Чтение онлайн

Рассуждая в форме вопросов об оптических явлениях, Ньютон предположил, что свет состоит из мельчайших частиц. Когда солнечный луч проходит через стеклянную призму, он разделяется на разные цвета. Что если каждый цвет соотносится с частицами определенного размера? Самым малым размером ученый наделил частицы фиолетового спектра, а самым большим — красного. И хотя экспериментальным путем он свою теорию не подтвердил, его авторитет в науке был так весом, что ученые в основной своей массе его корпускулярную теорию света приняли. И отказались от нее крайне неохотно — только в начале XIX века, когда стали появляться первые свидетельства в пользу того, что свет — это все-таки волна. В частности, это было наиубедительнейшим образом продемонстрировано на примере одного опыта. Этот важнейший для современной физики опыт поставил не маститый ученый, а любитель, не утруждавший себя возней в лаборатории. В ходе опыта выяснилось, что для света характерно основополагающее свойство волн — интерференция.

Родившийся в 1773 году Томас Юнг был человеком от природы одаренным, владел несколькими языками. Грамоте научился в два года, а к четырем прочитал от корки до корки Библию, причем дважды. Прошло каких-то тридцать лет, и он начертил оптическую схему, при виде которой екнуло бы сердце любого пролетающего мимо мотылька-однодневки.

Юнг познакомил научную общественность со своей схемой во время чтения «Курса лекций по естественной философии и механическому искусству» в Королевском обществе в 1807 году.{149} Оптическая схема объясняла взаимодействие волн, «образовавшихся от двух камешков одинакового размера, брошенных в пруд в одно и то же время». Говорят, Юнга осенило, когда он, прогуливаясь возле пруда кембриджского Эммануэл-Колледжа, увидел расходившиеся от пары лебедей круги ряби, волны которых накладывались.{150} Однако, демонстрируя схему, он имел в виду вовсе не волны в пруду, а поведение света.

Юнг считал, что схема наглядно объясняет поведение не только водной ряби, но и солнечного луча, проходящего через две прорези экрана (отмеченные буквами А и В) и выходящего в виде волн. Свет, имея волновую природу, должен расходиться от каждой прорези на манер волн, проходящих через узкую щель дамбы; такое свойство волны, дифракция, хорошо известно. Юнг предположил: если свет является волной, тогда выходящие из обеих прорезей и накладывающиеся лучи должны интерферировать друг с другом — как и волны в воде. Только в случае со светом вместо участков более или менее спокойной воды должны проявиться участки большей и меньшей освещенности. Область особо заметного волнения в случае со световыми волнами будет областью особенно яркого освещения; область менее заметного волнения будет областью менее освещенной. Именно такое заключение, утверждал Юнг, позволил сделать опыт с экраном. В ходе опыта лучи, наложившись, образовали следующую картину: [64]

Юнг считал, что объяснить результаты данного опыта, исходя из ньютоновской корпускулярной теории света, нельзя, в то время как появление светлых и темных участков по краям «может быть с легкостью выведено из интерференции двух встречающихся волн, которые либо усиливаются, либо взаимно уничтожаются». Наверняка его доводы показались вам убедительными, правда? В самом деле, как можно объяснить результаты опыта, основываясь на теории, будто свет состоит из мельчайших частиц? Ведь если к одним частицам прибавить другие частицы, получится еще больше частиц. То есть света.

Однако ньютоновская теория пустила в умах ученых мужей настолько глубокие корни, что к доводам Юнга прислушались лишь по прошествии десятка лет. И пускай на примере воды видно, что волны при ослабляющей интерференции друг друга уничтожают — предположение о том, что свет плюс свет равняется темноте, казалось слишком уж нелогичным. Шотландец Генри Брум, юрист и ярый поборник теории Ньютона, обрушился на Юнга со злобными нападками. На страницах принадлежавшей ему влиятельной газеты «Эдинбург ревю» Брум писал, что не обнаружил в доводах Юнга и «малейших признаков эрудиции, проницательности или изобретательности, которые могли бы хоть как-то оправдать отсутствие всякой мысли».{151}

Скептики замолчали только тогда, когда французский физик Огюстен Френель подтвердил аргументацию Юнга математическими выкладками. В сообщении Французской академии наук, сделанном в 1815 году, Френелю удалось блестяще объяснить интерферирующие края из опыта Юнга с помощью формул, основываясь при этом на волновой теории света. Наконец, общественное мнение начало меняться, и к середине XIX века научные круги пришли к единому мнению: свет определенно является формой волны.

В декабре 1900 года немецкий физик Макс Планк, сам того не желая, внес в ряды ученых разброд и шатание.

Руководствуясь самыми благими намерениями, он задал вопрос «А что, если…», который явился головной болью для всех тех, кто принял волновую теорию света. В течение пяти лет Планк пытался разработать теоретическую модель того, каким образом свет, испускаемый нитью накаливания электрической лампы, зависит от температуры металла. В его изысканиях были крайне заинтересованы электротехнические компании, постоянно повышавшие качество выпускаемых ламп.

Оказалось, выявить связь между частотами волн света и температурой нити накаливания не так-то просто. Все знают, что железный прут в кузнечном горне по мере нагревания меняет цвет: сначала становится красным, потом — оранжевым, желтым и, наконец, раскаляется добела (и плавится). Тело испускает световые волны разной длины, однако преобладающая частота, наиболее яркий свет, изменяется с температурой. По мере увеличения температуры увеличивается частота наиболее яркого света — металл меняет цвет. Но вот вопрос: как именно преобладающая частота соотносится с температурой? Ни один физик того времени не мог найти этому явлению математического обоснования.

«Подумаешь!» — скажете вы. Ведь разгадка этого ребуса интересовала всего-навсего производителей ламп накаливания. Нельзя сказать, чтобы все английское общество того времени с замиранием сердца ждало ответа на «животрепещущий» вопрос. Однако предложенное Максом Планком математическое решение задачи подвигло Альберта Эйнштейна, которому на тот момент был двадцать один год, совершить в физике света очередной переворот. Высказанное невзначай предположение Планка повлекло за собой работы Эйнштейна и других ученых, в результате которых постепенно менялось наше представление о мире на атомарном уровне.

И тут уж вам придется принять идею о том, что видимый свет, как и остальные электромагнитные излучения, является волной окончательно и бесповоротно.

Планк предположил, что если тепло и свет, испускаемые разогретым металлом, принимают форму крошечных, неделимых «порций» энергии — ученый назвал их квантами, — то можно точно спрогнозировать, какая частота будет испускаться при той или иной температуре. Идею о существовании энергии в виде квантов Планк разработал исключительно для подгонки математических расчетов под экспериментальные данные; он предположил, что чем выше частота испускаемого света, тем больше энергии содержится в каждом из этих условных квантов. Сам Планк, как и остальные физики его времени, придерживался волновой теории света; он считал, что недалек тот час, когда испускаемые нагретым металлом свет и тепло объяснят с позиций волновой природы.

Однако спустя несколько лет, в 1905 году, запомнившемся в истории как annus mirabilis [65] , Эйнштейн высказал мысль о том, что идея Планка о квантах — вовсе не математическая уловка. Имя Эйнштейна тогда еще никому не было известно; будущий великий ученый едва сводил концы с концами, трудясь клерком в одном из швейцарских патентных бюро. В 1905 году Эйнштейн публикует работу, в которой допускает, что электромагнитное излучение в действительности состоит из квантов энергии. {152} Что если, предположил Эйнштейн, эти невидимые «порции» энергии на самом деле существуют, являясь одной из физических характеристик света, относимого к электромагнитным волнам? Что если металлы, разогретые до состояния, при котором они начинают светиться, в действительности испускают отдельные «порции» энергии? Если так, то должно быть верным и обратное утверждение: металлы поглощают свет в виде разрозненных «порций» энергии. В случае экспериментального подтверждения этого допущения все наши представления о свете окажутся вновь перевернутыми с ног на голову.