Истина и красота. Всемирная история симметрии.

Стюарт Иэн

Научный интерес к свету восходит по крайней мере к Аристотелю, который, даром что был философом, задался вопросом такого типа, который должен показаться естественным скорее ученым. Как мы видим? Аристотель предположил, что, когда мы смотрим на некоторый объект, этот объект воздействует на среду между собой и смотрящим глазом. (Мы в наши дни называем эту среду «воздух».) Глаз фиксирует эти изменения в среде, и в результате возникает ощущение зрительного восприятия.

В Средние века объяснение изменили на противоположное. Полагали, что наш глаз испускает некоторые лучи, которые освещают все, на что мы смотрим. Не объект посылает в глаз сигналы,

а глаз оставляет следы по всему объекту.

В конце концов было осознано, что мы видим объекты в отраженном свете и что в обычной жизни основным источником света служит Солнце. Эксперименты показали, что свет перемещается по прямым линиям, образуя лучи. Отражение происходит, когда луч отскакивает от некоторой поверхности. Так что Солнце посылает световые лучи на все, что не скрыто в тени какого-либо другого объекта, лучи отовсюду отскакивают, причем некоторые из них попадают в глаз наблюдателя, и глаз получает сигнал с соответствующей стороны, мозг обрабатывает поступающую из глаза информацию, и мы видим то, от чего отразился луч.

Основной вопрос состоял в том, что же такое свет. Свет обладает рядом интригующих свойств. Он не только отражается; он может еще и преломляться — внезапно изменять направление на границе двух различных сред, например воздуха и воды. Именно поэтому палка, опущенная в пруд, выглядит изломанной; на этом же основана работа линзы.

Но еще более интригующим оказывается явление дифракции. В 1664 году ученый и всесторонне образованный человек Роберт Гук, не раз за свою карьеру имевший столкновения с Ньютоном, открыл, что если поместить линзу сверху на плоское зеркало, то при взгляде через линзу видны тонкие концентрические цветные кольца.

Эти кольца известны сейчас как Ньютоновы кольца, потому что Ньютон первым проанализировал их возникновение. Сегодня этот опыт считается ясной демонстрацией того факта, что свет — это волна: кольца возникают в результате интерференции из-за того, что волны при наложении одна на другую или гасят, или не гасят друг друга. Но Ньютон не верил, что свет — волна. Поскольку свет распространяется по прямым линиям, он полагал, что это должен быть поток частиц. Согласно его «Оптике», законченной в 1705 году, «Свет составлен из мельчайших частиц, или корпускул, испускаемых светящимися телами». В рамках теории частиц отражение объяснялось очень просто: частица отскакивает при ударе об (отражающую) поверхность. В этой теории возникли трудности с объяснением преломления, и она, по существу, рассыпалась, когда дело дошло до дифракции.

Размышляя о том, что же может заставить световые лучи изменять направление, Ньютон решил, что корень проблемы должен быть не в свете, а в среде. Это привело его к предположению о существовании некой «эфирной среды», которая передает колебания быстрее, чем свет. Он убедил себя, что излучение тепла подтверждает наличие этих колебаний, потому что, согласно его наблюдениям, тепловое излучение проходит через пустоту. В пустоте должно быть нечто, что переносит тепло и вызывает преломление и дифракцию. Ньютон писал:

Разве Тепло передается из теплой Комнаты через Пустоту не за счет Вибраций некоторой более тонкой Среды, чем Воздух, остающейся в Пустоте после удаления Воздуха? И не является ли эта Среда той самой, в которой Свет преломляется и отражается и посредством Вибраций которой Свет передает Тепло Телам, а также легко претерпевает Отражение и легко переносится?

Читая эти слова, я не могу не вспомнить моего друга Терри Пратчетта, написавшего целый ряд книг, действие которых происходит в Плоском Мире, представляющем собой

пародию на наш мир. С помощью массы населяющих его разнообразных волшебников, ведьм, троллей, гномов и людей Пратчетт подтрунивает над человеческими слабостями. Свет в Плоском Мире распространяется примерно со скоростью звука — именно по этой причине можно видеть, как при восходе солнца свет идет через поля. Свету необходима и противоположная, дополняющая его сторона — темнота (практически все в Плоском Мире реализовано в конкретном воплощении), причем темнота, понятно, распространяется быстрее света, ибо должна же она успеть убраться у него с дороги. Все это полностью осмысленно, даже в применении к нашему миру, если не считать того огорчительного факта, что ничто из этого не верно.

Ньютонова теория света страдает от того же недостатка. Ньютон вовсе не говорил заведомых глупостей; его теория, казалось, отвечала на целый ряд важных вопросов. К сожалению, эти ответы основывались на фундаментальном недопонимании: он полагал, что тепловое излучение и свет — это два разных явления. Он считал, что, когда свет падает на поверхность, он возбуждает тепловые колебания. Они являются разновидностью тех колебаний, которые, по его мнению, приводят к преломлению и дифракции света.

Таким образом возникла концепция «светоносного эфира» оказавшаяся необычайно стойкой. Действительно, когда позднее выяснилось, что свет — это волна, эфир оказался как раз подходящей средой, чтобы в ней эта волна распространилась. (Мы теперь полагаем, что свет — это не волна и не частица, а нечто, что содержит в себе элементы и того и другого. Но я забегаю вперед.)

Что же, однако, представлял собой этот эфир? Ньютон на эту тему высказался с максимальной откровенностью: «Я не знаю, чем является Эфир». Он рассуждал таким образом: если эфир также состоит из частиц, то они должны быть намного меньше и легче, чем частицы воздуха и даже частицы света — по существу, по той причине, вполне в духе Плоского Мира, что они должны обладать способностью убраться у света с дороги. «Чрезвычайная малость этих Частиц, — говорит Ньютон об эфире, — может давать вклад в значительную величину той силы, из-за которой данные Частицы могут избегать столкновений друг с другом и за счет этого образовать Среду, намного превосходящую Воздух по разреженности и упругости, а вследствие того оказывающую намного меньшее сопротивление движению Частиц, а также неизмеримо большую способность оказывать давление на крупные тела при своем расширении».

Еще до того, в «Трактате о Свете», написанном в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс предложил другую теорию: свет — это волна. Эта теория четко объясняла отражение, преломление и дифракцию, ведь те же явления можно наблюдать, например, с волнами на воде. Эфир играл для света ту же роль, что вода — для волн в океане, т.е. роль того, что остается, когда волна прошла. Но Ньютон счел нужным на это возразить. Спор принял крайне запутанный характер, поскольку оба ученых мужа делали неверные допущения о природе обсуждавшихся волн.

Все изменилось, когда в дело вмешался Максвелл. И он стоял на плечах еще одного гиганта.

Электрические нагреватели, освещение, радио, телевидение, кухонные комбайны, микроволновые печи, холодильники, пылесосы и бесконечное количество промышленных машин и механизмов — все это возникло благодаря открытиям одного человека — Майкла Фарадея. Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон Батс в предместье Лондона (ныне — Слон и Замок). Он был сыном кузнеца и достиг высокого положения в науке в викторианскую эпоху. Отец его был сандеманианцем — членом небольшой протестантской секты.