Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 23 страниц)
Вопросы и ответы
Наука не является и никогда не будет являться закрытой книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает новые и глубокие трудности.
А. Эйнштейн, Л. Инфельд. «Эволюция физики»
Если бы можно было все науки разъять на части и разложить по полкам, то полок нужно было только две. Над одной полкой повесили бы табличку-название, на которой был бы написан вопрос «Как?», а на другой – «Почему?».
Первая полка была бы огромной – на ней оказались бы все научные открытия, все факты, установленные и исследованные человечеством за все время его существования. Вторую полку не потребовалось бы делать столь же большой – на ней разместилось бы не так уж много томов, заполненных гипотезами и теориями, объясняющими известные на сегодняшний день факты. Если содержимое первой полки день ото дня пополняется, а старый багаж сохраняется, то на второй полке идет непрерывная смена, непрерывное обновление. Иными словами, в противоположность теориям только редкие факты стареют или меняются, а чаще всего и вовсе остаются неизменными, вечными, хотя, конечно, они могут уточняться.
Мы говорим: «Земля – шар». Это факт. Правда, теперь известно, что Земля несколько сжата с полюсов и не является идеальным шаром. Но смысл факта от этого не изменился, он только стал точнее. И этот факт останется неизменным, пока будет существовать Земля. Но, установив его и проверив опытным путем, ученые не считают дело законченным. Они ищут ответа на вопрос: «Почему Земля – шар?» И ответ на него независимо от содержания может считаться гипотезой. Гипотезы могут быть самыми различными. Часто верными, еще чаще неверными, а иногда и глупыми. Но выживают лишь немногие. Только те завоевывают признание, которые подтверждаются фактами и сами, в свою очередь, оказываются в состоянии объяснить не какое-либо одно явление вне связи с другими, а целую совокупность подчас самых различных на первый взгляд фактов и, более того, подсказать существование новых, еще не открытых явлений. Такие гипотезы уже переходят в разряд теорий. Чем больше фактов и явлений удается связать между собой и объяснить теорией, тем она глубже, вернее и долговечнее.
Теория объясняет факты, факты поверяют теорию.
Все, что до сих пор было здесь рассказано о свете, относилось к категории фактов, все отвечало на вопрос: «Как?» Только объясняя радугу, мы впервые спросили: «Почему?» И нашли ответ на этот вопрос, опираясь на некоторые факты, некоторые законы света, установленные Ньютоном.
Разумеется, самое главное «Почему?» в оптике относится не к радуге, а к самой природе света. Что есть свет, какова его природа, почему в одних условиях он ведет себя так, а в других иначе? Ибо, если бы нам удалось абсолютно точно узнать природу света, мы во всех случаях могли бы предсказывать результаты его действия. Поэтому оптика, или, в более общем смысле, физика, изучает и накапливает не только факты, связанные со светом, но на их основе стремится постигнуть и объяснить, что же такое свет.
Могут ли ученые найти совершенно исчерпывающий ответ на этот вопрос? И останется ли он неизменным на все времена так, как останется неизменным факт, говорящий, что Земля – шар?
Нет, создать абсолютную теорию невозможно ни теперь, ни когда-либо в будущем. Некоторые ученые-философы пытались создавать теории подобного рода, говорящие об истинах в «конечной инстанции». Они заблуждались.
Философские труды Маркса, Энгельса и Ленина показали бесплодность и глубокую ошибочность таких попыток. В самом деле, разве можно создать совершенно законченную теорию какого-либо раздела науки, не зная обо всех фактах и явлениях в этой области? Но в том-то и дело, что никогда не удастся узнать все до конца. Потому что, чем дальше развивается наука, чем больше мы узнаём, тем больше открывается перед нами новых, совершенно незнакомых областей, тем больше предстоит исследовать новых закономерностей.
Но если это так, не значит ли, что люди никогда не сумеют узнать о чем-либо сколько-нибудь достоверно и, следовательно, создать правильные теории? Конечно, ее значит.
В наше время имеется много проверенных жизнью, практикой теорий. Они правильно объясняют большинство известных нам явлений. Но тем не менее эти теории все время уточняются и дополняются по мере расширения наших знаний.
Все сказанное особенно хорошо видно на примере истории развития теорий света, о которых сейчас пойдет речь.
Две главнейшие теории, совершенно по-разному объясняющие природу света, возникли почти одновременно.
Автором первой был Ньютон.
По его воззрениям, свет представляет собой вещество. Но не какое-либо непрерывное, текущее, а состоящее из особых частиц – корпускул, как он их называл.
Такие корпускулы испускает всякое светящееся тело. Попадая в наш глаз, они вызывают ощущение света. Различие цветов Ньютон объяснял тем, что корпускулы неодинаковы: корпускулы желтого цвета должны отличаться от корпускул красного, и так далее. Короче говоря, корпускул различных категорий должно быть столько же, сколько имеется лучей различного цвета.
Теория Ньютона, часто называемая теорией истечения или корпускулярной теорией, очень хорошо объясняла большинство известных в то время свойств света.
Так, отражение света от зеркальной поверхности можно очень хорошо объяснить, представив себе корпускулу упругим крохотным шариком, который, подобно мячу, ударившемуся о стену, отскакивает, изменяя направление по закону соударения упругого тела с плоскостью. Теория истечения также просто и понятно объяснила, почему свет может распространяться в вакууме. В самом деле, никто и ничто не мешает потоку световых частиц – корпускул – двигаться в пустоте. На основании этой же теории удавалось объяснять, хотя и более сложным путем, явление преломления света – рефракцию – и многие другие факты.
И все же Ньютон не считал предложенную им теорию окончательной. Он указывал, что его мнение является лишь гипотезой, «имеющей целью только пояснение».
«Я сам, – писал он, – не буду принимать ни этой, ни другой гипотезы… Однако, излагая гипотезу, во избежание многословия и для более удобного представления ее, я буду иногда говорить о ней так, как будто бы я ее принял и верю в нее».
Возможно, он считал, что ученые знают еще слишком мало, для того чтобы уточнить достоверность корпускулярной теории. Возможно, что эти слова были сказаны лишь с целью оградить себя от излишних споров со своими учеными противниками. В этом предположении, вероятно, кроется доля истины – Ньютон никогда прямо не признавал другой гипотезы, предложенной его младшим современником, голландским физиком, Христианом Гюйгенсом (1629–1695).
На каком языке говорит наука
Однако, прежде чем заняться теорией Гюйгенса, придется отвлечься на некоторое время, для того чтобы поговорить о языке науки и его понимании.
Это очень интересная и чрезвычайно сложная тема. Ею, должно быть, занимаются многие ученые: философы, филологи, физики, химики, биологи и многие другие. Исследование языка, которым пользуется наука, крайне важно по многим причинам. Но важнейшей из них является та, что вследствие большой сложности научного языка и так как у каждой научной области своя собственная терминология, нередко случается, что ученые, говорящие об одном и том же, но каждый по-своему, не могут понять друг друга и это тормозит развитие науки.
До сравнительно недавних пор с таким положением можно было еще мириться. Но в последние десятилетия, когда множество важнейших открытий были сделаны на стыке не связанных до того областей знания, проблема терминологии, проблема научного языка приобрела первостепенное значение. И поэтому при академиях наук, при научных обществах разных стран созданы специальные комитеты, задача которых – выработать правильную и, что очень важно, единую для многих отраслей знания терминологию.
Писатель В. Г. Короленко в знаменитой «Истории моего современника» вспоминал, как однажды его отец сказал, что выдумать новое слово невозможно. Это показалось удивительным и неправдоподобным брату будущего писателя, и, желая доказать противное, он произнес какой-то набор звуков. Но потом он понял, что в придуманном слове не было главного – смысла.
Действительно, придумать новое слово просто так, ради прихоти, невозможно. Что же делать ученым, которые непрерывно открывают новое? Надо же это новое как-то назвать. И приходится придумывать новые слова. И в этом случае изобрести слово крайне сложно, и мы немного сумели бы насчитать оригинальных слов, предложенных учеными.
Почти всегда они поступают иначе: они стараются выбирать уже существующие слова, в какой-то мере близкие по смыслу, и окрещивают ими новое явление. Есть несколько путей для такого подбора. Но наиболее распространены два. Первый – пользоваться словами из мертвых языков, чаще всего древнегреческого и латинского, второй – черпать из сокровищницы родного языка. Трудно сказать, какой из путей стоит предпочесть. Ученые в равной мере часто выбирают и тот и другой. Но все же у первого есть одно преимущество. Мертвый язык мертв потому, что ни один народ не говорит на нем и большинство (включая и ученых) вовсе не знакомо с ним. Поэтому слово, взятое из такого языка, оставаясь благозвучным и красивым (ведь его создавали многие-многие поколения), практически не обременено прежним содержанием. Оно всего лишь прекрасная форма, которую можно заполнить новым содержанием, лишь отдаленно схожим или вовсе не схожим с тем, которое когда-то было в нем.
Возьмем к примеру красивое, звучное слово «электрон». Что означает оно в нашем представлении? Мельчайшую частицу вещества, входящую в состав атома. Так понимаем это слово мы.
Во времена Гомера «электрон» означал совсем другое – прозрачный желтый камень, который временами выбрасывают на морской берег волны, – янтарь[1]1
История слова «электрон» в том смысле, как мы понимаем его теперь, довольно сложна. Дело в том, что слово «электричество» произошло от слова «электрон» (янтарь), так как электрические явления впервые наблюдались учеными на кусочках янтаря. Когда же слову «электрон» (в конце прошлого века) был придан современный смысл, ученые вряд ли особенно задумывались о его первоначальном значении. Скорее всего, слово «электрон» явилось уже производным от слова «электричество». Таким образом, круг замкнулся: электрон – электричество – электрон.
[Закрыть].
Но Гомера нет, нет и того народа, который мы зовем эллинами. От тех далеких времен нам в наследство остались величайшие произведения искусства и литературы да язык. Первыми использовали его ученые. И они правильно поступили, воспользовавшись этим великолепным кладом.
Слово, взятое из мертвого языка, никого не может ввести в заблуждение своим прежним содержанием, и именно поэтому его хорошо применять в науке, где оно принимает новое и совершенно недвусмысленное значение. Это удобно еще и потому, что слово это становится интернациональным – на всех языках его произносят и понимают одинаково.
Второй путь не всегда столь удобен именно потому, что слово живое, что им в его обиходном значении на определенном языке пользуются все, а при переводе не всегда возможно найти слово, которое имело бы абсолютно такой же смысл. Вот тогда и получается, что слова могут иметь различный смысл, то есть становятся двусмысленными: в обиходе– одно значение, а в науке – совсем другое. Тут-то и может возникнуть путаница.
Надо быть осмотрительным в истолковании даже самых простых и широко распространенных слов, если они используются в науке. Об этом рекомендуется помнить при чтении любых книг, посвященных вопросам науки и техники; с этим еще не раз придется встретиться и на страницах этой книги.
Как пример можно привести простое и всем нам знакомое слово «волна».
Слово из словаря
Прежде всего узнаем, что буквально означает слово «волна». Вернее, что означало оно в те времена, когда наука еще не занимала в жизни людей столь важного места, как сейчас. Сделать это нетрудно. Стоит лишь раскрыть «Толковый словарь живого великорусского языка» Владимира Даля, изданный впервые примерно сто лет назад.
«Волна, – говорится там, – водяной гребень, гряда, долгий бугор, поднявшийся при всколыхании вод ветром или иною силою».
Но понял ли Даль, этот великий русский знаток языка, такую фразу: «Говорит Москва! Работают радиостанции на волнах 1700, 350 и 4,52 метра»? Нет, не понял бы. Потому что в данном случае это слово используется в совершенно ином смысле – в том, который вложили в него физики.
Хотя, надо сказать, они не случайно выбрали именно его.
Первым видом волнового движения, которое пришлось наблюдать и исследовать ученым, было движение волн на поверхности воды – таких, которые возникают и разбегаются по ее спокойной глади от брошенного камня или от плеснувшей рыбы. Хотя волны на поверхности воды были первыми, которые наблюдали ученые, по мере изучения всех прочих видов волн оказалось, что эти волны обладают целым рядом особенностей. Но все же с примера поверхностных волн, который приводится почти во всех учебниках по оптике, легче всего начать разговор о других видах волн.
Такие волны расходятся кругами. Скорость их движения постоянна и одинакова для всех идущих друг за другом гребней; каждый последующий отстает от предыдущего на одинаковое расстояние. Расстояние между двумя соседними гребнями (или между впадинами) называется длиной волны, хотя, может, было бы лучше, если бы его, по аналогии с винтовой резьбой, назвали шагом волны. Заметьте, что и слово «длина» здесь употребляется в не совсем привычном нам смысле; обычно она измеряется вдоль чего-то, а в данном случае – поперек.
Если на пути волн окажется любой легкий предмет – поплавок или щепка, – они не поплывут вслед за волнами, а останутся на прежнем месте.
Но это не значит, что предметы вообще будут неподвижными. Они приподнимутся на гребне, опустятся во впадину, снова поднимутся и снова опустятся. Значит, волна все-таки заставляет их двигаться. Но это движение совсем не совпадает с направлением распространения волн – оно оказывается поперечным, перпендикулярным ему.
Но почему же тогда речное течение всегда сносит любые плавучие тела? Не противоречит ли это тому, что было сказано о волнах? Нисколько. Из этого можно сделать лишь один вывод: волны и течение – явления совершенно различные. В реке нас сносит течением воды, то есть движением всей массы воды, направленным в одну сторону. Когда же по воде идет волна, то каждая капля воды, каждая молекула не следует за ней. Они остаются на месте и только опускаются и поднимаются, подобно поплавку, совершая поперечные колебания.
Однако, наблюдая волны, мы определенно видим движение. Что же в таком случае движется?
Ответ, к сожалению, совсем не простой и довольно неожиданный. Пожалуй, сперва его следует лишь запомнить, как запоминают новый, непривычный факт, привыкнуть к нему, не особенно вдаваясь в объяснения.
Обычно, говоря о движении, мы обязательно представляем себе нечто перемещающееся: едущий автомобиль, летящий самолет, плывущий корабль, катящийся шар, идущего человека и так далее. Вся наша повседневная жизнь, весь опыт приучают нас именно к такому пониманию этого слова. Без привычки мы не можем понять и, тем более, представить себе такую форму движения, которая не сопровождалась бы соответствующим перемещением какого-либо тела.
Но распространение волны как раз и является таким движением, которое отличается от привычных и понятных нам видов.
При распространении волны в воде (или в других средах) следует различать два вида движений. Так, наблюдая волны на поверхности воды, мы видим гребни и впадины, расходящиеся кругами. Это движутся волны. Они распространяются от источника колебаний во все стороны с равной скоростью. Движение волны совсем не похоже на связанное с ним движение частиц воды. Последние тоже движутся, но лишь вверх и вниз. Каждая частица, каждая молекула колеблется относительно того положения, в котором она находилась до возникновения волн, а не перемещается совместно с волной. Именно поэтому поплавок остается на месте и совершает только колебательные движения, поднимаясь и опускаясь на волнах. Таким образом, наблюдаемое движение волн не является переносом, перемещением каких-либо тел из одной точки пространства в другую. Перемещается только состояние среды. То движение, которое мы наблюдаем как непрерывное расширение кругов на воде, есть всего лишь колебание молекул, ее составляющих, передающееся от одной к другой в том направлении, в котором мы видим движение волн.
Камень, брошенный в воду, действует на те молекулы, которые находились в месте его падения; он придает им некоторую скорость, сообщает некоторую энергию. Между молекулами воды существует довольно сильное сцепление. Поэтому молекулы, сдвинутые упавшим камнем, потянут за собой соседние; те, в свою очередь, снова передадут смещение, и таким образом смещение будет распространяться все дальше и дальше.
То есть по направлению распространения волн движется не что иное, как смещение, движется энергия. Скорость передачи этой энергии, иными словами – скорость распространения волны в воде (или в какой-нибудь другой среде), зависит от целого ряда факторов и, в частности, от свойств среды, в которой распространяются волны.
Возьмем обычный звонок, снимем с него звонкую металлическую чашечку, по которой стучит боёк, и установим его так, чтобы боёк касался воды. Когда мы включим ток, боёк начнет вибрировать. Его колебания передадутся молекулам воды, и по ней кругами пойдут волны. Мы уже отмечали, что скорость движения волн неизменна и одинакова для всех идущих друг за другом гребней; каждый последующий отстает от предыдущего на неизменное и одинаковое расстояние, равное длине волны.
Предположим, что в начале боёк звонка делал пять колебаний в секунду. Затем, изменив натяжение возвратной пружины, значительно увеличим частоту колебаний бойка. Волны появятся и в этом случае. Но мы увидим, что их как бы стало больше, они стали чаще. Если бы мы сумели измерить длину волны, то увидели бы, что она во втором случае укоротилась.
Из этого опыта мы можем вывести очень важное заключение: длина волны тем меньше, чем выше частота колебаний.
Математически связь между длиной волны, частотой колебаний и скоростью распространения очень проста. Вот она: Длина волны = скорость распространения/частота колебаний источника волн, или λ = v/f, где λ – это длина волны; f – частота колебаний, то есть количество колебаний в секунду, совершаемых источником волн; v – скорость распространения волны.
До сих пор все опыты и рассуждения касались только волн, видимых на поверхности воды. Теперь посмотрим, какую форму будут иметь волны, если источник колебаний поместить глубоко под водой.
Для этого следует провести наш опыт со звонком уже не в ванне или на пруду, а в море, вдали от берегов, опустив звонок на глубину хотя бы в несколько десятков метров. В этом случае распространению волн не смогут мешать и препятствовать ни борта ванны, ни дно, ни берега. После того как звонок будет включен, в толще воды возникнут волны. Они будут распространяться от звонка во все стороны, подобно тому как распространяется свет от солнца. И, поскольку скорость во всех направлениях будет одинакова, все молекулы, имеющие одинаковое смещение, в каждый момент времени будут находиться на одинаковом расстоянии от звонка, окружая его со всех сторон. Иными словами, все эти молекулы в каждый момент времени образуют шаровую поверхность. Радиус этой поверхности непрерывно увеличивается, причем скорость его увеличения равна скорости распространения волн. Но так как колебания повторяются вновь и вновь, такой же самый сдвиг молекул будет повторяться опять в том же самом месте, каждый раз, когда к нему будут приходить следующие волны, волны от следующих колебаний.
Шаровые (сферические) волны в толще воды (изображены в разрезе).
Волны, о которых говорилось до сих пор, все-таки походили на настоящие. Но физики знают и другие виды волн. Распространение звука в воздухе – это тоже волновой процесс. Радиосвязь осуществляется посредством радиоволн, электромагнитных волн. Об их длинах и сообщает нам диктор, начиная передачу.
Радиоволны уж совсем непохожи на «водяные гребни», на «долгие бугры». Более того, они способны распространяться в пустоте. И в этом случае они могут распространяться даже дальше, чем в любой другой среде.
Не так давно этот факт казался непостижимым даже самим физикам. Они не могли представить себе, каким образом волна может распространяться в пустоте. Ведь всегда считалось (и математика подтверждала это), что волна – это процесс передачи от частицы к частице, которые обязательно должны быть связаны между собой какой-либо силой взаимодействия.
В понимании ученых прошлого волны могли распространяться лишь в какой-либо среде. Существование их в пустоте было равносильно «ничему», распространяющемуся в «ничем». Они еще слишком мало знали, чтобы объяснить подобный парадокс, и, естественно, не могли принять такую точку зрения.
Но, поскольку волны подобного рода им приходилось наблюдать в действительности, они вынуждены были как-то объяснять это явление.
Для этого физикам пришлось отказаться от понятия абсолютной пустоты. Они вынуждены были предположить, что всюду и везде присутствует некая таинственная и вездесущая субстанция, некий тончайший газ «эфир», обладающий целым рядом необычайных свойств. В те времена ученые, знавшие еще слишком мало, вообще склонны были объяснять самые различные физические явления наличием разных неуловимых субстанций.
Гипотезу о существовании эфира впервые предложил Гюйгенс. Гипотеза эта понадобилась ему для объяснения свойств другой физической реальности – света. Потому что, в отличие от Ньютона, Гюйгенс считал, что свет имеет волновую природу.
