Чтение онлайн

Рис. 13. Устройство Кеплера. Модель Вселенной Кеплера, показывающая положение планет по отношению к различным геометрическим образам.

Ньютон показал всю несостоятельность этих представлений. Основным принципом, управляющим движением планет, служит закон тяготения. Он определяет орбиты планет лишь постольку, поскольку требует, чтобы они были окружностями или эллипсами с Солнцем в центре или в фокусе, и устанавливает специальное соотношение между радиусом (или большой осью эллипса) и периодом обращения. Однако этот принцип не предписывает какого-либо специального размера или радиуса орбиты. Действительно, истинный ее размер зависит от условий в начальный период, т. е. в период образования солнечной системы, и от последующих взаимных возмущений орбит. Если бы, например, Земля получила вначале иную скорость, то она вращалась бы по большей орбите. Мало того, если бы вблизи нашей солнечной системы прошла другая звезда, все планетные орбиты изменились бы, и после встречи соотношения между их размерами и периодами стали бы совсем иными.

Отсюда мы видим, что наблюдаемые в настоящее время размеры орбит не имеют большого значения. Они могли бы оказаться и совсем другими, но это не повлекло бы за собой нарушения законов физики. Фундаментальный закон тяготения определяет только общий характер явления. Он допускает непрерывное множество воплощения орбит. Параметры истинных орбит зависят от влияний, которые действовали раньше их установления и без всякого вмешательства извне. Размеры наблюдаемых сегодня орбит, быть может, обусловливаются какими-либо специальными причинами, например какими-либо особыми условиями, преобладавшими при образовании солнечной системы, или влиянием проходивших звезд, но в этих размерах нет никакого особого фундаментального значения. Мы полагаем, что планеты другой звезды движутся по совсем другим орбитам, даже если эта звезда близка к Солнцу по своему строению и размерам.

Благодаря своей всеобщности сила тяготения действует за пределами солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. Звезды каждой галактики влияют друг на друга вследствие действия сил притяжения, и каждая галактика притягивает другие галактики. Поэтому движением звезд и галактик управляет их взаимное притяжение. Мы пока еще мало знаем об этих движениях, так как их очень трудно наблюдать, и пришлось бы решать очень трудную задачу математического анализа, чтобы найти, как должны двигаться 50 миллиардов звезд под влиянием сил взаимного притяжения. Однако существуют очень веские данные, указывающие на то, что тот же общий принцип управляет движением всех звезд. Звезды, по-видимому, обращаются вокруг общего центра своей галактики таким же образом, как и планеты вокруг Солнца.

Определяются ли движения галактик тоже силами тяготения? Здесь мы приходим к еще не решенной проблеме астрономии. Мы мало знаем об этом, нам известен лишь поразительный факт разбегания галактик — расширения Вселенной. Это движение, очевидно, не может обусловливаться тяготением; должно существовать какое-то другое, еще неизвестное объяснение [21] .

Есть ли что-нибудь, обладающее такой же всеобщностью, как свет? Свет, приходящий от Солнца к Земле, — основа нашего существования. Он приносит тепло и снабжает нашу планету почти всей получаемой ею энергией. Он заставляет расти растения, а ведь мы применяем их как топливо, в виде угля или нефти, или как пищу животных и людей. Единственным источником энергии, не приходящей в виде солнечного света, служат «темные» силы радиоактивности и деление урана. И наконец, — чем тоже нельзя пренебречь — в ярком свете Солнца природа встает перед нами во всей своей красе.

Как сказал Галилей, свет — единственный посланец звезд; он должен рассказать нам почти все, что мы когда-либо узнаем о Вселенной. Кроме скудных сведений, получаемых нами при изучении космических лучей и метеоритов, и того, что нам предстоит еще узнать из космических путешествий, мы не имеем иных сообщений из внеземного мира, кроме сообщений, даваемых светом.

Что такое свет? Ответ на этот вопрос был дан в одном из самых интересных построений физики прошлого века. Световые сигналы идут в пустом пространстве по прямым линиям с определенной постоянной скоростью, равной 3·105 км/сек. За то время, которое требуется, чтобы согнуть палец (0,1 сек), свет успевает пройти расстояние, равное окружности Земли. Как мы говорили в гл. II, свету требуются минуты, чтобы в нашей солнечной системе пройти от планет до Солнца.

Что же происходит между источником и приемником при посылке светового сигнала из одной точки в другую? Сначала полагали, что источник испускает какие-то световые единицы, импульсы или частички, разного рода для разных цветов. Даже великий Ньютон считал, что свет состоит из частичек (хотя он старательно уклонялся от прямых утверждений). В XVII веке Христиан Гюйгенс (Голландия) предположил, что свет — это волновое движение, а Томас Юнг и Огюстен Френель в начале XIX века с несомненностью установили, что световой луч— это волна, распространяющаяся в пространстве.

Что же такое волна? Наиболее известный пример — это волны на воде, но ими не очень удобно пользоваться при рассмотрении световых волн, так как они распространяются по поверхности воды, а световые волны — в трехмерном пространстве. Однако изучение волн на воде помогает понять природу волн вообще.

Волна движется в каком-то носителе. Поверхность воды служит носителем волн на воде. В носителе происходят периодические колебательные изменения: например, поверхность воды движется вверх и вниз. Эти изменения таковы, что они распространяются и образуют характерную картину бегущих волн. Следует ясно понимать, что при распространении волны не происходит никакого перемещения материальной среды. Вместе с волной перемещаются только изменения картины на поверхности воды. Сама вода фактически не переносится. Однако волна может передавать действие от точки к точке. Если в одном месте сосуда сообщить толчок водной поверхности в известном направлении, то результирующая волна передаст этот толчок в другом его месте. Волны на воде могут передавать большие мощности, как мы это иногда видим по их действию на берег моря. Но масса воды не перемещается вместе с волной. Она только движется вверх и вниз, вперед и назад.

Другим примером, более близким к световым волнам, служит звуковая волна в воздухе. Колебательные изменения, которые претерпевает носитель, суть изменения давления воздуха. Если звук производит, скажем, громкоговоритель, то его поверхность движется взад и вперед, вызывая тем самым периодические увеличения и уменьшения давления в слое прилегающего к нему воздуха. Эти изменения бегут во все стороны, точно так же, как волны на поверхности воды, образующиеся при движении вперед и назад вашей руки в воде. Но в воде волны распространяются только на поверхности, а в воздухе — по всем направлениям в пространстве. Такое распространение периодических сгущений и разрежений воздуха и есть звуковая волна. Когда это колебание достигает уха, оно передает давление барабанной перепонке, заставляя ее колебаться так же, как и источник звука. Колебания барабанной перепонки мы и воспринимаем как звук. Чем меньше расстояние между гребнями и впадинами волны, или (что то же самое), чем чаще сменяются сгущения и разрежения, когда волна достигает уха, тем выше воспринимаемый нами звук. Расстояние между двумя последовательными гребнями (или впадинами) называется длиной волны, а число гребней, приходящих за 1 сек к уху (или проходящих мимо любой точки), называется частотой волны. Чем короче волна, тем больше ее частота.

Хотя Гюйгенс и не располагал большим количеством фактов, он еще в 1680 г. предположил, что свет есть волновое движение. Окончательное подтверждение того, что свет есть волна, принадлежит английскому ученому Томасу Юнгу, родившемуся в 1773 г. и первоначально изучавшему медицину. Он занимался проблемами света с 1800 г. и первый нашел решающие факты, показавшие, что свет есть волновое движение.

Колебания, происходящие в световой волне, не воспринимаются непосредственно именно как колебания; в волновой природе света нас убеждают лишь косвенные данные, И по сей день наилучшее ее доказательство принадлежит Юнгу. Его доводы основаны на явлении «интерференции». Этот эффект заключается в том, что при некоторых определенных условиях свет, складываясь со светом, дает темноту. Интерференция показывает, что свет есть волна, потому что этот эффект наблюдается тогда, когда гребень одной волны совпадает с впадиной другой. Погрузите по одному пальцу на каждой руке в воду и подвигайте ими, внимательно следя за двумя возникшими волнами, идущими навстречу друг другу. Вы увидите, что волны гасятся во всех местах, в которых гребень одной волны налагается на впадину другой.

Есть много способов демонстрации этого эффекта со световыми волнами. Один из хорошо известных эффектов — появление окрашенных полос или колец, наблюдаемых при растекании тонкого слоя нефти по поверхности воды. Такая же окраска часто видна и на краях масляных пятен на мостовой, В этих случаях свет от неба или от уличных фонарей отражается сначала от верхней поверхности пленки, а затем от нижней. Колебания в световом луче, отраженном от нижней поверхности масляной пленки, отстают от колебаний в луче, отраженном от верхней ее поверхности, на расстояние, равное удвоенной толщине пленки. Оба отраженных луча «интерферируют» следующим образом: если толщина пленки составляет четверть длины волны, второй луч отстает от первого на полволны [22] . Гребень волны, отраженной от одной поверхности, налагается на впадину в отраженной другой поверхностью волне, и получается темнота. В результате интерференции белый дневной свет становится после отражения окрашенным; ведь белый цвет есть комбинация всех цветов. Некоторым цветам соответствуют как раз такие длины волн, которые гасятся при отражении. Тогда окраска отраженного цвета будет определяться остающимися цветами [23] .

Вы можете наблюдать интерференционные эффекты в простом опыте. Возьмите патефонную пластинку и, держа ее на уровне глаза, осветите ее лампой так, чтобы свет лампы падал на плоскость пластинки под весьма малым углом. Вы увидите цветной узор на краю пластинки около глаза. Световые лучи, отраженные от различных бороздок, интерферируют друг с другом, давая темные и яркие окрашенные полосы.

Другой пример того же явления показан на рис. 14.

Рис. 14. Свет, падающий на экран, дает интерференционную картину.