Текст книги "Девять цветов радуги"
Автор книги: Александр Штейнгауз
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 23 страниц)
Вольный сын эфира
Возможно, к мысли о том, что свет имеет волновую природу, Гюйгенс пришел благодаря одному очень важному обстоятельству, о котором Ньютон, приступая к созданию своей теории света, еще не мог знать.
Это обстоятельство – огромная, непостижимая скорость распространения света. Скорость, «превосходящая мечтания человеческие», как говорил Ломоносов.
Скорость звука в воздухе равна примерно 340 метрам в секунду. Всего лишь двадцать лет назад только пули и артиллерийские снаряды могли перемещаться быстрее. Мировой рекорд скорости, установленный до войны на итальянском гидроплане «Маки-Кастольди», был равен 210 метрам в секунду. Преодолеть звуковой барьер удалось на турбореактивных самолетах; теперь их скорость уже перевалила за 2 маха, то есть более чем в два раза выше звуковой. Это огромная скорость.
Но в наши дни и этот предел остался далеко позади. Есть теперь такие летательные аппараты, которые преодолели более высокие барьеры: первую и вторую космические скорости (примерно 8000 и 11 200 метров в секунду). Это ракеты. Но и эти величины ничто в сравнении со скоростью света, которая равна 299 780 километрам в секунду.
Правда, за последние десятилетия с помощью ускорителей научились разгонять элементарные частицы вещества до скоростей, почти равных этой скорости. Встречаются частицы с такими скоростями и в природе.
Но во времена Гюйгенса об этом не было известно, и даже мушкетные пули очень заметно отставали от звука выстрела. И нет ничего удивительного в том, что Гюйгенс не мог себе представить, что какое-либо материальное тело, даже мельчайшая ньютоновская корпускула, может нестись со скоростью, почти в миллион раз превышающей скорость распространения звуковых волн. Гораздо проще и естественнее, казалось ему, считать, что с такой скоростью движутся волны, а не частицы.
Но если частицам ничто не мешает распространяться в пустоте, то для волны, по воззрениям Гюйгенса, пустота представляла непреодолимое препятствие. Тогда-то он и предложил свою гипотезу о существовании эфира.
Свои мысли Гюйгенс изложил в книге под названием «Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что происходит со светом при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла».
Возможно, что непосредственным толчком к написанию этого трактата послужило открытие, сделанное в 1675 году датским астрономом Оле Ремером (1644–1710). Наблюдая затмения спутников Юпитера, он установил, что время их возникновения не всегда одно и то же, а зависит от расстояния между Юпитером и Землей. Этот факт он объяснил тем, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой скоростью. И на основании такого предположения впервые в истории определил скорость света.
Об этой скорости и о других удивлявших его фактах Гюйгенс писал:
«…тем самым мы допускаем существование странной скорости, которая была бы в 1 000 000 раз больше скорости звука. Ибо звук, по моим наблюдениям, делает примерно 180 туаз[2]2
Туаз равен примерно 2 метрам.
[Закрыть] за время 1 секунду или одного удара артерии…
…Если принять во внимание чрезвычайную быстроту, с которой распространяется свет во все стороны, а также то, что, когда он приходит из различных и даже совершенно противоположных мест, лучи его проходят один через другой, не мешая друг другу[3]3
Ведь если бы лучи состояли из частиц, считает Гюйгенс, то частицы разных лучей должны были бы сталкиваться друг с другом и, следовательно, мешать друг другу.
[Закрыть], то станет совершенно понятно, что, когда мы видим светящийся предмет, это не сможет происходить вследствие переноса материи, которая доходила бы до нас наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух. Это слишком противоречит указанным двум свойствам света».
Для Гюйгенса эти противоречия были решающими и привели его к сомнениям в правильности корпускулярной теории. Однако для создания новой гипотезы одних сомнений еще недостаточно. Необходимы и новые понятия и представления, с помощью которых удавалось бы так же хорошо или более обоснованно объяснить природу света. Во времена Гюйгенса ученые хотя не полностью, но уже достаточно ясно представляли себе процессы распространения волн в воздухе и в воде. И это знание позволило Гюйгенсу утверждать, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу.
В какой же среде, по мнению Гюйгенса, могли распространяться световые волны? В воде? Да, свет проходит и через воду. Но ведь в воздухе он распространяется еще лучше. Тогда, значит, в воздухе? Нет, и воздушная среда оказалась ненужной для распространения света. Гюйгенс помещал под стеклянный колпак звучащее тело и с помощью вакуумного насоса, изобретенного английским физиком Бойлем, откачивал воздух. Звук уже не распространялся под колпаком, и это доказывало, что он распространяется в воздухе. Однако, сколько бы ни продолжалась откачка воздуха, никаких изменений в прохождении света через сосуд не наблюдалось. Гюйгенс не мог себе представить, что световые волны способны распространяться в пустоте, – ведь в ту пору все то, что было известно ученым о волновых процессах, утверждало, что волны могут существовать только в какой-либо среде. Но что это за среда, каковы ее свойства? На эти вопросы не было ответа.
«Я называю ее эфирной», – писал Гюйгенс.
Но как обнаружить ее, как выделить, если это возможно, он не знал.
Правда, он указывал, каким, по его мнению, должен быть эфир, для того чтобы в нем оказалось возможным распространение световых волн.
«…частицы эфира, несмотря на их малость, можно себе представить состоящими еще из других частей… упругость их заключается в очень быстром движении тонкой материи, которая проходит сквозь них со всех сторон…»
Итак, по мнению Гюйгенса, свет есть волна, распространяющаяся в эфире; свет и эфир нераздельны. Но что представлял собой сам эфир, это было непонятно даже самому Гюйгенсу.
За и против
Итак, мы ознакомились с двумя гипотезами, в которых сделана попытка объяснить природу света. Обе они родились почти одновременно и на основе одних и тех же фактов, с той лишь разницей, что Гюйгенсу, когда он создавал свой «Трактат», скорость света была уже известна довольно точно. Но не следует забывать, что Ньютон, узнав об открытии Рёмера, не изменил своей гипотезы, считая, что она не противоречит этому новому факту.
Чем же можно объяснить почти одновременное возникновение двух гипотез, столь различно толкующих природу одного и того же явления?
Только тем, что та и другая оказались в состоянии логически объединить и объяснить большинство фактов, известных в то время науке. Большинство, но не все. Именно наличием слабых сторон в каждой из гипотез можно объяснить их почти одновременное возникновение и сосуществование. Правда, не совсем мирное – спор между их сторонниками длился много лет.
Мы расскажем о некоторых аргументах, которые приводили ученые в этом споре.
Поскольку первой была создана корпускулярная гипотеза, начнем с тех аргументов, которые выдвигались против волновой гипотезы и главным образом ее основной предпосылки – утверждения о существовании эфира.
Ни сам Ньютон, ни его последователи не могли себе представить этой материи, заполнившей всю Вселенную, проникающей сквозь все тела, остающейся под стеклянным колпаком даже после того, как оттуда выкачают воздух. Кроме того, они не могли согласиться с существованием во Вселенной идеально упругого вещества, «приближающегося к совершенной твердости», которое в то же время не препятствует движениям небесных тел, нисколько не тормозя и не замедляя их.
Отрицание эфира было главным, хотя и не прямым аргументом против волновой гипотезы. В самом деле, если эфира не существует, то, значит, межпланетное пространство представляет собой пустоту и, следовательно, свет от звезд передается не посредством волн, а представляет собой частицы, корпускулы, для которых пустота не является преградой.
Не оставались в долгу и последователи волновой гипотезы. В пользу ее они приводили факт, установленный самим же Ньютоном в одном из его знаменитых опытов.
Если линзу положить на кусок хорошо отполированного стекла и направить на нее лучи белого света, можно заметить радужные кольца – кольца Ньютона. Если свет будет только какого-либо одного цвета, появятся чередующиеся темные и светлые кольца. Чтобы размер колец был достаточным, выпуклость линзы должна быть очень малой.
Это был довольно простой опыт. Для его проведения Ньютон брал две длиннофокусные линзы, изготовленные им для телескопов: одну плоско-выпуклую с фокусным расстоянием примерно 5,2 метра, другую – двояковыпуклую, с едва заметной кривизной поверхности, почти плоскую, так как она имела фокусное расстояние, равное почти 15 метрам. При наложении первого стекла плоской стороной вниз на второе Ньютон наблюдал необычное явление. В стекле появились яркие радужные кольца. Теперь их называют кольцами Ньютона. Подобные кольца, но только какого-либо одного цвета, наблюдались и в тех случаях, когда освещение было однородным, монохроматическим, например – красным.
При освещении белым солнечным светом цвета в кольцах чередовались в определенном порядке: за прозрачным центральным пятном, появлявшимся в точке соприкосновения линз, следовали синее, белое, желтое и красное кольца. Следующие окружности, непосредственно охватывавшие предыдущие, в порядке следования были: фиолетовая, синяя, зеленая, желтая, красная. Ньютон установил, что эти радужные кольца порождаются не самыми линзами, а зависят от расстояния между поверхностями стекол, обращенными друг к другу.
Подобные опыты он проделал и с другими видами шлифованных стекол – с призмами. В этом случае тоже появлялись радужные полосы, зависящие от расстояния между соприкасающимися поверхностями. Не менее интересные и красивые опыты провел он с тончайшими слюдяными пластинками и мыльными пузырями, пытаясь найти причину их яркой окраски, которая, как он установил, зависит от толщины пленки мыльного пузыря или от толщины пластинки.
Измеряя диаметры колец в опыте с линзами, Ньютон выяснил, что диаметры связаны между собой определенной периодической закономерностью, и, естественно, попытался дать ее теоретическое обоснование. Но, надо сказать, оно не было убедительным. Это чувствовал и сам ученый, который, быть может, сам того не замечая, допускал явную непоследовательность, явное отступление от собственной гипотезы. Так, в своих трудах он даже делал предположение, что корпускулы благодаря их притягательным или каким-то другим силам возбуждают колебания в той среде, на которую они воздействуют. То есть вольно или невольно он хотя бы частично вставал на точку зрения волновой теории.
Что же касается волновой гипотезы, то она позволяет совершенно точно объяснить причину появления колец, яркой окраски мыльных пузырей, тончайших слюдяных пластинок и даже расцветку некоторых бабочек, так как различие цветов, согласно этой гипотезе, объясняется различием длин волн, соответствующих каждому цвету. Кстати, только эта гипотеза в состоянии объяснить почему яркость цветов радуги зависит от размера дождевых капель.
Ньютон и его сторонники, возражая против волновой гипотезы, приводили в свою пользу еще один аргумент. Пожалуй, это был самый важный, самый существенный из всех. Доказывая неправильность волновой гипотезы, они говорили, что если бы свет распространялся с помощью волн, то лучи света должны были бы огибать встречающиеся на их пути препятствия. Иными словами, лучи света не были бы прямолинейными и четкие тени должны были отсутствовать.
Волновая тень за бортом корабля. Она становится заметной, только когда размеры препятствия, например корабля, гораздо больше, чем длина волны; поэтому такую тень трудно было обнаружить.
Действительно, звуковые волны и волны на воде огибают препятствия. Доказательством тому служило, что колокол или пушку можно слышать, даже если они скрыты от наблюдателя зданиями или холмами. Относительно же света ничего подобного не было известно. Наоборот, опыт показывал, что тени, отбрасываемые лучами солнца, свечи, фонаря и любого другого источника света, всегда очень четкие. Этот опыт нашел свое отражение в гипотезе Ньютона. Одно из важнейших утверждений этой гипотезы как раз и заключается в том, что лучи света распространяются строго прямолинейно и не могут огибать препятствий.
Таким образом, доказательство или опровержение утверждения о прямолинейном распространении света при встрече его с препятствием, по существу, являлось главным доказательством или опровержением гипотезы Ньютона. Но в те времена факт прямолинейного распространения света казался всем совершенно очевидным.
И лишь один человек, умерший еще до возникновения обеих гипотез, сомневался в этом. Это был Франческо Гримальди (1618–1663).
О поисках и снова о звонках
В книгах об ученых нередко рассказываются истории о совершенно неожиданных открытиях, о внезапных научных находках. Традиции подобных описаний уходят своими корнями в седую древность. Достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед открыл свой знаменитый закон. Не менее знаменит случай с яблоком, позволивший Ньютону открыть закон всемирного тяготения.
Однако, рассказывая о яблоке, часто забывают добавить одну немаловажную деталь. Как-то Ньютона спросили, почему столь ничтожный факт позволил ему открыть один из самых важных законов природы.
«Потому, – ответил он, – что я все время думал об этом».
Знаменитый немецкий поэт и мыслитель Иоганн Вольфганг Гёте, очень серьезно занимавшийся изучением явлений света (он даже повторил все опыты Ньютона), так писал об одном из них: «…исследователь пытал природу, вымогая у нее признание в том, в чем сам уже заранее был уверен».
Можно ли найти то, чего не ищешь? Можно, конечно. Но лишь случайно. И ценность такой находки в подавляющем большинстве случаев равна ценности камешка, подобранного на булыжной мостовой.
Люди всегда ищут то, что хотят найти. Иногда они совершенно точно представляют себе искомое, ибо уже знакомы с ним по предыдущему опыту; иногда – то, что им вовсе не встречалось, но крайне необходимо. В этом случае они не знают точно, как должно выглядеть, каким должно быть то, что разыскивается, но и тогда им известны свойства, а следовательно, хотя бы малая часть признаков искомого.
Ученым всегда приходится искать неизвестное. Значит ли это, что, приступая к своему нелегкому, но увлекательному делу, они не имеют никакого представления о конечной цели? Нет, кое-что они знают заранее. И это «кое-что», подсказанное принятой гипотезой или теорией, позволяет в конце концов найти искомое или, наоборот, доказать невозможность его существования. Последнее часто оказывается чрезвычайно важным и полезным.
Отправляясь по грибы, мы заранее представляем себе их форму; знаем, что собирать их следует не на песчаной речной отмели или в поле, а только в лесу. Это, если хотите, теория. Если бы мы не были знакомы с ней, то есть не знали бы ни того, как выглядят грибы, ни мест, где они растут, то не собрали бы ни одного, даже если бы перед нами поставили полную корзину белых и подосиновиков. Потому что мы не знали бы, что эти плотные, красивые, чуть прохладные на ощупь предметы, похожие на зонтики или забавных человечков в широкополых шляпах, и есть грибы.
Вот и другой случай. Мы пошли рвать орехи. Мы прекрасно знаем, что такое грибы, но не они являются нашей целью. Наши взоры направлены вверх, на ветви орешника, и мы усердно выискиваем среди зеленой листвы прикрепленные к зеленому ложу нежно-палевые скорлупки. И, конечно, мы смотрим под ноги только изредка, лишь для того, чтобы не споткнуться. Часто ли нам будут попадаться грибы? Ну, найдем один или два, а растопчем, быть может, десяток. И даже никогда не узнаем об этом.
Так и в науке. Наиболее плодотворны направленные поиски, когда цель намечена, когда примерно установлен способ поисков.
Бывают, конечно, исключения, когда, стремясь к одному, встречаются по дороге с другим, не менее важным. И все же ни один здравомыслящий исследователь не рассчитывает на случайное открытие. Это ведь то же, что найти изумруд среди булыжников. Но любой настоящий ученый учитывает и эту ничтожную возможность (и, быть может, даже мечтает о ней), и он готов к ней. И если, говоря фигурально, он ищет на ветвях, то никогда не забывает внимательно осмотреть и ствол и корни. И, бывает, находит. Тогда это награда за непрестанное внимание и любовь, с которыми ученый относится к самым мелким, самым незначительным на первый взгляд проявлениям природы.
Если же он хоть на миг ослабит свою бдительность, свое внимание и заинтересованность, он рискует не найти даже того, что ищет. И это – самое большое наказание.
Так были наказаны даже великий Ньютон и Гюйгенс. Ведь они знали, где и что искать, какие факты нужны для проверки их теорий. Более того, эти факты были уже открыты и опубликованы итальянским физиком Франческо Гримальди. Теперь уже нельзя узнать, почему оба ученых прошли мимо них – не заметили или приняли факт за домысел? Кто знает? Великие и даже величайшие ученые тоже люди и тоже могут ошибаться.
Смеркается. В комнате уже совсем темно, буквы в книге едва различимы, предметы теряют свои четкие контуры, сливаются с темнотой. Щелчок выключателя – и комнату заливает электрический свет. Еще щелчок – вспыхивает вторая лампа, становится светлее.
А почему, по какой причине две одинаковые лампы дают света больше, чем одна? Не странный ли вопрос?
С точки зрения потребительской – странный, но со стороны ученого – вполне законный.
Пользуясь освещением, мы не вдаемся в причины, а просто основываемся на опыте, идущем еще от пещерного человека, который знал, что одна горящая головня освещает его жилище слабее, чем две, и гораздо слабее, чем костер, сложенный из многих сучьев.
Для исследователя этого слишком мало. Включение различного количества ламп он может рассматривать как серьезный физический эксперимент. Естественно, что он пожелает количественно установить его результат. Он проведет большую работу, прежде чем придет к выводу, что свет от нескольких одинаковых источников суммируется по определенному закону.
С этим установленным фактом согласится и сторонник корпускулярной теории, и сторонник волновой.
Первый скажет следующее:
– Да, этот факт подтверждает гипотезу Ньютона. Он согласуется с ней. Потому что с увеличением числа источников света растет и количество корпускул, приходящихся на единицу поверхности освещаемых тел.
Второй скажет:
– Да, этот факт подтверждает волновую гипотезу. Он согласуется с ней. Потому что каждый новый источник света увеличивает степень возбуждения эфира, увеличивает размах (амплитуду) колебания его частиц.
Гримальди, о котором уже упоминалось, установил другой факт. Неожиданный, странный, противоречащий нашему повседневному опыту. Он определил, что в известных условиях свет, накладываясь на свет, не увеличивает общее действие, а, наоборот, ослабляет. Короче говоря, в некоторых особых случаях свет может порождать темноту.
Можно ли объяснить подобный, кажущийся парадоксом, факт, опираясь на корпускулярную теорию? Пожалуй, нет. Если только не предположить, что в таких случаях корпускулы, приходя от источников света, сталкиваются друг с другом, и в результате столкновения уничтожаются. Однако такое предположение не соответствует известным науке фактам.
Что же касается волновой теории, то с ее помощью открытие Гримальди оказывалось вполне объяснимым.
Раньше мы рассматривали волны на поверхности воды, бегущие от колеблющегося звонка. Он был единственным источником колебаний.
Но что произойдет, когда мы установим второй абсолютно одинаковый звонок на некотором расстоянии от первого?
Давайте проведем такой опыт. Но его осуществление разобьем на три части. В первой будет включен только первый звонок; во второй – только второй звонок, и лишь в третьей части опыта будут включены оба звонка.
Опыт со звонками. I – включен только первый звонок: волны не успели дойти до второго звонка; II включен только второй звонок: волны не успели дойти до первого звонка; III – включены оба звонка: волны от каждого из звонков встретились где-то на полпути. Здесь они начали взаимодействовать. Размах колебаний увеличился.
Для того чтобы лучше наблюдать результаты опыта, опустим на воду поплавок и поместим его в какой-либо точке прямой линии, соединяющей звонки.
Перед началом опыта вспомним еще раз, что волны в воде есть не что иное, как смещение молекул вверх и вниз, перпендикулярно движению волны.
Включим первый звонок. После того как первый гребень дойдет до поплавка и приподнимет его, поплавок будет то опускаться, то подниматься на волне. И он будет совершать такие колебательные движения до тех пор, пока будут существовать волны. Частота колебаний поплавка будет точно равна частоте ударов звонка.
Включаем второй звонок (первый звонок выключен). Повторяется то же самое, что и перед этим, с той лишь разницей, что теперь волны подходят к поплавку с противоположной стороны.
К третьей части опыта следует очень тщательно подготовиться. Необходимо так отрегулировать оба звонка, чтобы частоты их колебаний были абсолютно одинаковы. Обмотки звонковых электромагнитов мы приключим к общему выключателю, чтобы обеспечить одновременное включение.
Включаем оба звонка. От каждого из них идут волны – бегущие по воде круги. Но вот они встретились между собой, сперва соприкоснулись, а затем пересеклись. И, после того как это произошло, картина волн изменилась. Мы уже не видим прежних кругов – волны на воде образуют новую сложную фигуру. Изменилось и поведение поплавка.
Если в первых частях опыта поведение поплавка было одинаковым в любой точке прямой, соединяющей звонки, то теперь оно зависит от того, в какой из точек на этой прямой он находится. В некоторых он колеблется с той же частотой, что и звонки, но размах колебаний стал больше; зато в других точках поплавок ведет себя так, как если бы волны вообще отсутствовали.
Отчего это?
Оттого, что колебания – сдвиг молекул воды в каждой точке – зависят теперь от воздействия не одной, а двух систем волн. При этом одна волна в данной точке, в данный момент времени может вызывать смещение молекул вниз, а другая, наоборот, вверх. В результате этого взаимно-противоположного действия молекула останется неподвижной, останется в покое и поплавок. В других точках, в зависимости от расстояний до звонков, может произойти обратное явление: обе волны будут воздействовать на молекулу в одном и том же направлении. И тогда ее сдвиг будет большим, чем при воздействии только одной из волн, – поплавок станет колебаться с увеличенным размахом.
Итак, из нашего опыта мы видим, что волны могут взаимодействовать друг с другом.
Это фотография взаимодействия волн от двух источников колебаний.
Следовательно, если исходить из волновой теории света, можно легко объяснить явление, впервые отмеченное Гримальди; этим же можно объяснить и появление знаменитых колец Ньютона.
Такое взаимодействие волн на языке физиков носит специальное название: «интерференция». Слово это латинского происхождения и состоит из двух корней: inter – между и ferens (ferentis) – несущий. Оно лишний раз говорит о том, насколько далеко от нового физического понятия содержание исходных слов, выбранных учеными для обозначения этого понятия.
