Квинтэссенция. Книга первая
Шрифт:
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,
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.