Текст книги "Квинтэссенция. Книга первая"

Автор книги: Ирина Радунская

Соавторы: Ирина Радунская
сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

ВДОЛЬ ИЛИ ПОПЕРЕК?

Еще в 1815 году Ампер высказал Френелю идею о том, что световые колебания эфира совершаются не вдоль направления распространения луча, как это происходит в звуковых волнах, а поперек. Френель не согласился с этой идеей потому, что в то время уже было твердо установлено, что поперечные звуковые волны могут распространяться только в твердых телах. А эфир не мог быть твердым!

Интересно, что, узнав о результатах опытов Френеля и Араго, Юнг независимо пришел к мысли о поперечных колебаниях в лучах света. Но эта мысль казалась ему столь фантастической, что он предпочитал говорить о «воображаемом поперечном движении».

Только в 1821 году Френель окончательно убедился в том, что веря в продольные колебания эфира, невозможно понять всю совокупность явлений, наблюдаемых в поляризованном свете.

Френель был вынужден рассмотреть гипотезу поперечности волн света. Она казалась ему крайне сомнительной. Он пишет: «… эта гипотеза находилась в таком противоречии с общепринятыми представлениями о природе колебаний упругих жидкостей, что я долго не решался ее принять. И даже когда совокупность всех фактов и долгое размышление убедили меня, что эта гипотеза необходима для объяснения оптических явлений, я пытался раньше, чем представить ее на суд физиков, убедиться в том, что она не противоречит основам механики».

Френель решительно принимает гипотезу поперечных колебаний. Он пишет о колебаниях, происходящих в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения световых лучей и совпадающих с фронтами световых волн.

Основываясь на этой гипотезе Френель объяснил все изобилие явлений, наблюдаемых в поляризованном свете, и показал, что она не противоречит ни одному из известных свойств света.

При этом Френелю пришлось смириться с необычайным сочетанием свойств эфира, который должен быть одновременно тончайшим невесомым флюидом (что признавали все физики) и наитвердейшим телом! Более твердым, чем сталь! Иначе без чего нельзя объяснить ряд известных свойств света и, прежде всего – свойств поляризованных световых волн.

Ситуация оказалась столь парадоксальной, что Араго, известный своей восприимчивостью к новым идеям и участвовавший в опытах Френеля, приведших в тупик гипотезу продольных колебаний, отказался подписать статью, написанную Френелем от имени их обоих. Араго не мог примириться с безумной мыслью о том, что эфир обладает столь несовместимыми свойствами.

Но Френель твердо стал на путь, указанный Ньютоном: нужно описывать при помощи математики как происходят явления, даже если их истинный механизм еще неизвестен.

В течении двух лет, работая в одиночку, Френель построил непротиворечивую теорию света, опирающуюся на модель поперечных колебаний эфира. Он примирился с тем, что эфир невесом, но колоссально упруг, что он заполняет всю Вселенную и проникает во все тела. Но ему пришлось пополнить первоначальную гипотезу тем, что свойства эфира, проникающего внутрь тел, зависят от природы этих тел и отличаются от свойств эфира, заполняющего пустое пространство.

Изменение упругости эфира на границе между свободным пространством и любым телом, а также на границе между различными веществами позволило Френелю объяснить отражение и преломление света на этих границах. Он сумел вычислить, какая часть света отражается от границы и какая пересекает ее, переходя из одной среды в другую. Его формулы и сейчас служат для вычисления зависимости отражения и преломления света от угла, под которым он подходит к границе, и от поляризации луча, падающего на границу. Они позволяют вычислить и то, насколько поляризация отраженного и преломленного света отличается от поляризации падающего света.

Теория Френеля объяснила зависимость скорости света в прозрачных телах от длины его волны и от свойств среды, в которой распространяются световые волны. Она объяснила и множество других оптических явлений, описание которых выходит за пределы этой книги.

Так Френель построил полную механическую теорию оптических явлений, заплатив за это признанием фантастического сочетания свойств светоносного эфира.

Но это признание сыграло и полезную роль в науке. Френель занялся изучением процессов, происходящих в упругих средах. Этим он заложил основы общей теории упругости, занявшей достойное место в физике и технике. Она стала фундаментом науки о сопротивлении материалов.

Старшие современники Френеля, признавая эффективность полученных им формул, отвергали модель поперечных колебаний эфира, основываясь на несовместимости его характеристик. К их числу принадлежали такие крупные ученые как Пуассон и Био, придерживавшиеся корпускулярной теории света, а также друг и сотрудник Френеля – Араго. Брюстер отвергал волновую теорию света, ибо считал невозможным приписать творцу «столь грубую идею, как заполнение всего пространства эфиром для того, чтобы созидать свет».

Как мы помним, Пуассон был первым, возразившим против волновой теории Френеля. Он указал, что из этой теории следует появление, при известных условиях, светлого пятна позади круглого непрозрачного экрана. Пуассон считал, что это противоречит здравому смыслу. Помним мы и то, что Френель вместе с Араго провел соответствующий опыт и продемонстрировал всем сомневающимся, что предсказание Пуассона подтвердилось. Это было первым подтверждением теории Френеля.

Позже Пуассон пришел к еще одному возражению. Он писал: если свет – действительно волны в упругом эфире, то их скорость должна зависеть только от величины упругости. При этом цвет не может влиять на распространение света. А это противоречит опыту, опровергает теорию Френеля и подтверждает корпускулярную теорию Ньютона.

Френель возразил, что в своей теории он не рассмотрел влияния вещества. Но если частицы вещества влияют на плотность эфира, то зависимость скорости света от цвета не только возможна, но необходима. Однако Френель не владел математикой настолько, чтобы доказать это математически.

Задачу решил один из ведущих французских математиков того времени О. Коши. Он приписал эфиру атомное строение, принимая, что размеры атомов эфира исчезающе малы по сравнению с расстоянием между ними, причем эти расстояния, в свою очередь малы по сравнению с длиной волны света. Коши получил формулу, из которой следовало, что внутри вещества, где длина волны света укорачивается, появляется зависимость показателя преломления от цвета.

Это же предсказывала корпускулярная теория Ньютона. Значит соответствующий опыт не мог стать решающим при сравнении волновой и корпускулярной теорий и для решения вопроса о существовании эфира.

Френель больше не участвовал в решении этих проблем. Вся его плодотворная и многогранная научная деятельность продолжалась менее десяти лет – от первого исследования дифракции света (1815 год) до избрания членом Парижской академии наук в 1823 году. Сильное кровотечение, перенесенное им в 1824 году, заставило его полностью отказаться от научной работы. Он умер 14 июля 1827 года. Умер ученый, выудивший истину из клубка ошибок и ложных предпосылок, и утвердившийся в истории науки как провидец и мудрец.

НЕВЕРОЯТНАЯ ХИМЕРА

В последующие годы многие физики изучали разнообразные оптические явления, а математики продолжали построение теории упругости. При этом обнаружился ряд трудностей.

Френель исходил из представления об абсолютно упругом эфире. Он считал, что упругость эфира неизменна, как в вакууме, так и внутри материальных тел. При переходе из одного вещества в другое и из вакуума в вещество скачком меняется лишь плотность эфира.

Теория упругости не допускала такого резкого перехода. Кроме того, теория упругости указывала, что в упругом эфире, наряду с поперечными (световыми) волнами, должны существовать продольные волны. Те, о которых писал Гюйгенс. Те, которые Френелю пришлось исключить из волновой теории, так как они не могли объяснить явления поляризации света. Те, которые не проявляли своего существования ни в одном опыте.

Ситуация усложнялась тем, что теория упругости была надежно подтверждена опытами, показавшими, что в упругих средах, таких, как сталь или стекло, существуют как поперечные, так и продольные волны, соответствующие изменениям плотности вещества.

Вместе с тем один из создателей теории упругости и теории течения жидкостей Г. Ламе, считая теорию Френеля верной, предполагал, что эфир является не твердой, а жидкой средой, почему-то способной к передаче поперечных волн.

Стокс тоже считал эфир жидкостью, причем идеальной жидкостью, лишенной внутреннего трения, что объясняет отсутствие его сопротивления движению планет. Стокс пытался примирить абсолютную твердость эфира с отсутствием сопротивления движению планет предположением, что эфир, наподобие сапожного вара, тверд по отношению к быстрым движениям – колебаниям световых волн. Но допускает без сопротивления медленные смещения. А движения планет очень медленны по сравнению со световыми колебаниями.

Однако никто не мог объяснить, что делает возможным распространение поперечных волн в жидком эфире. А поперечность световых волн была твердо установлена опытами с поляризованным светом.

Для того, чтобы объяснить отсутствие в эфире продольных волн, выдвигались гипотезы о том, что он абсолютно сжимаем, а тогда скорость продольных волн равна нулю. Но при этом исчезает и возможность существования поперечных волн.

Математик Грин указал на противоположную возможность – если эфир абсолютно несжимаем, то скорость продольных волн, волн сжатия и разрежения, бесконечно велика и они не воспринимаются приборами.

Основываясь на этой гипотезе, Грин в 1837 году разработал динамическую теорию эфира, не противоречащую теории упругости. Он построил модель эфира, основой которой были центры, взаимодействующие между собой с силами, быстро убывающими с расстоянием. Настолько быстро, что они совершенно исчезали на расстояниях, сравнимых с длиной волны света. При этом само собой получалась гипотеза Френеля о том, что упругость эфира одинакова во всех средах. Теория Грина соответствовала не всем данным опыта и, поэтому, не получила развития.

Немецкий физик – теоретик Ф. Нейман отказался от предположения о постоянстве упругости эфира, заменив его гипотезой о том, что постоянна во всех средах его плотность. Но и эта гипотеза не могла объяснить всю совокупность опытных фактов.

Наиболее поразительной была гипотеза ирландского физика Мак-Келлога. Он предположил, что единственная деформация, существующая в упругом эфире, это не сжатие и не сдвиг, а вращение. Но и эта гипотеза не выдержала сравнения с опытом.

Так эфир предстал перед физиками невероятной химерой – средой, объединяющей в себе несовместимые свойства: не сжимаемость и твердость, превосходя этой характеристикой лучшую сталь. Но одновременно он должен быть сильно разреженным, чтобы не препятствовать движению планет, и изменяющим скачком свою плотность при переходе из пустого пространства в вещество и из одного вещества в другое. Однако это противоречило надежным выводам теории упругости. Тут уместно заметить, что все эти бурные споры и разные мнения не базировались ни на чем конкретном – ни один из спорщиков не мог утверждать, что он обнаружил эфир хотя бы в одном опыте! Сражения шли на пустом месте, все ловили невидимку! Но для науки важно другое – шел лов! Пусть не был пойман эфир, но ловля приносила новые и важные открытия!

Так разгоревшаяся дискуссия стимулировала немецкого физика Й. Фраунгофера к углубленному исследованию дисперсии – связи показателя преломления вещества с длиной волны света, для которого производятся измерения. Во время своих исследований Фраунгофер изучил расположение множества (до 700) темных линий, видимых в спектре Солнца. Эти исследования в конце концов привели немецких ученых Г. Кирхгофа и Р. Бунзена к разработке спектрального анализа, совершившего революцию в физике и химии.

Особое место в нашем повествовании занимает ирландец У. Гамильтон. Гамильтон уточнил научный метод, созданный Ньютоном. Он различал три стадии развития науки. В первой стадии необходимо накапливать и систематизировать опытные факты и на их основе, пользуясь индукцией и анализом, получать законы (Ньютон называл их «принципами»). Во второй стадии, пользуясь дедукцией и синтезом, извлекать следствия из этих законов, предсказывая неизвестные ранее явления. Затем следует ставить новые опыты, чтобы подтвердить или отвергнуть полученные следствия.

Гамильтон решил построить такую формальную математическую теорию света, которая не нуждается ни в волновой, ни в корпускулярной модели оптических явлений и не противоречит ни одной из них. За образец при построении новой теории Гамильтон принял аналитическую механику, созданную великим французским математиком и механиком Ж. Лагранжем.

Лагранж следовал идеям Эйлера, начавшего построение механики на основе небольшого набора определений и аксиом. Лагранж предупреждал читателя:

«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 через них, пройдет мимо пушки.

Видимое смещение звезды вызвано движением телескопа (вместе с Землей) за то время, пока ее свет преодолевал расстояние от объектива телескопа к его окуляру. Если бы скорость света была бесконечно большой, это смещение (его называют аберрацией света) было бы равно нулю.

Вычисления Брадлея показали, что скорость света почти в десять тысяч раз превышает орбитальную скорость Земли. Прекрасная точность для того времени! Вспомним, что из наблюдений движения спутников Юпитера датский астроном О. Ремер вычислил скорость света и оценил время прохождения света от Солнца до Земли величиной, лежащей между 8 и 11 минутами. Оценки Брадлея дают для этого времени величину 8 минут 13 секунд, что очень близко к современному значению.

Брадлей не удовлетворился своим замечательным открытием. Он продолжал измерения смещения звезд, вызванного параллаксом. Его результат: величина параллакса менее половины угловой секунды. Это полностью опровергло претензии Гука, сообщившего, что он наблюдал параллакс величиной в 30 угловых секунд.

Как видно из нашего примера с кораблем, простреливаемым пушкой, явление аберрации света легко объясняется корпускулярной теорией Ньютона.

Что может сказать по этому поводу волновая теория?

Ответ прост. Результат будет таким же. Величина аберрации определяется временем прохождения световых волн внутри телескопа и, конечно, скоростью движения Земли.

Но, внимание!

Если бы эфир полностью увлекался движением Земли и был неподвижен относительно телескопа, аберрация была бы равна нулю.

Явление аберрации света указывает на то, что светоносный эфир не участвует в движении телескопа.

Первая попытка проверить в лаборатории факт увлечения движущимся веществом содержащегося в нем эфира была предпринята в 1851 году французским физиком А. Физо. В его приборе наблюдению подлежала интерференция двух лучей света. Один из них проходил сквозь столб воды в направлении ее течения, а второй навстречу течению воды. Если вода увлекает эфир, то интерференционные полосы должны были смещаться по сравнению с их положением, наблюдаемым при неподвижной воде. Опыт подтвердил гипотезу Френеля о частичном увлечении эфира движущейся водой.

Вывод Физо был подтвержден другими исследователями, но еще один опыт привел к противоположному результату.

Замечательный американский оптик-экспериментатор А. Майкельсон в 1881 году решил определить скорость движения Земли относительно эфира. Скорость обращения Земли вокруг Солнца была хорошо известна астрономам. Она в среднем равна 30 километрам в секунду, что в десять тысяч раз меньше скорости света. Но Майкельсон незадолго до этого изобрел замечательный прибор – интерферометр, – теперь носящий его имя. И он решил его использовать в своем эксперименте.

Майкельсон построил для измерения скорости Земли относительно эфира специальный высокоточный интерферометр, расположенный на гранитной плите, плававшей в ванне с ртутью. По смещению интерференционных полос этот интерферометр мог зафиксировать скорость в сто раз меньшую, чем можно ожидать, если считать, что эфир частично увлекается Землей.

Длительные опыты, на которые возлагались большие надежды, дали отрицательный результат. «Эфирный ветер» – движение эфира относительно Земли, не был обнаружен! Один из крупнейших представителей классической физики, голландский физик-теоретик Г. А. Лоренц выступил с критикой опыта Майкельсона. Лоренц был слишком авторитетной фигурой, чтобы пренебречь его мнением.

Майкельсон продолжал думать. Работая вместе с Э. Морли, он повысил точность своего прибора и через шесть лет повторил опыт. Эфирный ветер снова отсутствовал.

Возникла драматическая ситуация. Три безупречных опыта не согласовывались между собой. Опыт Майкельсона свидетельствовал о том, что Земля полностью увлекает окружающий эфир, во всяком случае – вблизи поверхности Земли. Явление аберрации света и ряд более поздних опытов однозначно указывали на неподвижность эфира, на то, что эфир не участвует в движении материальных тел. Опыт Физо и аналогичные ему опыты указывали на частичное увлечение эфира внутри плотных прозрачных сред.

Ученым было над чем задуматься… Они еще не знали, что впереди – большие сюрпризы.

Следуя логике науки, мы оторвались от хронологии.

За время, прошедшее между трудами Ньютона и опытом Майкельсона, в науке произошло много событий, без учета которых трудно осознать, перед какой пропастью поставил ученых один единственный опыт, надежно показавший, что эфирный ветер отсутствует.

Мы возвратимся к загадке эфирного ветра после того, как ознакомимся с новой теорией света, заменившей теорию Френеля. С теорией, сделавшей ненужными все гипотезы о противоречивых механических свойствах эфира. Речь идет о теории Максвелла. Она построена на фундаменте, заложенном Фарадеем, который, в свою очередь, опирался на труды целого ряда ученых.