящим по прямым линиям лишь потому, что его длина волны очень мала в сравнении с размерами обычных препятствий и отверстий, употребляемых в экспериментах. Возможно, что, если бы мы могли создать достаточно малые препятствия, никакой тени не было бы. Мы можем встретиться с большими экспериментальными трудностями в конструировании приборов, которые могли бы показать, в состоянии ли свет огибать препятствия. Тем не менее, если бы такой эксперимент можно было осуществить, он был бы решающим в борьбе между волновой и корпускулярной теориями света.

Н: Волновая теория может привести к новым фактам в будущем, но я не знаю каких-либо данных, убедительно её подтверждающих. Пока с определённостью не доказано экспериментально, что свет может огибать препятствия, я не вижу какого-либо основания отказываться от корпускулярной теории, которая кажется мне проще и потому лучше, чем волновая.

На этом мы можем прервать диалог, хотя предмет его никоим образом не исчерпан.

Остаётся ещё показать, как волновая теория объясняет преломление света и многообразие цветов. Как мы знаем, корпускулярная теория в состоянии дать такое объяснение. Мы начнём с преломления, но сначала будет полезно рассмотреть пример, не имеющий ничего общего с оптикой.

Пусть по большому открытому пространству прогуливаются два человека, держащие между собой твёрдый прут. Вначале они идут прямо вперёд, оба с одинаковой скоростью. Пока их скорости одинаковы, велики они или малы – безразлично, прут будет совершать параллельное перемещение, т. е. он не будет поворачиваться или изменять своё направление. Все последовательные положения прута параллельны друг другу. Но представим себе теперь, что в течение очень короткого времени, может быть равного долям секунды, движения обоих людей стали неодинаковыми. Что произойдёт? Ясно, что в течение этого времени прут будет поворачиваться, так что он не будет больше перемещаться параллельно своему первоначальному положению. Когда опять возобновится движение с равными скоростями, оно будет иметь направление, отличное от первоначального (рис. 43.) Изменение направления происходит в течение того промежутка времени, в котором скорость обоих пешеходов была различной.

Рис. 43

Этот пример позволит нам понять преломление волны. Плоскость волны, движущейся в эфире, достигает поверхности стекла. На рис. 44 мы видим волну со сравнительно широким фронтом, который перемещается вперёд. Фронт волны – это плоскость, в которой в любой момент времени все части эфира находятся в одинаковом состоянии. Так как скорость зависит от среды, через которую в данный момент времени проходит свет, то скорость в стекле будет отличаться от скорости в пустом пространстве. В течение очень короткого времени, за которое фронт волны входит в стекло, различные части фронта волны будут иметь различные скорости. Ясно, что те части, которые уже достигли стекла, будут двигаться со скоростью света в стекле, в то время как другие части по-прежнему движутся со скоростью света в эфире. Благодаря этой разности в скоростях вдоль фронта волны, существующей в течение времени «погружения» в стекло, направление самой волны будет изменяться.

Рис. 44

Итак, мы видим, что не только корпускулярная, но и волновая теория приводит к объяснению преломления. Дальнейшее рассмотрение и некоторое применение математики показывают, что объяснение волновой теории проще и лучше и что следствия из неё находятся в полном согласии с наблюдением. В самом деле, количественные методы рассмотрения позволяют нам вывести скорость света в преломляющей среде, если мы знаем, как преломляется луч, когда он входит в неё. Прямые измерения блестяще подтверждают эти предсказания, а тем самым и волновую теорию света.

Остаётся ещё вопрос о цвете.

Необходимо вспомнить, что волна характеризуется двумя числами – скоростью и длиной волны. Весьма существенным является следующее утверждение волновой теории света: волны различной длины соответствуют различным цветам. Длина волны однородного жёлтого света отлична от длины волны синего или фиолетового. Вместо искусственного разделения корпускул, относящихся к разным цветам, мы имеем естественное различие по длине волны.

Отсюда следует, что эксперименты Ньютона по дисперсии света могут быть описаны двумя различными языками – языком корпускулярной теории и языком волновой теории. Например:

Корпускулярный язык

Корпускулы, относящиеся к различным цветам, имеют одинаковую скорость в вакууме, но различные скорости в стекле.

Белый свет – это совокупность корпускул, относящихся к различным цветам, в то время как в спектрах они разделены.

Волновой язык

Лучи различных длин волн, относящиеся к различным цветам, имеют одинаковую скорость в эфире, но различные скорости в стекле.

Белый свет – это совокупность волн всех длин, в то время как в спектре они разделены.

Кажется, было бы мудрым избежать двусмысленности, происходящей из факта существования двух различных теорий одних и тех же явлений, решив в пользу одной из них после внимательного рассмотрения достоинств и недостатков каждой. Диалог между Н и Г показывает, что это нелёгкая задача. Решение с этой точки зрения было бы скорее делом вкуса, чем делом научного убеждения. Во времена Ньютона и 100 лет спустя большинство физиков предпочитало корпускулярную теорию.

История вынесла свой приговор в пользу волновой теории и против корпускулярной гораздо позднее, в середине XIX столетия. Н в своём разговоре с Г заявлял, что в принципе возможно было экспериментальное решение спора между обеими теориями. Корпускулярная теория не разрешает свету огибать препятствия и требует наличия чётких теней. Согласно же волновой теории, достаточно малые препятствия не будут отбрасывать никакой тени. В работах Юнга и Френеля этот результат был получен экспериментально; там же были сделаны теоретические выводы.

Мы уже обсуждали чрезвычайно простой эксперимент, в котором экран с отверстием помещался перед точечным источником света, а тень отбрасывалась на стену. В дальнейшем мы упростим эксперимент, полагая, что источник испускает однородный свет. Для получения наилучших результатов источник света должен быть сильным. Представим себе, что отверстие в экране делается всё меньше и меньше. Если в нашем распоряжении есть сильный источник и нам удаётся сделать отверстие достаточно малым, то обнаруживаются новые и удивительные явления, совершенно непонятные с точки зрения корпускулярной теории. Нет больше резкого различия между светом и темнотой. Свет постепенно блёкнет, переходя в тёмный фон через серию светлых и тёмных колец. Появление колец очень характерно для волновой теории. Объяснение чередования светлых и тёмных полос будет ясно в случае несколько иной экспериментальной установки. Предположим, что мы имеем лист чёрной бумаги с двумя булавочными дырочками, через которые может проходить свет. Если дырочки близко примыкают друг к другу и очень малы и если однородный свет достаточно силён, то на стене появится множество светлых и тёмных полос, постепенно ослабевающих и переходящих в тёмный фон. Объяснение очень простое. Тёмная полоса появляется там, где впадина волны от одной дырочки встречается с гребнем волны от другой, так что обе погашаются. Полоса света – там, где встречаются две впадины или два гребня от волн, идущих от обеих дырочек, и усиливают друг друга. Сложнее объяснение тёмных и светлых колец в предыдущем примере, в котором мы применяли экран с одним отверстием, но принципиально оно то же самое. Это появление тёмных и светлых полос при прохождении света через две щели и тёмных и светлых колец при прохождении отверстия следует иметь в виду, ибо позднее мы вернёмся к обсуждению обеих различных картин. Описанные здесь эксперименты обнаруживают дифракцию света – отклонение света от прямолинейного распространения, когда на пути световых волн расположены малые отверстия или препятствия (рис. 45–47).

Рис. 45. Вверху мы видим фотографию световых пятен, после того как два луча прошли через два маленьких отверстия, один за другим (сначала была открыта одна щель; затем она закрывалась, а другая открывалась). Внизу мы видим полосы, полученные в результате того, что луч прошёл через оба маленьких отверстия одновременно (фотография В. Аркадьева)

Рис. 46. Дифракция света в результате огибания лучом очень малого препятствия (Фотография В. Аркадьева)

Рис. 47. Дифракция света в результате прохождения луча через очень малое отверстие (Фотография В. Аркадьева)

С помощью математики мы в состоянии пойти гораздо дальше. Можно установить, как велика, вернее, как мала должна быть длина волны, чтобы создать дифракционную картину. Таким образом, описанные эксперименты позволяют нам определить длину волны однородного света. Чтобы дать представление о том, как малы эти величины, мы укажем длины волн крайних лучей видимого солнечного спектра, т. е. длины волн красного и фиолетового лучей. Длина волны красного света равна 0,00008 см. Длина волны фиолетового света равна 0,00004 см.

Мы не должны удивляться, что эти величины очень малы. Точно очерченная тень, т. е. явление прямолинейного распространения света, наблюдается в природе лишь потому, что обычно встречающиеся отверстия и препятствия чрезвычайно велики по сравнению с длиной волны света. Свою волновую природу свет обнаруживает лишь тогда, когда применяются очень малые отверстия и препятствия.

Но история поисков теории света никоим образом не окончена. Приговор XIX столетия не был последним и окончательным. Для современных физиков вся проблема выбора между корпускулами и волнами существует вновь, теперь уже в гораздо более глубокой и сложной форме. Примем поражение корпускулярной теории света до тех пор, пока мы не обнаружим, что характер победы волновой теории проблематичен.

Продольны или поперечны световые волны?

Все рассмотренные нами оптические явления говорят в пользу волновой теории. Искривление луча света у краёв малых отверстий и препятствий и объяснение преломления – это самые сильные аргументы в её пользу. Руководствуясь механистической точкой зрения, мы признаём, что остаётся ещё один вопрос, на который следует ответить: определение механических свойств эфира. Для решения этой проблемы существенно знать, продольны или поперечны световые волны в эфире. Другими словами, распространяется ли свет подобно звуку? Вызвана ли волна изменением плотности среды, т. е. совершаются ли колебания частиц в направлении распространения? Или эфир похож на упругий студень – на среду, в которой могут распространяться лишь поперечные волны и в которой частицы движутся в направлении, перпендикулярном к направлению распространения самих волн?

Прежде чем решить эту проблему, попробуем определить, какой ответ следует предпочесть. Очевидно, мы должны были бы радоваться, если бы световые волны оказались продольными. В этом случае трудности в описании механического эфира были бы не так велики. Картина строения эфира могла бы, вероятно, быть чем-то вроде механической картины строения газа, которая объясняет распространение звуковых волн. Было бы гораздо труднее создать картину строения эфира, передающего поперечные волны. Представить себе среду в виде студня или желе, построенную из частиц таким образом, что через неё распространяются поперечные волны, – это нелёгкая задача. Гюйгенс был убеждён, что эфир скорее окажется «воздухообразным», чем «желеобразным». Но природа очень мало внимания обращает на наши трудности. Была ли природа в этом случае милосердна к попыткам физиков понять все явления с механистической точки зрения? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обсудить некоторые новые эксперименты.

Мы рассмотрим подробно лишь один из многих экспериментов, который в состоянии дать нам ответ. Предположим, что мы имеем очень тонкую пластинку из турмалинового кристалла, вырезанную особым образом, в описании которого здесь нет необходимости. Пластинка кристалла должна быть настолько тонка, чтобы можно было видеть сквозь неё источник света. Возьмём теперь две такие пластинки и поместим их между глазами и источником света (рис. 48). Что мы увидим? Опять световую точку, если пластинки достаточно тонки. Очень велики шансы на то, что эксперимент подтвердит наши ожидания. Не задаваясь целью установить, каковы эти шансы, допустим, что мы уже видим световую точку через оба кристалла. Будем теперь постепенно изменять положение одного кристалла, поворачивая его. Это предложение будет иметь смысл лишь в том случае, если положение оси, вокруг которой происходит вращение, фиксировано. Мы возьмём в качестве оси линию, определяемую проходящим лучом.

Рис. 48

Это означает, что мы перемещаем все точки одного кристалла, кроме тех, которые лежат на оси. Но что за странная вещь! Свет делается всё слабее и слабее, пока не исчезает совершенно. Затем он вновь появляется, по мере того как продолжается вращение, и вновь приобретает первоначальный вид, когда достигается первоначальное положение.

Не входя в детали подобных экспериментов, мы можем задать следующий вопрос: можно ли объяснить эти явления, если световые волны продольны? Если бы волны были продольны, частицы эфира должны были бы двигаться вдоль оси, т. е. в том же направлении, в каком идёт луч. Если кристалл вращается, ничего вдоль оси не изменяется. Точки на оси не передвигаются, и лишь очень небольшое смещение имеет место вблизи оси. Такого ясно различимого изменения, как исчезновение и появление новой картины, не могло бы возникнуть для продольной волны. Это, а также и многие другие подобные явления могут быть объяснены лишь в том случае, если предположить, что световые волны не продольны, а поперечны! Или, другими словами, нужно предположить «желеобразный» характер эфира.

Это очень печально! Мы должны подготовиться к встрече непреодолимых трудностей в попытке механического описания эфира.

Эфир и механистическое воззрение

Обсуждение всех различных попыток описать механическую природу эфира как среды, передающей свет, привело бы к длинной истории. Механическая конструкция означает, как мы знаем, что субстанция состоит из частиц, между которыми вдоль прямой линии, соединяющей их, действуют силы, зависящие только от расстояния. Для того чтобы построить эфир в виде желеобразной механической субстанции, физики должны принять несколько чрезвычайно неестественных предположений. Мы не будем приводить их здесь: они относятся к почти забытому прошлому. Но результат был значителен и важен. Искусственный характер всех этих предположений, необходимость введения такого множества их, причём все они совершенно независимы друг от друга, – всё это было достаточным, чтобы подорвать уверенность в механистической точке зрения.

Но имеются другие, более простые возражения против эфира, чем трудности его построения. Если мы хотим объяснить оптические явления механистически, то следует предположить, что эфир существует повсюду. Если свет передаётся только в среде, то не может быть никакого пустого пространства.

Однако из механики мы знаем, что межзвёздное пространство не оказывает сопротивления движению материальных тел. Планеты, например, проходят через эфир-желе, не встречая какого-либо сопротивления своему движению, которое должна была бы оказать материальная среда. Если же эфир не нарушает движения вещества, то не может быть никакого взаимодействия между частицами эфира и частицами вещества. Свет проходит через эфир, а также через стекло и воду, но его скорость изменяется в последних субстанциях. Как можно объяснить этот факт механистически? По-видимому, лишь предполагая некоторое взаимодействие между частицами эфира и частицами вещества. Мы только что видели, что для свободно движущихся тел следует предположить, что такого взаимодействия не существует. Другими словами, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но не существует никакого взаимодействия в механических явлениях! Это, конечно, очень парадоксальное заключение!

По-видимому, из всех этих трудностей будет единственный выход. При попытке понять явления природы с механистической точки зрения на всём протяжении развития науки до XX столетия было необходимо вводить искусственные субстанции, такие как электрические и магнитные жидкости, световые корпускулы или эфир. Результатом было только то, что все эти трудности концентрировались в нескольких существенных пунктах, таких как эфир, в случае оптических явлений. Здесь все бесплодные попытки построить эфир простым путём, так же как и другие возражения, обнаруживают, что ошибка лежит в фундаментальном положении о том, что все явления в природе можно объяснить с механистической точки зрения. Наука не имела успеха в последовательном проведении механистической программы, и сегодня ни один физик не верит в возможность её выполнения.

В нашем кратком обозрении принципиальных идей физики мы встретили ряд нерешённых проблем, пришли к трудностям и препятствиям, которые обескуражили учёных в попытках сформулировать единое и последовательное воззрение на все явления внешнего мира. В классической механике мы встретили незамеченную руководящую нить исследования – равенство тяжёлой и инертной масс. Обнаружен искусственный характер электрической и магнитной жидкостей. Во взаимодействии между электрическим током и магнитной иглой встретились неразрешённые трудности. Следует напомнить, что эта сила действовала не по линии, соединяющей проводник и магнитный полюс, и зависела от скорости движущегося заряда. Закон, выражающий её направление и величину, был чрезвычайно сложен. И наконец, установлено наличие больших трудностей с эфиром.

Современная физика атаковала все эти проблемы и разрешила их. Но в борьбе за эти решения возникли новые и более глубокие проблемы. Наши знания теперь шире и глубже, чем знания физика XIX столетия, но таковы же и наши сомнения и трудности.