посвященная обоснованию волновой теории света. Терпеливый читатель, возможно, получит удовольствие, познакомившись с очень тонкими и далеко идущими выводами, которые были сделаны при исследовании неожиданного эффекта двойного лучепреломления

 

Эфир (продолжение)

В прошлой главе допущена существенная неточность, продиктованная схематичностью изложения. Говорилось, что Гюйгенс первым обосновал волновую природу света, а Ньютон в противовес выдвинул корпускулярную теорию.

Все это не совсем верно. Гюйгенс не объяснил в своих работах многие основные явления, с которыми сталкиваешься при изучении света. Он, например, не представлял, что свет — периодический процесс. И не мог, следовательно, хорошо объяснить интерференцию света. Он ничего не говорил о дифракции и, возможно, вообще не подозревал о существовании такого явления; наконец, основные свойства световых лучей — прямолинейность их распространения и образование цветов — также не получили объяснения в теории Гюйгенса.

Волновая теория света во времена Гюйгенса — Ньютона очень неудовлетворительно описывала наблюдаемые эффекты, и Ньютон не случайно от нее отказался.

Впрочем, он не был безусловным сторонником и корпускулярной теории.

Для творца механики и оптики гипотеза всегда оставалась не более чем гипотезой. Все это он относил к физике второго сорта. Впрочем, когда без гипотез нельзя было обойтись, Ньютон демонстрировал, что может их измышлять лучше всех современников.

В свойствах света он разбирался лучше, чем Гюйгенс, лучше, чем любой из живших в то время физиков. Но… к своим собственным теориям он относился так же недоверчиво и, можно сказать, с такой же иронией, как и к построениям других авторов.

Л. И. Мандельштам очень тонко заметил, что Ньютон не создал волновой теории только потому, что лучше, чем Гюйгенс, видел ее недостатки. Но и к корпускулярной теории он не испытывал особо нежных чувств…

Совершенно так же он, пожалуй, «недолюбливал» и эфир, хотя в течение своей жизни предложил несколько изящных гипотез эфира — несколько «эфиров».

К сожалению, есть только один способ передать изумительную гибкость и изобретательность его мысли — подробно изложить эти гипотезы. А как раз это мы не в состоянии проделать.

Можно привести только один любопытный факт. Менделеев в конце XIX столетия (!) рассуждал об эфире совершенно в плане идей Ньютона. Его уверенность в существовании эфира была так велика, что в периодической таблице он оставил нулевое место для химического элемента «ньютония» — эфира. То, что эфир Ньютона двести лет спустя привлек такого ученого, как Менделеев, уже одно может служить рекомендацией.

А вот как расценивал сам Ньютон эту группу своих работ. Знаменитое письмо об эфире к Роберту Бойлю заканчивается неожиданной, если не знать Ньютона, фразой:

«Что касается меня, то я имею столь мало вкуса к вещам такого рода, что без поощрения вашего, побудившего меня, я никогда бы, полагаю, не взялся за перо для такого рода дел».

Это сказано в заключение нескольких страниц, с которых блещет такой фейерверк остроумнейших и тончайших гипотез, что, право, идей одного этого письма хватило бы, чтобы оставить свое имя в истории науки.

Конечно, могут быть различные мнения по поводу отношения Ньютона к гипотезам как к методу научной работы. Но думаю, бесспорно, что в данном случае иронически-пренебрежительное отношение Ньютона к своим собственным результатам, продиктованное беспощадной требовательностью, пробуждает чувство глубокого преклонения перед ученым и человеком.

Скепсис Ньютона был забыт последующими поколениями. И произошло это не случайно.

В начале XIX столетия волновая теория света могла, наконец, торжествовать триумф.

До конца XVIII века, отчасти под влиянием авторитета Ньютона, а главным образом ввиду недостатков волновой теории, большинство физиков считало, что свет — это поток корпускул, а не волны. Корпускулярную теорию в первую очередь защищала наиболее передовая и сильная научная школа того времени, объединенная Французской академией наук.

Первый чувствительный удар корпускулярной теории был нанесен в 1801 году. Роберт Юнг объяснил интерференцию световых волн с точки зрения волновой теории. Цвета тонких пластин и кольца Ньютона[33]Именно кольца Ньютона — первый эффект, в котором проявились периодические свойства света, и именно Ньютон первый это понял.
в волновой схеме Юнга получили хорошее теоретическое объяснение.

Но сторонников корпускулярной теории это не убедило. У них тоже были свои достижения. Например, Лаплас успешно объяснил с точки зрения корпускулярной теории явление двойного лучепреломления. И вопрос оставался открытым.

В 1818 году Французская академия наук предлагает премиальную тему: «Теоретическое объяснение дифракции». При этом рассчитывали, что появится работа, объясняющая дифракцию с корпускулярной точки зрения. Но увы, надежды так часто не сбываются. На конкурсную комиссию было подано сочинение, в котором все явления дифракции объяснялись с волновой точки зрения. Автором работы был еще сравнительно молодой физик Огюст Жан Френель. Он, по существу, и есть творец волновой теории света.

Работу признали неохотно, поскольку почти все члены комиссии придерживались корпускулярной теории. Но в комиссии были настоящие ученые, и труд Френеля в конце концов получил блестящий отзыв.

При обсуждении произошел очень поучительный эпизод. Один из крупнейших математиков XIX столетия, Пуассон, не понимал и не принимал идей Френеля. Он и обратил внимание на такой «нелепый» вывод волновой теории. При определенных размерах препятствия в центре тени должно было образоваться светлое пятно.

Проделали опыт. Оказалось, что светлое пятно действительно находится в той точке, где предписывала теория. «Опровержение» Пуассона обернулось блестящим доказательством волновой природы света.

После Френеля не оставалось никаких сомнений в том, что свет — волны; не оставалось сомнений и в существовании эфира.

А эфир по-прежнему представлял для физиков камень преткновения. Более того, как раз работы Френеля, убедив в существовании эфира, с одной стороны, с другой — очень и очень запутали положение.

Как только появилась гипотеза эфира, возник вопрос: «Почему же планеты, да и вообще все тела не испытывают сопротивления, двигаясь через эфир?» Единственное удовлетворительное объяснение можно дать, считая эфир каким-то исключительно разреженным газом мельчайших частиц. В этом случае еще можно как-то говорить, что трение об эфир ничтожно и потому экспериментально не выявляется.

Но если эфир — газообразная субстанция, «некий тончайший спиритус, проникающий во все тела…», как говорил Ньютон, то в нем могут осуществляться только продольные волны. В газах поперечных волн не бывает. Следовательно, световые волны должны быть продольными.

И вот тот же Френель показал, что свет — это поперечные волны.

Естественно заинтересоваться: как вообще установили — продольные или поперечные световые колебания, если не было возможности наблюдать частицы той среды (эфира), в которой распространяется свет? Ведь никто не видел, что именно колеблется в световой волне?

И тем не менее поперечный характер колебаний эфира был установлен совершенно безупречно. При доказательстве использовали очень элегантный прием — соображения симметрии.

Рассмотрим световой луч. Согласно волновой теории, он обусловлен колебаниями эфира. А та область, в которой эфир колеблется, представляет собой узкую «трубку», центральная ось которой и есть ось светового луча.

Если в цилиндре колебания эфира продольны (направлены вдоль оси) и если свойства эфира во всех направлениях одинаковы (изотропность эфира!), можно утверждать, что физические свойства луча света должны обладать осевой симметрией.

Предыдущая фраза может показаться непонятной и потому стоит пояснения.

Что означают слова «изотропность эфира»? Только то, что в эфире нет выделенного по своим физическим свойствам направления. В этом убедились на опыте. Если, например, произвести вспышку света, то световая волна абсолютно одинаково распространится во всех направлениях.

Точно так же для лыжника в ровном поле на нетронутом снегу в смысле трудности пути все направления равноценны. Но если на поле проложены лыжни или если он стоит на склоне горы, изотропность нарушена — есть более и менее благоприятные направления.

Осевая симметрия всех свойств луча означает, что в световом луче совершенно равноправны все направления, перпендикулярные оси. Если мы повернем световой луч вокруг его оси, ничего не изменится. Вся физическая картина останется прежней. Обычные световые лучи действительно обладают такой симметрией. И ни один опыт не показывает, что какое-то из направлений, перпендикулярных к оси, выделяется по своим свойствам.

Казалось бы, все это подтверждает гипотезу о продольных колебаниях эфира.

Впрочем, не будем торопиться с выводами…

В 1670 году Гюйгенс обнаружил, что если пропустить через кристалл исландского шпата луч света, то на выходе из кристалла он раздвоится!

Факт предельно удивительный. Правда, Гюйгенсу удалось формально (математически) объяснить двойное лучепреломление, но физику явления он не понял и не нашел ничего лучшего, как выдвинуть гипотезу о существовании двух эфиров (!) в исландском шпате.

Естественно, Ньютон жестоко критиковал Гюйгенса за эти построения. Сэру Исааку с лихвой хватало одного эфира, а уж примириться с двумя он никак не мог.

Несколько отвлекаясь, заметим, что вообще наблюдается, казалось бы, мистический факт. Чем более искусственны предположения, чем сложнее гипотеза, тем меньше вероятия, что она оправдается. Впрочем, это довольно естественно, потому что для сохранения правильной гипотезы по мере накопления противоречащих фактов приходится добавлять все новые искусственные предположения.

Но двойное лучепреломление таило в себе еще одну неприятность.

Если взять два одинаковых кристалла исландского шпата и через оба пропустить луч света, то на выходе мы увидим четыре луча.

Начнем вращать теперь правый кристалл относительно левого. Яркость каждой из четырех точек на экране будет изменяться. Причем при определенном положении кристаллов друг относительно друга вместо четырех лучей мы увидим только два, а два других исчезают! Значит, каждый из лучей, вышедших из первого кристалла, во втором уже не расщепляется[34]Два луча на выходе получаются тогда, когда соответствующие кристаллографические оси либо совпадают, либо угол между ними составляет 90°. Поэтому, поворачивая нижний кристалл на полный угол в 360°, мы 4 раза будем наблюдать на выходе 2 луча вместо 4.
.

Итак, интенсивность каждого из наблюдаемых четырех лучей меняется в зависимости только от взаимного расположения кристаллов.

Каждому лучу, который вышел из первого кристалла, не безразлично, в каком положении будет второй кристалл. Луч света, оказывается, как-то «подготовлен» к прохождению через второй кристалл. Все это довольно странно.

При вращении нижнего кристалла для лучей света, казалось бы, ничего не изменилось — ведь оба кристалла однородны, одинаковой толщины, и при вращении меняется только взаимное расположение их кристаллографических граней.

Если же вращать оба кристалла вместе, не меняя их взаимного расположения, интенсивность каждого из четырех лучей на выходе строго постоянна и не зависит от вращения.

Это сразу указывает, что весь эффект скрыт в свойствах световых лучей, вышедших из первого кристалла. Чем-то такой свет отличается от обычного. Но чем?

Этот эффект, назовем его пока условно «эффектом Гюйгенса», оставался необъясненным более ста лет.

И это не удивительно. Если принять, что свет — продольные колебания эфира и сам эфир изотропен, невозможно понять, чем могут отличаться друг от друга два луча белого света равной интенсивности.

Но стоит предположить, что свет — это поперечные колебания, как появляется еще одна характеристика — направление колебаний частиц эфира.

Если колебания поперечны, то в цилиндрике, который «вырезается» из эфира световым лучом, выделяется одно из плоских сечений. Это плоскость, в которой колеблются частицы эфира.

Как объяснить тогда, что в обычном световом луче мы не наблюдаем такой выделенной плоскости?

Ну, это сравнительно просто. Вспомним, например, что белый свет — это смесь световых волн различной длины, смесь различных цветов (Ньютон!). Может быть, в обычном луче, кроме того, равномерно смешаны световые колебания, происходящие в различных плоскостях. А тогда, естественно, выделенное направление отсутствует.

Кристалл же исландского шпата, возможно, как-то сортирует лучи. И у двух лучей, вышедших из первого кристалла, направления плоскости колебаний различны.

Правда, такая гипотеза пока не кажется очень убедительной. Тем более что при изучении исландского шпата мы наблюдаем довольно сложную картину (4 луча!). Проще проделать аналогичный опыт с кристаллом турмалина.

Возьмем определенным образом вырезанную пластинку турмалина, направим перпендикулярно к ее поверхности луч света. Пройдя сквозь пластинку, он не преломится[35]Турмалин тоже двояко преломляющий кристалл, но один из лучей в нем полностью поглощается.
.

Не изменится и его интенсивность, если вокруг оси луча вращать пластинку.

Но усложним опыт. Будем пропускать свет последовательно через две пластинки.

Если вторую пластинку вращать относительно первой вокруг оси светового луча, то увидим, как при каком-то взаимном расположении пластинок интенсивность света на выходе достигнет максимума, а потом постепенно уменьшится до нуля. Свет не проходит! При дальнейшем вращении турмалина интенсивность снова растет.

Значит, луч света, проходящий через две пластинки, очень чутко реагирует на взаимное положение пластинок. Допустив, что колебания эфира продольны, невозможно понять, как вращение пластинок может влиять на луч.

Следовательно, приходится, по-видимому, признать, что колебания эфира в световой волне поперечны. А луч, выходящий из кристалла турмалина, поляризован. Кстати, давно пора сказать, что такое поляризованная волна.

Поперечная волна называется плоскополяризованной, если колебания частиц той среды, в которой она распространяется, происходят все время в одной плоскости.

Итак, из кристаллов исландского шпата и турмалина свет выходит плоскополяризованным (по-видимому!).

Стоило ли так подробно останавливаться на этих опытах, усложняя при этом рассказ упоминанием об опытах Гюйгенса с исландским шпатом? Ведь с турмалином поперечность колебаний устанавливается значительно проще.

Пожалуй, все-таки стоило. Очень часто приходится слышать, что в XVII веке ученым работать было легче. Достаточно было проделать элементарный опыт или «угадать» тривиальный вывод — и новый шаг в науке сделан. Поэтому, мне кажется, полезно чуть-чуть серьезнее проанализировать «элементарные» выводы Галилея, Ньютона, Гюйгенса.

У нас, конечно, нет возможности по-настоящему разобрать хоть одну из задач прошлого, но хочется дать хоть какое-нибудь представление о том, какими удивительными и необъяснимыми предстают всегда новые эффекты независимо от того, в каком веке их наблюдают.

Если говорить строго, то даже опыт с турмалином не позволяет заключить, что в световой волне имеются только поперечные колебания эфира. Пока не было приведено ни одного факта, утверждающего отсутствие продольных колебаний.

Более того, можно, например, выдвинуть гипотезу, что частицы эфира — нечто вроде «световых магнитиков», причем расположены они совершенно беспорядочно. Можно думать, что в световом луче эти частицы испытывают продольные колебания. В обычном световом луче колеблются все беспорядочно направленные магнитики эфира. После прохождения через кристалл турмалина почему-то возбуждаются продольные колебания только в определенным образом ориентированных магнитиках эфира. Тогда, хотя колебания и продольны, появляется выделенное направление.

Конечно, легко сказать, что все это ерунда. Но сказать и обосновать — вещи разные.

А можно попробовать объяснить поляризацию света и с корпускулярной точки зрения. Для этого достаточно ввести гипотезу, что сами световые корпускулы аналогичны магнитикам, а кристалл просто приводит в порядок их расположение. Кстати, автор последней гипотезы не кто иной, как Ньютон. Именно он первый уловил исключительное значение опытов Гюйгенса, опытов, в которых, по его выражению, проявились «изначальные» свойства света.

Короче, не стоит удивляться, что гипотеза поперечности световых колебаний была принята физиками с таким трудом. Она казалась им очень неестественной. Признание поперечных колебаний в эфире означало отказ от модели газообразного эфира! Ведь в газах поперечные волны отсутствуют!

Следовательно, приходилось перестраиваться и представлять эфир каким-то аналогом твердых тел.

Но в этом случае уж совершенно непонятно, как в таком эфире небесные тела двигаются без трения! И это еще не все. Во всех твердых и жидких телах могут распространяться как поперечные, так и продольные волны. А Френель и Араго в начале XIX столетия проделали опыты[36]Конечно, мы снова отказываемся от разбора этих работ.
, объяснить которые можно было, только предположив, что продольные колебания в световых лучах совершенно отсутствуют. И это было уже совсем нехорошо!

В механике было доказано, что если на границу раздела двух упругих сред набегает даже строго поперечная волна, в отраженной и преломленной волнах должна иметься продольная составляющая. А в эфире никакой продольной волны не появляется! Отраженный свет состоит из строго поперечных колебаний!

Едва удалось найти удовлетворительную гипотезу, объясняющую этот факт, как физики оказались лицом к лицу перед совершенно удивительными открытиями.

Майкл Фарадей обнаружил, что плоскость поляризации света вращается под действием магнитного поля. Световые и электромагнитные явления оказались тесно связанными между собой. Эфир «световой» оказался по меньшей мере очень близким родичем эфиру «электрическому»!