В создании физической теории существенную роль играют фундаментальные идеи, а не формулы. Физические книги полны сложных математических формул. Но началом физической теории являются мысли и идеи, а не формулы.

А. Эйнштейн, Л. Инфельд. «Эволюция физики»

Сколько же все-таки цветов в радуге?

Вовсе не семь, как всегда говорят, и не девять, как утверждает название книги, а намного больше, потому что каждый цвет плавно переходит в соседний, образуя бесчисленное множество оттенков. Их глаз человека — необыкновенно чувствительный прибор — может различать в спектре более сотни.

Если же не говорить об оттенках, а лишь об основных цветах, то их действительно только семь: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Значит, название книги неправильное?

Нет, правильное. Потому что в радуге есть еще две полосы, окаймляющие ее сверху и снизу. Одна полоса лежит за фиолетовой, а другая — за красной границами видимого участка радуги. Их не может заметить глаз, так как он нечувствителен к ним, но они, несмотря на это, существуют и могут быть обнаружены различными способами. Та полоса, что находится за фиолетовой границей, обязана своим существованием ультрафиолетовым лучам, а та, что за красной, — инфракрасным.

Вот наличие-то этих полос в радуге и оправдывает название книги.

Наш глаз нечувствителен к таким лучам, он не видит их; и, находясь в закрытом помещении, освещенном либо инфракрасными, либо ультрафиолетовыми лучами, человек будет думать, что вокруг кромешная темнота. Однако это не так: свет в помещении есть, только необычный — черный свет. Черный потому лишь, что мы не видим его. Но, например, инфракрасные лучи можно почувствовать. Если их интенсивность будет достаточной, кожа ощутит тепло, ибо именно эти лучи переносят его, за что их часто называют тепловыми.

Могут возникнуть и действительно возникают вопросы: зачем считаться с ультрафиолетовыми, инфракрасными лучами, какое они в этом случае могут иметь значение и стоит ли вообще говорить о них?

Оказывается, стоит. Потому что наука и техника уже неплохо освоили их, и в будущем даже в повседневной жизни обойтись без них будет так же невозможно, как теперь невозможно жить без видимого света.

 

Кусок стекла

Уже десятки веков прошли с тех пор, как люди научились варить стекло и с помощью длинных трубок выдувать из расплавленной, чуть светящейся массы тонкостенные, разнообразные по форме, прозрачные сосуды.

Стекло не сразу научились делать хорошим: оно не было ни чистым, ни достаточно прозрачным, в нем часто встречались темные крупинки, пузырьки и другие изъяны. Время шло, и шаг за шагом люди постигали тайны производства стекла, его качество становилось все лучше и лучше, и, что не менее важно, стало возможным приготавливать довольно крупные куски, в которых почти не оказывалось дефектов.

Именно из таких кусков, чистых и однородных по составу, можно было изготавливать линзы. Первые линзы были созданы в начале средних веков. Предполагают, что их изобрели арабские врачи, которые в те времена уже достаточно хорошо знали строение глаза человека. Именно глаз и особенно одна из его важнейших частей — хрусталик — натолкнули на мысль отшлифовать из хорошего куска стекла подобие хрусталика — линзу.

Линзы сразу нашли применение, и, естественно, прежде всего их использовали люди с плохим зрением. Лишь немногие могли позволить себе покупку этих спасительных, но очень дорогих стекол. Однако их счастливые обладатели не могли пользоваться ими в полной мере — еще не была изобретена оправа для очков.

Ее изобрели лишь в 1350 году, по-видимому в Италии. Вот тогда-то и появились очки — первый оптический прибор.

Хотя в те далекие времена только немногие умели читать и писать и, казалось бы, не должны были особенно утруждать свои глаза, все же спрос на очки был очень велик. Появились новые ремесла: шлифовальщиков линз и оптиков, изготавливающих очки.

Конечно, о законах оптики, а тем более о природе и свойствах света тогда знали крайне мало. Это не значит, что их не пытались открыть и постигнуть. С самых давних времен ученые интересовались законами оптики.

Некоторые факты были известны ученым древней Греции. Евклид знал о законе отражения света, Аристотель изучал явление преломления света, а знаменитый астроном древности Птолемей даже измерял углы падения и преломления света. Греки применяли вогнутые зажигательные зеркала.

Изучали оптику и арабские ученые: примерно девятьсот лет назад появилось целое научное исследование по оптике Ибн-аль Хайтама; оно в течение почти четырехсот лет являлось самым полным и лучшим.

Законами света занимались и многие европейские ученые средневековья. Они исследовали действие линз, пытались объяснить явление радуги; им уже были известны опыты по преломлению лучей с помощью призм, изготовленных из шлифованного стекла.

Но тем не менее до подлинной науки в современном ее понимании еще было далеко.

И все же именно куску стекла, которому умелые руки шлифовальщика придавали прозрачность и нужную форму, суждено было вызвать к жизни эту науку — науку о свете, или оптику, как ее называют ученые.

Как ни странно на первый взгляд, но крупнейшие изобретения в оптике были сделаны еще в те годы, когда эта наука только зарождалась. Речь идет об изобретении телескопа и микроскопа. Первые телескопы и микроскопы были созданы в Голландии в самом начале 1600-х годов. К тому времени в этой стране появилось много оптических мастерских, в которых работали великолепные шлифовальщики стекла и гранильщики драгоценных камней. И вот, как рассказывает легенда, в одной из таких мастерских был изобретен телескоп. Но изобрел его не оптик, не какой-нибудь ученый, а ребенок, которому разрешили поиграть с линзами. Он случайно взял две линзы и посмотрел через одну в другую. Каково же было удивление и восхищение не только его, но и всех взрослых, когда, смотря через эти стекла, они неожиданно для себя увидели, что отдаленные предметы кажутся совсем близкими, словно до них всего лишь несколько шагов!

В самом деле, тогда должно было казаться совершенно удивительным, просто-напросто волшебством, то, что далекое можно, не двигаясь с места, буквально в мгновение ока приближать к себе.

Это открытие сразу получило всеобщее признание и широкое практическое применение — мореплавателям помогали созданные на этом принципе подзорные трубы. Но не меньше моряков заинтересовались новым оптическим прибором и использовали его ученые. Еще в 1609 году итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) изготовил и применил телескоп для наблюдения неба.

Вначале телескопы были очень несовершенными инструментами. Звезды и планеты, наблюдаемые через эти телескопы, казались окрашенными по краям радужными каемками, и, чем большим пытались делать увеличение телескопов, тем заметнее становилось это окрашивание. Мастера и ученые старались разгадать природу радужных каемок, многие даже считали, что все дело в стекле, но никто до великого английского ученого Исаака Ньютона, родившегося в 1642 году, так и не сумел найти ответа.

 

О простых опытах, которые объяснили очень сложные явления и даже радугу

«Свет»… Произнося это слово, большинство из нас представляет себе белый солнечный или тепло-золотистый свет электрической лампы. Но можно думать совсем и о другом свете. Возможно, шофер вспомнит кроваво-красный, предостерегающий, или зеленый, спокойный, «глаз» светофора, фотолюбитель — красный фонарь, при свете которого он часами просиживает перед ванночками с проявителем и закрепителем, другие, может быть, вспомнят яркие цветные рекламы из газосветных трубок или огни фейерверка. И все будут правы, потому что свет бывает не только белым, но и цветным.

Ученые знали об этом и раньше, еще задолго до Ньютона. Но никто до него даже и не предполагал, что лучи белого света, света нашего солнца, представляют, если можно так выразиться, смесь цветных лучей— красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового и всех промежуточных цветов. Более того, было известно, что призма, помещенная на пути солнечного света, отбрасывает яркую радужную полосу. Но никому не удавалось объяснить это явление.

Вот что писал по, этому поводу сам Ньютон:

«В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ней произвести опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие».

Любой из нас может наблюдать ярко окрашенную полосу, отбрасываемую призмой на белую стену или на кусок белой бумаги. Цвета в этой полосе столь красивы, ярки и чисты, что можно буквально часами глядеть на них и наслаждаться, различая новые и новые прекрасные оттенки. Такой опыт сделать очень легко: достаточно лишь иметь призму хотя бы из испорченного полевого бинокля. Можно даже не особенно затемнять комнату, правда, при этом чистота, насыщенность и количество различаемых цветов значительно уменьшатся.

Ньютон проводил опыт с солнечным светом не ради простого удовольствия. Главной его целью было выяснить, почему призма, поставленная на пути солнечных лучей, преобразует белый солнечный свет в спектр — цветовой ряд, полосу, в которой все цвета следуют один за другим в неизменном, всегда повторяющемся порядке.

Ему пришлось проделать огромную работу. И если учесть, что она проводилась почти триста лет назад с помощью всего лишь нескольких призм, линз и самых незамысловатых приспособлений, то кажутся совершенно поразительными выдумка и мастерство Ньютона-экспериментатора.

На основе проведенных опытов Ньютон открыл неизвестные ранее законы, которым подчиняется свет, и первым попытался научно объяснить его природу.

Встречая на своем пути две среды, отличающиеся друг от друга оптическими свойствами (например, воздух и стекло или воздух и воду), лучи света изменяют свое направление при переходе из одной в другую— преломляются. Это преломление тем больше, чем сильнее отличаются по своим свойствам среды, через которые проходит свет. Мы часто встречаемся с этим явлением в повседневной жизни. Достаточно лишь напомнить о ложке, опущенной в стакан с водой. Кажется, что она имеет резкий излом как раз на границе воды и воздуха.

О преломлении света было известно и до Ньютона. Но никто не знал, как преломляются лучи разного цвета.

Своим первым опытом (всего он провел 33 различных опыта, повторяя каждый по многу раз) Ньютон установил, что «лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости». А третий опыт позволил ему сделать следующее важное заключение: «Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости».

Вот выдержки из описания опыта, сделанного самим Ньютоном:

«Я поместил в очень темной комнате у круглого отверстия, около трети дюйма шириною, в ставне окна стеклянную призму, благодаря чему пучок солнечного света, входившего в это отверстие, мог преломляться вверх к противоположной стене комнаты и образовывал там цветное изображение солнца. Ось призмы (то есть линия, проходящая через середину призмы от одного конца к другому параллельно ребру преломляющего угла) была в этом и следующих опытах перпендикулярна к падающим лучам. Я вращал медленно призму вокруг этой оси и видел, что преломленный свет на стене или окрашенное изображение солнца сначала поднималось, затем начало опускаться. Между подъемом и спуском, когда изображение казалось остановившимся, я прекратил вращение призмы и закрепил ее в этом положении так, чтобы она не могла более двигаться…

Поместив призму в это положение, я заставил преломленный свет падать перпендикулярно на лист белой бумаги на противоположной стене комнаты и наблюдал фигуру и размеры солнечного изображения, образованного светом на бумаге.

Это изображение спектра РТ было окрашено красным в наименее преломленном конце Т, фиолетовым — в наиболее преломленном конце Р и желтым, зеленым, синим — в промежуточном пространстве».

Опыт Ньютона. Проходя через первую призму, солнечный свет преобразуется в спектр. Отверстие в экране, помещенном между призмами, пропускает лучи только одного цвета. Поэтому свет, проходя через вторую призму, уже не образует расходящегося пучка лучей.

В одном из дальнейших положений, сформулированных Ньютоном на основании своих опытов, говорится следующее:

«Белизна и все серые цвета между белым и черным могут быть составлены из цветов, и белый солнечный свет составлен из всех первичных цветов, смешанных в должной пропорции».

Иными словами, Ньютон доказал то, что теперь известно всякому: солнечный свет состоит из смеси различных чистых цветов. Не менее существенно и другое: однородный свет (то есть «одноцветный» или «монохроматический», как его называют оптики), проходя через призму или линзу, преломляется уже «правильно». Луч монохроматического света уже не расщепляется при преломлении, и потому изображение в монохроматических лучах будет всегда четким. Что же касается лучей белого света, то, проходя через преломляющие среды, они расщепляются. И именно этим объяснялось, почему в микроскопах, телескопах и других оптических инструментах получалось окрашенное изображение.

Ньютон прямо говорил об этом:

«Усовершенствованию телескопов препятствует различная преломляемость света».

И только спустя много лет ученые нашли способы устранения окрашивания изображений в оптических приборах, содержащих линзы.

За счет различной преломляемости лучей разного цвета возникает и радуга.

Еще задолго до Ньютона некоторые ученые правильно считали, что она возникает вследствие преломления света в каплях падающего дождя. Такого мнения придерживался, например, знаменитый французский ученый Рене Декарт, однако объяснить появление различных цветов он не смог. Первым, кто дал верный ответ, был Ньютон. И это не представляло для него особых трудностей. Ведь ключ к разгадке — знание законов преломления световых лучей разного цвета — был у него в руках.

Луч солнца, встречаясь с дождевой каплей, очень близкой по форме к шару, проникает в нее и преломляется. Так как вода оптически более плотная среда, чем воздух, луч, войдя в каплю, «прижимается» к перпендикуляру, восстановленному в точке падения. Дойдя до противоположной стороны капли, он выходит из нее, но не полностью — часть света отражается обратно и выходит из капли примерно с той же стороны, что вошла. При этом (в силу некоторых причин) наибольшее количество света выходит под углом в 138° (42°) к первоначальному направлению солнечных лучей. Именно этот свет и видит наблюдатель, если он находится в таком месте, куда свет приходит.

Почему же радуга имеет вид дуги, а не части диска?

Это объясняется тем, что в глаз наблюдателя попадает свет только от тех капель, направление на которые совпадает с обратным путем световых лучей, вышедших из капли, то есть соответствует углу в 42° по отношению к направлению лучей, идущих от солнца. Все точки пространства (в данном случае — это капли), которые видны наблюдателю под одним и тем же углом, должны лежать на окружности. Иными словами, геометрическое место точек, видимых под определенным углом, представляет собой окружность. Именно часть окружности, а не часть диска мы видим, наблюдая радугу.

Почему радуга цветная?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно лишь вспомнить законы, установленные Ньютоном: «Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости» и «лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости».

Поэтому указанные значения углов 138° и 42° верны только для какого-то одного цвета, для всех других цветов углы будут отличаться.

Правда, отличие не будет большим, потому что степени преломляемости для лучей разного цвета отличаются не так уж сильно. Но этого отличия достаточно, чтобы радуга стала разноцветной.

Часто можно наблюдать не одну, а сразу две радуги: одну над другой, причем верхняя, как правило, гораздо тусклее и шире нижней. Она получается в том случае, когда свет отражается внутри капли не один, а два раза и после этого выходит в воздух. Свет, вышедший из капли после двух отражений, слабее, так как и при втором отражении часть света не отразилась, а вышла из капли. Поэтому верхняя радуга слабее. Свет от нее приходит к глазу наблюдателя под углом в 129° (51°) к солнечным лучам. Средний угловой размер полной радуги составляет 102°, в то время как у нижней радуги этот размер равен 84°.

Путь лучей в дождевой капле. В нижней капле свет отражается только один раз и выходит обратно. В верхней капле свет, перед тем как выйти в воздух, отражается дважды.

Попробуйте проверить свою наблюдательность. Постарайтесь вспомнить, каков порядок цветов в нижней и верхней радугах, считая от нижней границы нижней радуги.

Не многие сумеют сделать это правильно. Цвета следуют в таком порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Далее идет полоса, в которой глаз не различает цветов, иногда она даже кажется более темной, чем остальная часть неба, на фоне которого видны радуги. За этой полосой начинается верхняя радуга; в ней порядок цветов обратный — от красного к фиолетовому.

Фиолетовый цвет радуги, особенно верхней, имеет розоватый оттенок и отличается от фиолетового, наблюдаемого в темной комнате от призмы. Это объясняется тем, что на него накладывается неразложенный, белый солнечный свет. От этого фиолетовый тон блекнет, приобретает красноватый оттенок.

Говорят, у англичан есть старинное поверье: если сумеешь дойти до подножия радуги, найдешь горшок с золотом. Но подобно тому как невозможно дойти до горизонта, нельзя дойти и до радуги. Есть и другая причина, по которой ни одному англичанину еще не удалось разбогатеть подобным образом, — радуга не имеет подножия. Она вовсе не дуга, а полная окружность.

Взаимное расположение наблюдателя, солнца и радуги.

Правда, находясь на земле, мы никогда не видим ее целиком — нижняя часть в лучшем случае (при восходе или заходе солнца) оказывается на 42° ниже горизонта. Но, если дождь идет из туч, поднявшихся на высоту 5–6 километров, можно с вершины горы высотой 2,5–3 километра, из кабины самолета или какого-нибудь другого летательного аппарата увидеть полную радужную окружность. Более того, так как центр радуги находится на линии «солнце — глаз наблюдателя», а солнце — за его спиной, то в благоприятном случае точно в центре радуги можно увидеть тень горы, самолета и… свою собственную.

Говорят были счастливцы, которым удавалось наблюдать столь великолепное зрелище.

Возможно, некоторые задумывались над тем, отчего в наших широтах радугу можно увидеть либо утром, либо к вечеру, то есть только на западном или восточном небосклоне? Ответ прост: чем выше поднимается солнце, тем ниже радуга уходит за горизонт или крыши домов и, наоборот, чем ниже солнце, тем выше и величественнее радуга.

Прежде чем перейти к следующему разделу, стоит сказать еще об одном интересном факте. Оказывается, яркость цветов в радуге зависит от величины дождевых капель. Если они крупные, 1–2 миллиметра в диаметре, то фиолетовая и зеленая полосы очень яркие, красная тоже хорошо заметна, но голубая видна слабо. Если капли меньшего размера, яркость красного цвета убывает. При диаметре капель 0,2–0,3 миллиметра он исчезает вовсе, хотя остальные цвета видны хорошо. При еще меньших каплях радуга расширяется и блекнет, и при совсем мелких капельках, порядка 0,05 миллиметра, она становится белой.

Однако, говоря о зависимости яркости цветов радуги от размера капель, мы забегаем вперед — при жизни Ньютона это явление не могло еще быть объяснено.

 

Вопросы и ответы

Наука не является и никогда не будет являться закрытой книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает новые и глубокие трудности.

А. Эйнштейн, Л. Инфельд. «Эволюция физики»

Если бы можно было все науки разъять на части и разложить по полкам, то полок нужно было только две. Над одной полкой повесили бы табличку-название, на которой был бы написан вопрос «Как?», а на другой — «Почему?».

Первая полка была бы огромной — на ней оказались бы все научные открытия, все факты, установленные и исследованные человечеством за все время его существования. Вторую полку не потребовалось бы делать столь же большой — на ней разместилось бы не так уж много томов, заполненных гипотезами и теориями, объясняющими известные на сегодняшний день факты. Если содержимое первой полки день ото дня пополняется, а старый багаж сохраняется, то на второй полке идет непрерывная смена, непрерывное обновление. Иными словами, в противоположность теориям только редкие факты стареют или меняются, а чаще всего и вовсе остаются неизменными, вечными, хотя, конечно, они могут уточняться.

Мы говорим: «Земля — шар». Это факт. Правда, теперь известно, что Земля несколько сжата с полюсов и не является идеальным шаром. Но смысл факта от этого не изменился, он только стал точнее. И этот факт останется неизменным, пока будет существовать Земля. Но, установив его и проверив опытным путем, ученые не считают дело законченным. Они ищут ответа на вопрос: «Почему Земля — шар?» И ответ на него независимо от содержания может считаться гипотезой. Гипотезы могут быть самыми различными. Часто верными, еще чаще неверными, а иногда и глупыми. Но выживают лишь немногие. Только те завоевывают признание, которые подтверждаются фактами и сами, в свою очередь, оказываются в состоянии объяснить не какое-либо одно явление вне связи с другими, а целую совокупность подчас самых различных на первый взгляд фактов и, более того, подсказать существование новых, еще не открытых явлений. Такие гипотезы уже переходят в разряд теорий. Чем больше фактов и явлений удается связать между собой и объяснить теорией, тем она глубже, вернее и долговечнее.

Теория объясняет факты, факты поверяют теорию.

Все, что до сих пор было здесь рассказано о свете, относилось к категории фактов, все отвечало на вопрос: «Как?» Только объясняя радугу, мы впервые спросили: «Почему?» И нашли ответ на этот вопрос, опираясь на некоторые факты, некоторые законы света, установленные Ньютоном.

Разумеется, самое главное «Почему?» в оптике относится не к радуге, а к самой природе света. Что есть свет, какова его природа, почему в одних условиях он ведет себя так, а в других иначе? Ибо, если бы нам удалось абсолютно точно узнать природу света, мы во всех случаях могли бы предсказывать результаты его действия. Поэтому оптика, или, в более общем смысле, физика, изучает и накапливает не только факты, связанные со светом, но на их основе стремится постигнуть и объяснить, что же такое свет.

Могут ли ученые найти совершенно исчерпывающий ответ на этот вопрос? И останется ли он неизменным на все времена так, как останется неизменным факт, говорящий, что Земля — шар?

Нет, создать абсолютную теорию невозможно ни теперь, ни когда-либо в будущем. Некоторые ученые-философы пытались создавать теории подобного рода, говорящие об истинах в «конечной инстанции». Они заблуждались.

Философские труды Маркса, Энгельса и Ленина показали бесплодность и глубокую ошибочность таких попыток. В самом деле, разве можно создать совершенно законченную теорию какого-либо раздела науки, не зная обо всех фактах и явлениях в этой области? Но в том-то и дело, что никогда не удастся узнать все до конца. Потому что, чем дальше развивается наука, чем больше мы узнаём, тем больше открывается перед нами новых, совершенно незнакомых областей, тем больше предстоит исследовать новых закономерностей.

Но если это так, не значит ли, что люди никогда не сумеют узнать о чем-либо сколько-нибудь достоверно и, следовательно, создать правильные теории? Конечно, ее значит.

В наше время имеется много проверенных жизнью, практикой теорий. Они правильно объясняют большинство известных нам явлений. Но тем не менее эти теории все время уточняются и дополняются по мере расширения наших знаний.

Все сказанное особенно хорошо видно на примере истории развития теорий света, о которых сейчас пойдет речь.

Две главнейшие теории, совершенно по-разному объясняющие природу света, возникли почти одновременно.

Автором первой был Ньютон.

По его воззрениям, свет представляет собой вещество. Но не какое-либо непрерывное, текущее, а состоящее из особых частиц — корпускул, как он их называл.

Такие корпускулы испускает всякое светящееся тело. Попадая в наш глаз, они вызывают ощущение света. Различие цветов Ньютон объяснял тем, что корпускулы неодинаковы: корпускулы желтого цвета должны отличаться от корпускул красного, и так далее. Короче говоря, корпускул различных категорий должно быть столько же, сколько имеется лучей различного цвета.

Теория Ньютона, часто называемая теорией истечения или корпускулярной теорией, очень хорошо объясняла большинство известных в то время свойств света.

Так, отражение света от зеркальной поверхности можно очень хорошо объяснить, представив себе корпускулу упругим крохотным шариком, который, подобно мячу, ударившемуся о стену, отскакивает, изменяя направление по закону соударения упругого тела с плоскостью. Теория истечения также просто и понятно объяснила, почему свет может распространяться в вакууме. В самом деле, никто и ничто не мешает потоку световых частиц — корпускул — двигаться в пустоте. На основании этой же теории удавалось объяснять, хотя и более сложным путем, явление преломления света — рефракцию — и многие другие факты.

И все же Ньютон не считал предложенную им теорию окончательной. Он указывал, что его мнение является лишь гипотезой, «имеющей целью только пояснение».

«Я сам, — писал он, — не буду принимать ни этой, ни другой гипотезы… Однако, излагая гипотезу, во избежание многословия и для более удобного представления ее, я буду иногда говорить о ней так, как будто бы я ее принял и верю в нее».

Возможно, он считал, что ученые знают еще слишком мало, для того чтобы уточнить достоверность корпускулярной теории. Возможно, что эти слова были сказаны лишь с целью оградить себя от излишних споров со своими учеными противниками. В этом предположении, вероятно, кроется доля истины — Ньютон никогда прямо не признавал другой гипотезы, предложенной его младшим современником, голландским физиком, Христианом Гюйгенсом (1629–1695).

 

На каком языке говорит наука

Однако, прежде чем заняться теорией Гюйгенса, придется отвлечься на некоторое время, для того чтобы поговорить о языке науки и его понимании.

Это очень интересная и чрезвычайно сложная тема. Ею, должно быть, занимаются многие ученые: философы, филологи, физики, химики, биологи и многие другие. Исследование языка, которым пользуется наука, крайне важно по многим причинам. Но важнейшей из них является та, что вследствие большой сложности научного языка и так как у каждой научной области своя собственная терминология, нередко случается, что ученые, говорящие об одном и том же, но каждый по-своему, не могут понять друг друга и это тормозит развитие науки.

До сравнительно недавних пор с таким положением можно было еще мириться. Но в последние десятилетия, когда множество важнейших открытий были сделаны на стыке не связанных до того областей знания, проблема терминологии, проблема научного языка приобрела первостепенное значение. И поэтому при академиях наук, при научных обществах разных стран созданы специальные комитеты, задача которых — выработать правильную и, что очень важно, единую для многих отраслей знания терминологию.

Писатель В. Г. Короленко в знаменитой «Истории моего современника» вспоминал, как однажды его отец сказал, что выдумать новое слово невозможно. Это показалось удивительным и неправдоподобным брату будущего писателя, и, желая доказать противное, он произнес какой-то набор звуков. Но потом он понял, что в придуманном слове не было главного — смысла.

Действительно, придумать новое слово просто так, ради прихоти, невозможно. Что же делать ученым, которые непрерывно открывают новое? Надо же это новое как-то назвать. И приходится придумывать новые слова. И в этом случае изобрести слово крайне сложно, и мы немного сумели бы насчитать оригинальных слов, предложенных учеными.

Почти всегда они поступают иначе: они стараются выбирать уже существующие слова, в какой-то мере близкие по смыслу, и окрещивают ими новое явление. Есть несколько путей для такого подбора. Но наиболее распространены два. Первый — пользоваться словами из мертвых языков, чаще всего древнегреческого и латинского, второй — черпать из сокровищницы родного языка. Трудно сказать, какой из путей стоит предпочесть. Ученые в равной мере часто выбирают и тот и другой. Но все же у первого есть одно преимущество. Мертвый язык мертв потому, что ни один народ не говорит на нем и большинство (включая и ученых) вовсе не знакомо с ним. Поэтому слово, взятое из такого языка, оставаясь благозвучным и красивым (ведь его создавали многие-многие поколения), практически не обременено прежним содержанием. Оно всего лишь прекрасная форма, которую можно заполнить новым содержанием, лишь отдаленно схожим или вовсе не схожим с тем, которое когда-то было в нем.

Возьмем к примеру красивое, звучное слово «электрон». Что означает оно в нашем представлении? Мельчайшую частицу вещества, входящую в состав атома. Так понимаем это слово мы.

Во времена Гомера «электрон» означал совсем другое — прозрачный желтый камень, который временами выбрасывают на морской берег волны, — янтарь.

Но Гомера нет, нет и того народа, который мы зовем эллинами. От тех далеких времен нам в наследство остались величайшие произведения искусства и литературы да язык. Первыми использовали его ученые. И они правильно поступили, воспользовавшись этим великолепным кладом.

Слово, взятое из мертвого языка, никого не может ввести в заблуждение своим прежним содержанием, и именно поэтому его хорошо применять в науке, где оно принимает новое и совершенно недвусмысленное значение. Это удобно еще и потому, что слово это становится интернациональным — на всех языках его произносят и понимают одинаково.

Второй путь не всегда столь удобен именно потому, что слово живое, что им в его обиходном значении на определенном языке пользуются все, а при переводе не всегда возможно найти слово, которое имело бы абсолютно такой же смысл. Вот тогда и получается, что слова могут иметь различный смысл, то есть становятся двусмысленными: в обиходе— одно значение, а в науке — совсем другое. Тут-то и может возникнуть путаница.

Надо быть осмотрительным в истолковании даже самых простых и широко распространенных слов, если они используются в науке. Об этом рекомендуется помнить при чтении любых книг, посвященных вопросам науки и техники; с этим еще не раз придется встретиться и на страницах этой книги.

Как пример можно привести простое и всем нам знакомое слово «волна».

 

Слово из словаря

Прежде всего узнаем, что буквально означает слово «волна». Вернее, что означало оно в те времена, когда наука еще не занимала в жизни людей столь важного места, как сейчас. Сделать это нетрудно. Стоит лишь раскрыть «Толковый словарь живого великорусского языка» Владимира Даля, изданный впервые примерно сто лет назад.

«Волна, — говорится там, — водяной гребень, гряда, долгий бугор, поднявшийся при всколыхании вод ветром или иною силою».

Но понял ли Даль, этот великий русский знаток языка, такую фразу: «Говорит Москва! Работают радиостанции на волнах 1700, 350 и 4,52 метра»? Нет, не понял бы. Потому что в данном случае это слово используется в совершенно ином смысле — в том, который вложили в него физики.

Хотя, надо сказать, они не случайно выбрали именно его.

Первым видом волнового движения, которое пришлось наблюдать и исследовать ученым, было движение волн на поверхности воды — таких, которые возникают и разбегаются по ее спокойной глади от брошенного камня или от плеснувшей рыбы. Хотя волны на поверхности воды были первыми, которые наблюдали ученые, по мере изучения всех прочих видов волн оказалось, что эти волны обладают целым рядом особенностей. Но все же с примера поверхностных волн, который приводится почти во всех учебниках по оптике, легче всего начать разговор о других видах волн.

Такие волны расходятся кругами. Скорость их движения постоянна и одинакова для всех идущих друг за другом гребней; каждый последующий отстает от предыдущего на одинаковое расстояние. Расстояние между двумя соседними гребнями (или между впадинами) называется длиной волны, хотя, может, было бы лучше, если бы его, по аналогии с винтовой резьбой, назвали шагом волны. Заметьте, что и слово «длина» здесь употребляется в не совсем привычном нам смысле; обычно она измеряется вдоль чего-то, а в данном случае — поперек.

Если на пути волн окажется любой легкий предмет — поплавок или щепка, — они не поплывут вслед за волнами, а останутся на прежнем месте.

Но это не значит, что предметы вообще будут неподвижными. Они приподнимутся на гребне, опустятся во впадину, снова поднимутся и снова опустятся. Значит, волна все-таки заставляет их двигаться. Но это движение совсем не совпадает с направлением распространения волн — оно оказывается поперечным, перпендикулярным ему.

Но почему же тогда речное течение всегда сносит любые плавучие тела? Не противоречит ли это тому, что было сказано о волнах? Нисколько. Из этого можно сделать лишь один вывод: волны и течение — явления совершенно различные. В реке нас сносит течением воды, то есть движением всей массы воды, направленным в одну сторону. Когда же по воде идет волна, то каждая капля воды, каждая молекула не следует за ней. Они остаются на месте и только опускаются и поднимаются, подобно поплавку, совершая поперечные колебания.

Однако, наблюдая волны, мы определенно видим движение. Что же в таком случае движется?

Ответ, к сожалению, совсем не простой и довольно неожиданный. Пожалуй, сперва его следует лишь запомнить, как запоминают новый, непривычный факт, привыкнуть к нему, не особенно вдаваясь в объяснения.

Обычно, говоря о движении, мы обязательно представляем себе нечто перемещающееся: едущий автомобиль, летящий самолет, плывущий корабль, катящийся шар, идущего человека и так далее. Вся наша повседневная жизнь, весь опыт приучают нас именно к такому пониманию этого слова. Без привычки мы не можем понять и, тем более, представить себе такую форму движения, которая не сопровождалась бы соответствующим перемещением какого-либо тела.

Но распространение волны как раз и является таким движением, которое отличается от привычных и понятных нам видов.

При распространении волны в воде (или в других средах) следует различать два вида движений. Так, наблюдая волны на поверхности воды, мы видим гребни и впадины, расходящиеся кругами. Это движутся волны. Они распространяются от источника колебаний во все стороны с равной скоростью. Движение волны совсем не похоже на связанное с ним движение частиц воды. Последние тоже движутся, но лишь вверх и вниз. Каждая частица, каждая молекула колеблется относительно того положения, в котором она находилась до возникновения волн, а не перемещается совместно с волной. Именно поэтому поплавок остается на месте и совершает только колебательные движения, поднимаясь и опускаясь на волнах. Таким образом, наблюдаемое движение волн не является переносом, перемещением каких-либо тел из одной точки пространства в другую. Перемещается только состояние среды. То движение, которое мы наблюдаем как непрерывное расширение кругов на воде, есть всего лишь колебание молекул, ее составляющих, передающееся от одной к другой в том направлении, в котором мы видим движение волн.

Камень, брошенный в воду, действует на те молекулы, которые находились в месте его падения; он придает им некоторую скорость, сообщает некоторую энергию. Между молекулами воды существует довольно сильное сцепление. Поэтому молекулы, сдвинутые упавшим камнем, потянут за собой соседние; те, в свою очередь, снова передадут смещение, и таким образом смещение будет распространяться все дальше и дальше.

То есть по направлению распространения волн движется не что иное, как смещение, движется энергия. Скорость передачи этой энергии, иными словами — скорость распространения волны в воде (или в какой-нибудь другой среде), зависит от целого ряда факторов и, в частности, от свойств среды, в которой распространяются волны.

Возьмем обычный звонок, снимем с него звонкую металлическую чашечку, по которой стучит боёк, и установим его так, чтобы боёк касался воды. Когда мы включим ток, боёк начнет вибрировать. Его колебания передадутся молекулам воды, и по ней кругами пойдут волны. Мы уже отмечали, что скорость движения волн неизменна и одинакова для всех идущих друг за другом гребней; каждый последующий отстает от предыдущего на неизменное и одинаковое расстояние, равное длине волны.

Предположим, что в начале боёк звонка делал пять колебаний в секунду. Затем, изменив натяжение возвратной пружины, значительно увеличим частоту колебаний бойка. Волны появятся и в этом случае. Но мы увидим, что их как бы стало больше, они стали чаще. Если бы мы сумели измерить длину волны, то увидели бы, что она во втором случае укоротилась.

Из этого опыта мы можем вывести очень важное заключение: длина волны тем меньше, чем выше частота колебаний.

Математически связь между длиной волны, частотой колебаний и скоростью распространения очень проста. Вот она: Длина волны = скорость распространения/частота колебаний источника волн, или λ = v/f, где λ — это длина волны; f — частота колебаний, то есть количество колебаний в секунду, совершаемых источником волн; v — скорость распространения волны.

До сих пор все опыты и рассуждения касались только волн, видимых на поверхности воды. Теперь посмотрим, какую форму будут иметь волны, если источник колебаний поместить глубоко под водой.

Для этого следует провести наш опыт со звонком уже не в ванне или на пруду, а в море, вдали от берегов, опустив звонок на глубину хотя бы в несколько десятков метров. В этом случае распространению волн не смогут мешать и препятствовать ни борта ванны, ни дно, ни берега. После того как звонок будет включен, в толще воды возникнут волны. Они будут распространяться от звонка во все стороны, подобно тому как распространяется свет от солнца. И, поскольку скорость во всех направлениях будет одинакова, все молекулы, имеющие одинаковое смещение, в каждый момент времени будут находиться на одинаковом расстоянии от звонка, окружая его со всех сторон. Иными словами, все эти молекулы в каждый момент времени образуют шаровую поверхность. Радиус этой поверхности непрерывно увеличивается, причем скорость его увеличения равна скорости распространения волн. Но так как колебания повторяются вновь и вновь, такой же самый сдвиг молекул будет повторяться опять в том же самом месте, каждый раз, когда к нему будут приходить следующие волны, волны от следующих колебаний.

Шаровые (сферические) волны в толще воды (изображены в разрезе).

Волны, о которых говорилось до сих пор, все-таки походили на настоящие. Но физики знают и другие виды волн. Распространение звука в воздухе — это тоже волновой процесс. Радиосвязь осуществляется посредством радиоволн, электромагнитных волн. Об их длинах и сообщает нам диктор, начиная передачу.

Радиоволны уж совсем непохожи на «водяные гребни», на «долгие бугры». Более того, они способны распространяться в пустоте. И в этом случае они могут распространяться даже дальше, чем в любой другой среде.

Не так давно этот факт казался непостижимым даже самим физикам. Они не могли представить себе, каким образом волна может распространяться в пустоте. Ведь всегда считалось (и математика подтверждала это), что волна — это процесс передачи от частицы к частице, которые обязательно должны быть связаны между собой какой-либо силой взаимодействия.

В понимании ученых прошлого волны могли распространяться лишь в какой-либо среде. Существование их в пустоте было равносильно «ничему», распространяющемуся в «ничем». Они еще слишком мало знали, чтобы объяснить подобный парадокс, и, естественно, не могли принять такую точку зрения.

Но, поскольку волны подобного рода им приходилось наблюдать в действительности, они вынуждены были как-то объяснять это явление.

Для этого физикам пришлось отказаться от понятия абсолютной пустоты. Они вынуждены были предположить, что всюду и везде присутствует некая таинственная и вездесущая субстанция, некий тончайший газ «эфир», обладающий целым рядом необычайных свойств. В те времена ученые, знавшие еще слишком мало, вообще склонны были объяснять самые различные физические явления наличием разных неуловимых субстанций.

Гипотезу о существовании эфира впервые предложил Гюйгенс. Гипотеза эта понадобилась ему для объяснения свойств другой физической реальности — света. Потому что, в отличие от Ньютона, Гюйгенс считал, что свет имеет волновую природу.

 

Вольный сын эфира

Возможно, к мысли о том, что свет имеет волновую природу, Гюйгенс пришел благодаря одному очень важному обстоятельству, о котором Ньютон, приступая к созданию своей теории света, еще не мог знать.

Это обстоятельство — огромная, непостижимая скорость распространения света. Скорость, «превосходящая мечтания человеческие», как говорил Ломоносов.

Скорость звука в воздухе равна примерно 340 метрам в секунду. Всего лишь двадцать лет назад только пули и артиллерийские снаряды могли перемещаться быстрее. Мировой рекорд скорости, установленный до войны на итальянском гидроплане «Маки-Кастольди», был равен 210 метрам в секунду. Преодолеть звуковой барьер удалось на турбореактивных самолетах; теперь их скорость уже перевалила за 2 маха, то есть более чем в два раза выше звуковой. Это огромная скорость.

Но в наши дни и этот предел остался далеко позади. Есть теперь такие летательные аппараты, которые преодолели более высокие барьеры: первую и вторую космические скорости (примерно 8000 и 11 200 метров в секунду). Это ракеты. Но и эти величины ничто в сравнении со скоростью света, которая равна 299 780 километрам в секунду.

Правда, за последние десятилетия с помощью ускорителей научились разгонять элементарные частицы вещества до скоростей, почти равных этой скорости. Встречаются частицы с такими скоростями и в природе.

Но во времена Гюйгенса об этом не было известно, и даже мушкетные пули очень заметно отставали от звука выстрела. И нет ничего удивительного в том, что Гюйгенс не мог себе представить, что какое-либо материальное тело, даже мельчайшая ньютоновская корпускула, может нестись со скоростью, почти в миллион раз превышающей скорость распространения звуковых волн. Гораздо проще и естественнее, казалось ему, считать, что с такой скоростью движутся волны, а не частицы.

Но если частицам ничто не мешает распространяться в пустоте, то для волны, по воззрениям Гюйгенса, пустота представляла непреодолимое препятствие. Тогда-то он и предложил свою гипотезу о существовании эфира.

Свои мысли Гюйгенс изложил в книге под названием «Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что происходит со светом при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла».

Возможно, что непосредственным толчком к написанию этого трактата послужило открытие, сделанное в 1675 году датским астрономом Оле Ремером (1644–1710). Наблюдая затмения спутников Юпитера, он установил, что время их возникновения не всегда одно и то же, а зависит от расстояния между Юпитером и Землей. Этот факт он объяснил тем, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой скоростью. И на основании такого предположения впервые в истории определил скорость света.

Об этой скорости и о других удивлявших его фактах Гюйгенс писал:

«…тем самым мы допускаем существование странной скорости, которая была бы в 1 000 000 раз больше скорости звука. Ибо звук, по моим наблюдениям, делает примерно 180 туаз за время 1 секунду или одного удара артерии…

…Если принять во внимание чрезвычайную быстроту, с которой распространяется свет во все стороны, а также то, что, когда он приходит из различных и даже совершенно противоположных мест, лучи его проходят один через другой, не мешая друг другу, то станет совершенно понятно, что, когда мы видим светящийся предмет, это не сможет происходить вследствие переноса материи, которая доходила бы до нас наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух. Это слишком противоречит указанным двум свойствам света».

Для Гюйгенса эти противоречия были решающими и привели его к сомнениям в правильности корпускулярной теории. Однако для создания новой гипотезы одних сомнений еще недостаточно. Необходимы и новые понятия и представления, с помощью которых удавалось бы так же хорошо или более обоснованно объяснить природу света. Во времена Гюйгенса ученые хотя не полностью, но уже достаточно ясно представляли себе процессы распространения волн в воздухе и в воде. И это знание позволило Гюйгенсу утверждать, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу.

В какой же среде, по мнению Гюйгенса, могли распространяться световые волны? В воде? Да, свет проходит и через воду. Но ведь в воздухе он распространяется еще лучше. Тогда, значит, в воздухе? Нет, и воздушная среда оказалась ненужной для распространения света. Гюйгенс помещал под стеклянный колпак звучащее тело и с помощью вакуумного насоса, изобретенного английским физиком Бойлем, откачивал воздух. Звук уже не распространялся под колпаком, и это доказывало, что он распространяется в воздухе. Однако, сколько бы ни продолжалась откачка воздуха, никаких изменений в прохождении света через сосуд не наблюдалось. Гюйгенс не мог себе представить, что световые волны способны распространяться в пустоте, — ведь в ту пору все то, что было известно ученым о волновых процессах, утверждало, что волны могут существовать только в какой-либо среде. Но что это за среда, каковы ее свойства? На эти вопросы не было ответа.

«Я называю ее эфирной», — писал Гюйгенс.

Но как обнаружить ее, как выделить, если это возможно, он не знал.

Правда, он указывал, каким, по его мнению, должен быть эфир, для того чтобы в нем оказалось возможным распространение световых волн.

«…частицы эфира, несмотря на их малость, можно себе представить состоящими еще из других частей… упругость их заключается в очень быстром движении тонкой материи, которая проходит сквозь них со всех сторон…»

Итак, по мнению Гюйгенса, свет есть волна, распространяющаяся в эфире; свет и эфир нераздельны. Но что представлял собой сам эфир, это было непонятно даже самому Гюйгенсу.

 

За и против

Итак, мы ознакомились с двумя гипотезами, в которых сделана попытка объяснить природу света. Обе они родились почти одновременно и на основе одних и тех же фактов, с той лишь разницей, что Гюйгенсу, когда он создавал свой «Трактат», скорость света была уже известна довольно точно. Но не следует забывать, что Ньютон, узнав об открытии Рёмера, не изменил своей гипотезы, считая, что она не противоречит этому новому факту.

Чем же можно объяснить почти одновременное возникновение двух гипотез, столь различно толкующих природу одного и того же явления?

Только тем, что та и другая оказались в состоянии логически объединить и объяснить большинство фактов, известных в то время науке. Большинство, но не все. Именно наличием слабых сторон в каждой из гипотез можно объяснить их почти одновременное возникновение и сосуществование. Правда, не совсем мирное — спор между их сторонниками длился много лет.

Мы расскажем о некоторых аргументах, которые приводили ученые в этом споре.

Поскольку первой была создана корпускулярная гипотеза, начнем с тех аргументов, которые выдвигались против волновой гипотезы и главным образом ее основной предпосылки — утверждения о существовании эфира.

Ни сам Ньютон, ни его последователи не могли себе представить этой материи, заполнившей всю Вселенную, проникающей сквозь все тела, остающейся под стеклянным колпаком даже после того, как оттуда выкачают воздух. Кроме того, они не могли согласиться с существованием во Вселенной идеально упругого вещества, «приближающегося к совершенной твердости», которое в то же время не препятствует движениям небесных тел, нисколько не тормозя и не замедляя их.

Отрицание эфира было главным, хотя и не прямым аргументом против волновой гипотезы. В самом деле, если эфира не существует, то, значит, межпланетное пространство представляет собой пустоту и, следовательно, свет от звезд передается не посредством волн, а представляет собой частицы, корпускулы, для которых пустота не является преградой.

Не оставались в долгу и последователи волновой гипотезы. В пользу ее они приводили факт, установленный самим же Ньютоном в одном из его знаменитых опытов.

Если линзу положить на кусок хорошо отполированного стекла и направить на нее лучи белого света, можно заметить радужные кольца — кольца Ньютона. Если свет будет только какого-либо одного цвета, появятся чередующиеся темные и светлые кольца. Чтобы размер колец был достаточным, выпуклость линзы должна быть очень малой.

Это был довольно простой опыт. Для его проведения Ньютон брал две длиннофокусные линзы, изготовленные им для телескопов: одну плоско-выпуклую с фокусным расстоянием примерно 5,2 метра, другую — двояковыпуклую, с едва заметной кривизной поверхности, почти плоскую, так как она имела фокусное расстояние, равное почти 15 метрам. При наложении первого стекла плоской стороной вниз на второе Ньютон наблюдал необычное явление. В стекле появились яркие радужные кольца. Теперь их называют кольцами Ньютона. Подобные кольца, но только какого-либо одного цвета, наблюдались и в тех случаях, когда освещение было однородным, монохроматическим, например — красным.

При освещении белым солнечным светом цвета в кольцах чередовались в определенном порядке: за прозрачным центральным пятном, появлявшимся в точке соприкосновения линз, следовали синее, белое, желтое и красное кольца. Следующие окружности, непосредственно охватывавшие предыдущие, в порядке следования были: фиолетовая, синяя, зеленая, желтая, красная. Ньютон установил, что эти радужные кольца порождаются не самыми линзами, а зависят от расстояния между поверхностями стекол, обращенными друг к другу.

Подобные опыты он проделал и с другими видами шлифованных стекол — с призмами. В этом случае тоже появлялись радужные полосы, зависящие от расстояния между соприкасающимися поверхностями. Не менее интересные и красивые опыты провел он с тончайшими слюдяными пластинками и мыльными пузырями, пытаясь найти причину их яркой окраски, которая, как он установил, зависит от толщины пленки мыльного пузыря или от толщины пластинки.

Измеряя диаметры колец в опыте с линзами, Ньютон выяснил, что диаметры связаны между собой определенной периодической закономерностью, и, естественно, попытался дать ее теоретическое обоснование. Но, надо сказать, оно не было убедительным. Это чувствовал и сам ученый, который, быть может, сам того не замечая, допускал явную непоследовательность, явное отступление от собственной гипотезы. Так, в своих трудах он даже делал предположение, что корпускулы благодаря их притягательным или каким-то другим силам возбуждают колебания в той среде, на которую они воздействуют. То есть вольно или невольно он хотя бы частично вставал на точку зрения волновой теории.

Что же касается волновой гипотезы, то она позволяет совершенно точно объяснить причину появления колец, яркой окраски мыльных пузырей, тончайших слюдяных пластинок и даже расцветку некоторых бабочек, так как различие цветов, согласно этой гипотезе, объясняется различием длин волн, соответствующих каждому цвету. Кстати, только эта гипотеза в состоянии объяснить почему яркость цветов радуги зависит от размера дождевых капель.

Ньютон и его сторонники, возражая против волновой гипотезы, приводили в свою пользу еще один аргумент. Пожалуй, это был самый важный, самый существенный из всех. Доказывая неправильность волновой гипотезы, они говорили, что если бы свет распространялся с помощью волн, то лучи света должны были бы огибать встречающиеся на их пути препятствия. Иными словами, лучи света не были бы прямолинейными и четкие тени должны были отсутствовать.

Волновая тень за бортом корабля. Она становится заметной, только когда размеры препятствия, например корабля, гораздо больше, чем длина волны; поэтому такую тень трудно было обнаружить.

Действительно, звуковые волны и волны на воде огибают препятствия. Доказательством тому служило, что колокол или пушку можно слышать, даже если они скрыты от наблюдателя зданиями или холмами. Относительно же света ничего подобного не было известно. Наоборот, опыт показывал, что тени, отбрасываемые лучами солнца, свечи, фонаря и любого другого источника света, всегда очень четкие. Этот опыт нашел свое отражение в гипотезе Ньютона. Одно из важнейших утверждений этой гипотезы как раз и заключается в том, что лучи света распространяются строго прямолинейно и не могут огибать препятствий.

Таким образом, доказательство или опровержение утверждения о прямолинейном распространении света при встрече его с препятствием, по существу, являлось главным доказательством или опровержением гипотезы Ньютона. Но в те времена факт прямолинейного распространения света казался всем совершенно очевидным.

И лишь один человек, умерший еще до возникновения обеих гипотез, сомневался в этом. Это был Франческо Гримальди (1618–1663).

 

О поисках и снова о звонках

В книгах об ученых нередко рассказываются истории о совершенно неожиданных открытиях, о внезапных научных находках. Традиции подобных описаний уходят своими корнями в седую древность. Достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед открыл свой знаменитый закон. Не менее знаменит случай с яблоком, позволивший Ньютону открыть закон всемирного тяготения.

Однако, рассказывая о яблоке, часто забывают добавить одну немаловажную деталь. Как-то Ньютона спросили, почему столь ничтожный факт позволил ему открыть один из самых важных законов природы.

«Потому, — ответил он, — что я все время думал об этом».

Знаменитый немецкий поэт и мыслитель Иоганн Вольфганг Гёте, очень серьезно занимавшийся изучением явлений света (он даже повторил все опыты Ньютона), так писал об одном из них: «…исследователь пытал природу, вымогая у нее признание в том, в чем сам уже заранее был уверен».

Можно ли найти то, чего не ищешь? Можно, конечно. Но лишь случайно. И ценность такой находки в подавляющем большинстве случаев равна ценности камешка, подобранного на булыжной мостовой.

Люди всегда ищут то, что хотят найти. Иногда они совершенно точно представляют себе искомое, ибо уже знакомы с ним по предыдущему опыту; иногда — то, что им вовсе не встречалось, но крайне необходимо. В этом случае они не знают точно, как должно выглядеть, каким должно быть то, что разыскивается, но и тогда им известны свойства, а следовательно, хотя бы малая часть признаков искомого.

Ученым всегда приходится искать неизвестное. Значит ли это, что, приступая к своему нелегкому, но увлекательному делу, они не имеют никакого представления о конечной цели? Нет, кое-что они знают заранее. И это «кое-что», подсказанное принятой гипотезой или теорией, позволяет в конце концов найти искомое или, наоборот, доказать невозможность его существования. Последнее часто оказывается чрезвычайно важным и полезным.

Отправляясь по грибы, мы заранее представляем себе их форму; знаем, что собирать их следует не на песчаной речной отмели или в поле, а только в лесу. Это, если хотите, теория. Если бы мы не были знакомы с ней, то есть не знали бы ни того, как выглядят грибы, ни мест, где они растут, то не собрали бы ни одного, даже если бы перед нами поставили полную корзину белых и подосиновиков. Потому что мы не знали бы, что эти плотные, красивые, чуть прохладные на ощупь предметы, похожие на зонтики или забавных человечков в широкополых шляпах, и есть грибы.

Вот и другой случай. Мы пошли рвать орехи. Мы прекрасно знаем, что такое грибы, но не они являются нашей целью. Наши взоры направлены вверх, на ветви орешника, и мы усердно выискиваем среди зеленой листвы прикрепленные к зеленому ложу нежно-палевые скорлупки. И, конечно, мы смотрим под ноги только изредка, лишь для того, чтобы не споткнуться. Часто ли нам будут попадаться грибы? Ну, найдем один или два, а растопчем, быть может, десяток. И даже никогда не узнаем об этом.

Так и в науке. Наиболее плодотворны направленные поиски, когда цель намечена, когда примерно установлен способ поисков.

Бывают, конечно, исключения, когда, стремясь к одному, встречаются по дороге с другим, не менее важным. И все же ни один здравомыслящий исследователь не рассчитывает на случайное открытие. Это ведь то же, что найти изумруд среди булыжников. Но любой настоящий ученый учитывает и эту ничтожную возможность (и, быть может, даже мечтает о ней), и он готов к ней. И если, говоря фигурально, он ищет на ветвях, то никогда не забывает внимательно осмотреть и ствол и корни. И, бывает, находит. Тогда это награда за непрестанное внимание и любовь, с которыми ученый относится к самым мелким, самым незначительным на первый взгляд проявлениям природы.

Если же он хоть на миг ослабит свою бдительность, свое внимание и заинтересованность, он рискует не найти даже того, что ищет. И это — самое большое наказание.

Так были наказаны даже великий Ньютон и Гюйгенс. Ведь они знали, где и что искать, какие факты нужны для проверки их теорий. Более того, эти факты были уже открыты и опубликованы итальянским физиком Франческо Гримальди. Теперь уже нельзя узнать, почему оба ученых прошли мимо них — не заметили или приняли факт за домысел? Кто знает? Великие и даже величайшие ученые тоже люди и тоже могут ошибаться.

Смеркается. В комнате уже совсем темно, буквы в книге едва различимы, предметы теряют свои четкие контуры, сливаются с темнотой. Щелчок выключателя — и комнату заливает электрический свет. Еще щелчок — вспыхивает вторая лампа, становится светлее.

А почему, по какой причине две одинаковые лампы дают света больше, чем одна? Не странный ли вопрос?

С точки зрения потребительской — странный, но со стороны ученого — вполне законный.

Пользуясь освещением, мы не вдаемся в причины, а просто основываемся на опыте, идущем еще от пещерного человека, который знал, что одна горящая головня освещает его жилище слабее, чем две, и гораздо слабее, чем костер, сложенный из многих сучьев.

Для исследователя этого слишком мало. Включение различного количества ламп он может рассматривать как серьезный физический эксперимент. Естественно, что он пожелает количественно установить его результат. Он проведет большую работу, прежде чем придет к выводу, что свет от нескольких одинаковых источников суммируется по определенному закону.

С этим установленным фактом согласится и сторонник корпускулярной теории, и сторонник волновой.

Первый скажет следующее:

— Да, этот факт подтверждает гипотезу Ньютона. Он согласуется с ней. Потому что с увеличением числа источников света растет и количество корпускул, приходящихся на единицу поверхности освещаемых тел.

Второй скажет:

— Да, этот факт подтверждает волновую гипотезу. Он согласуется с ней. Потому что каждый новый источник света увеличивает степень возбуждения эфира, увеличивает размах (амплитуду) колебания его частиц.

Гримальди, о котором уже упоминалось, установил другой факт. Неожиданный, странный, противоречащий нашему повседневному опыту. Он определил, что в известных условиях свет, накладываясь на свет, не увеличивает общее действие, а, наоборот, ослабляет. Короче говоря, в некоторых особых случаях свет может порождать темноту.

Можно ли объяснить подобный, кажущийся парадоксом, факт, опираясь на корпускулярную теорию? Пожалуй, нет. Если только не предположить, что в таких случаях корпускулы, приходя от источников света, сталкиваются друг с другом, и в результате столкновения уничтожаются. Однако такое предположение не соответствует известным науке фактам.

Что же касается волновой теории, то с ее помощью открытие Гримальди оказывалось вполне объяснимым.

Раньше мы рассматривали волны на поверхности воды, бегущие от колеблющегося звонка. Он был единственным источником колебаний.

Но что произойдет, когда мы установим второй абсолютно одинаковый звонок на некотором расстоянии от первого?

Давайте проведем такой опыт. Но его осуществление разобьем на три части. В первой будет включен только первый звонок; во второй — только второй звонок, и лишь в третьей части опыта будут включены оба звонка.

Опыт со звонками. I — включен только первый звонок: волны не успели дойти до второго звонка; II включен только второй звонок: волны не успели дойти до первого звонка; III — включены оба звонка: волны от каждого из звонков встретились где-то на полпути. Здесь они начали взаимодействовать. Размах колебаний увеличился.

Для того чтобы лучше наблюдать результаты опыта, опустим на воду поплавок и поместим его в какой-либо точке прямой линии, соединяющей звонки.

Перед началом опыта вспомним еще раз, что волны в воде есть не что иное, как смещение молекул вверх и вниз, перпендикулярно движению волны.

Включим первый звонок. После того как первый гребень дойдет до поплавка и приподнимет его, поплавок будет то опускаться, то подниматься на волне. И он будет совершать такие колебательные движения до тех пор, пока будут существовать волны. Частота колебаний поплавка будет точно равна частоте ударов звонка.

Включаем второй звонок (первый звонок выключен). Повторяется то же самое, что и перед этим, с той лишь разницей, что теперь волны подходят к поплавку с противоположной стороны.

К третьей части опыта следует очень тщательно подготовиться. Необходимо так отрегулировать оба звонка, чтобы частоты их колебаний были абсолютно одинаковы. Обмотки звонковых электромагнитов мы приключим к общему выключателю, чтобы обеспечить одновременное включение.

Включаем оба звонка. От каждого из них идут волны — бегущие по воде круги. Но вот они встретились между собой, сперва соприкоснулись, а затем пересеклись. И, после того как это произошло, картина волн изменилась. Мы уже не видим прежних кругов — волны на воде образуют новую сложную фигуру. Изменилось и поведение поплавка.

Если в первых частях опыта поведение поплавка было одинаковым в любой точке прямой, соединяющей звонки, то теперь оно зависит от того, в какой из точек на этой прямой он находится. В некоторых он колеблется с той же частотой, что и звонки, но размах колебаний стал больше; зато в других точках поплавок ведет себя так, как если бы волны вообще отсутствовали.

Отчего это?

Оттого, что колебания — сдвиг молекул воды в каждой точке — зависят теперь от воздействия не одной, а двух систем волн. При этом одна волна в данной точке, в данный момент времени может вызывать смещение молекул вниз, а другая, наоборот, вверх. В результате этого взаимно-противоположного действия молекула останется неподвижной, останется в покое и поплавок. В других точках, в зависимости от расстояний до звонков, может произойти обратное явление: обе волны будут воздействовать на молекулу в одном и том же направлении. И тогда ее сдвиг будет большим, чем при воздействии только одной из волн, — поплавок станет колебаться с увеличенным размахом.

Итак, из нашего опыта мы видим, что волны могут взаимодействовать друг с другом.

Это фотография взаимодействия волн от двух источников колебаний.

Следовательно, если исходить из волновой теории света, можно легко объяснить явление, впервые отмеченное Гримальди; этим же можно объяснить и появление знаменитых колец Ньютона.

Такое взаимодействие волн на языке физиков носит специальное название: «интерференция». Слово это латинского происхождения и состоит из двух корней: inter — между и ferens (ferentis) — несущий. Оно лишний раз говорит о том, насколько далеко от нового физического понятия содержание исходных слов, выбранных учеными для обозначения этого понятия.

 

Тень и свет

И все же явление интерференции не оказалось единственным доказательством, с помощью которого удалось установить истинность волновой теории света.

Решающим доводом явилось открытое тем же Гримальди явление дифракции, то есть явление непрямолинейного распространения света возле препятствий, явление «захода» света в область тени.

Но и на этот факт, упомянутый в книге Гримальди, не обратили внимания или не знали о нем ни Ньютон, ни Гюйгенс. После смерти Ньютона и Гюйгенса спор о природе света прекратился как бы сам собой. В течение многих лет (до начала XIX века) в науке господствовала корпускулярная теория, хотя где-то на полках библиотек академий и университетов пылился и истлевал забытый всеми трактат Гримальди. Авторитет величайшего физика, вполне заслуженный Ньютоном, стал тем решающим доводом, который использовали его не столь выдающиеся, как он, последователи для доказательства справедливости корпускулярной теории.

Но не только случайность привела к тому, что факты, подтверждающие волновую природу света, были забыты. Действительно, они были установлены Гримальди, но только очень приближенно, в самой общей и не очень определенной форме, еще до того, как были проведены исследования Ньютона и Гюйгенса.

Не менее важно и то, что при проведении опытов по исследованию интерференции и дифракции света физику-экспериментатору приходится иметь дело с чрезвычайно точными измерениями расстояний и размеров. Измерения в некоторых случаях должны проводиться с точностью до длины или даже доли длины волны света. А эта величина необычайно мала.

Во времена Ньютона и Гюйгенса техника точных измерений была очень несовершенной, точная механика только-только зарождалась. Но дело было не только в этом. Ученые тех времен не знали и вряд ли предполагали, что длина световых волн крайне мала. Тем более, что им уже было известно, с какой огромной скоростью распространяется свет. А длина волны тем больше, чем выше скорость распространения. Возможно, что благодаря этому факту они могли предполагать, что световые волны, если они существуют, очень длинные.

Впоследствии, когда ученым удалось осуществить измерения, результаты оказались необыкновенными. Выяснилось, что самые короткие волны, еще воспринимаемые глазом человека (волны фиолетового света), имеют длину, равную 0,00038 миллиметра, или 380 миллимикронов, а самые длинные (волны красного света)—0,00078 миллиметра, или 780 миллимикронов.

Воспользовавшись формулой, связывающей длину волны с частотой колебаний и скоростью распространения, получим цифры, которые, возможно, могли бы устрашить ранних сторонников Гюйгенса. Частота фиолетового света равна примерно 800·1012 колебаний в одну секунду, а красного — 387·1012 колебаний в одну секунду!

Своим вторым рождением волновая теория обязана многим физикам, но в первую очередь французскому ученому Огюстену Жаку Френелю (1788–1827) и английскому ученому Томасу Юнгу (1773–1829), которые провели важнейшие исследования явлений интерференции и дифракции света и дали их объяснение. Именно их труды превратили еще не проверенную опытом смелую научную догадку — гипотезу Гюйгенса — в строгую, обоснованную точными фактами теорию. А она, в свою очередь, позволила открыть и объяснить многие новые научные факты.

В чем же заключается явление дифракции? Как оно проявляется?

Мы можем очень примитивно, чисто качественно, воспроизвести явление дифракции света. В этом мы будем очень близки к Гримальди, но не к Френелю и Юнгу; ведь так же, как и он, мы не располагаем никакими точными научными приборами. Да они и не потребуются для наших целей. Все оказывается крайне просто.

Вечером, когда стемнеет и на улице включат освещение, выберем один из дальних, но достаточно ярких фонарей. Он кажется нам яркой золотистой точкой. Посмотрим на него сквозь неплотно сжатые пальцы или, что лучше, сквозь тонкую прорезь в листе плотной бумаги, сделанную лезвием безопасной бритвы.

Глядя через узкую щель на тот же фонарь, мы не увидим яркой точки, а обнаружим светлую полосу с темными поперечными линиями, причем эта полоса будет направлена перпендикулярно прорези.

Объяснить этот факт можно, лишь согласившись с тем, что, встречаясь с небольшим препятствием (края щели), свет огибает его и распространяется в ту область, где, по утверждениям последователей Ньютона, должна быть сплошная тень. Иными словами, следует признать, что при встрече с малыми (величина которых сравнима с длиной воли света) препятствиями свет перестает распространяться прямолинейно и может огибать такие препятствия.

Кстати, волны на поверхности воды тоже не всегда огибают препятствия. Если их длина значительно меньше размеров препятствия, можно наблюдать волновую тень за этим препятствием. В этом смысле разница между световыми волнами и волнами на воде заключается лишь в длине волны, а следовательно, и в размерах препятствия.

Дифракция света приводит и к другим интересным и неожиданным на первый взгляд явлениям. Если на пути света поместить шарик, то тень, падающая от него на достаточно удаленный экран, не будет выглядеть однородным темным кружочком. Она будет представлять собой ряд концентрических чередующихся темных и светлых колец. Подобная картина получится, если на пути света окажется не шарик, а диск или круглое небольшое отверстие в непрозрачном экране.

На двух верхних снимках показана интерференция света. На двух нижних — дифракция света на прямоугольном и круглом отверстиях.

Волновая теория завоевала признание не без борьбы.

Интересен один из ее эпизодов. На заседании Парижской академии наук физик Френель зачитал перед учеными свой «мемуар», в котором описывал опыты и исследования, подтверждавшие правильность волновой теории света. В числе тех, кто не был согласен с Френелем, оказался знаменитый математик Пуассон. Он очень хорошо изучил работы Френеля и хотел поразить своего противника его же оружием.

Пользуясь методом Френеля, он провел вычисления, из которых следовало, что в центре тени от шарика должно оказаться светлое пятнышко. К тому времени, когда были проделаны эти вычисления, подобный факт еще не был известен. И это, по мнению математика, давало ему право считать волновую теорию неверной.

Но ему не пришлось долго торжествовать. Один из сторонников волновой теории, физик Араго, поставил специальный опыт и воспроизвел то, что предсказывали теория и расчеты. И правота Пуассона была полностью доказана… но именно в том, что в центре тени от шарика действительно имеется светлое пятно.

Недаром, видно, некоторые математики любят в шутку повторять, что «формулы умнее нас».

Явления интерференции и дифракции, чрезвычайно важные с теоретической точки зрения, уже давно приносят и практическую пользу. На основе этих явлений созданы многие важные приборы, позволяющие производить необыкновенно точные измерения и исследования.

Так, явление дифракции дало возможность создать один из видов спектроскопов — приборов, с помощью которых исследуют спектральный состав света, излучаемого самыми различными источниками, начиная от света светлячка, кончая светом самых отдаленных звезд. Спектроскоп позволяет определять химический состав самых разнообразных веществ.

Для спектроскопов такого рода изготавливают специальные дифракционные решетки. Количество щелей в современных решетках достигает 25 тысяч на сантиметр.

 

Свет и электричество

Почти через полтора века смелая научная гипотеза Гюйгенса была проверена и подтверждена экспериментом. Она стала признанной теорией. И вскоре среди ученых уже не осталось сторонников и последователей Ньютона, ибо какие бы опыты ни ставились с целью проверки и даже опровержения этой теории, все они приводили к одному: волновая природа света неизменно подтверждалась.

Ну, а эфир — странная неуловимая материя с удивительными, даже невероятными свойствами? Как же эфир?

Его существование тоже вынуждены признать ученые, хотя эфир, как среда, как вещество, не стал понятнее. Более того, после некоторых исследований, связанных с так называемой поляризацией света, свойства, которые ученым приходилось приписывать эфиру, оказались еще более невероятными.

Но что оставалось делать? Без наличия эфира никто не мог объяснить, почему свет распространяется в пространстве. И этот факт служил единственным доказательством существования эфира. Единственным потому, что никакие, даже самые остроумнейшие и тончайшие опыты не позволяли непосредственно обнаружить присутствие эфира — он был неуловим.

Ученым пришлось согласиться с существованием таинственного эфира, так как без него они не могли объяснить совершенно очевидный факт распространения света. Они считали, что свет есть колебательное движение эфира. Но первопричину, источник таких колебаний ученые не знали. Вернее, им было отлично известно, что всякое раскаленное тело испускает свет, но как и почему — это было для них тайной.

Оставалась непознанной и связь световых явлений с другими физическими процессами. Так, физика света и физика электричества казались разделенными глубочайшей пропастью. И не было ни малейших признаков того, что когда-нибудь в будущем между ними будет обнаружена общность или, тем более, теснейшая связь. Первым, кому удалось перекинуть «мостик» между светом и магнетизмом, оказался английский физик Майкл Фарадей (1791–1867), сделавший в области электричества столько же, сколько Ньютон в механике и математике. В 1846 году в одном из своих опытов Фарадей обнаружил, что под воздействием поля магнита изменяется направление поляризации света. «Мне удалось намагнитить и наэлектризовать луч света», — записал он в рабочем журнале. Фактически явление было несколько иным, чем считал ученый, но ценность опыта от этого не уменьшилась. Для науки она была громадной, ибо впервые было установлено, что между световыми и магнитными, а следовательно, и электрическими явлениями есть связь.

В 1862 году Фарадей поставил значительно более совершенный опыт, который в случае удачи показал бы с еще большей очевидностью связь света и электричества. Но положительных результатов достигнуть не удалось.

Только потому, что «вооружение» ученого было крайне несовершенно: спектроскоп был слишком нечувствительным, а магнит чересчур слабым.

Удачно провести этот опыт удалось голландскому физику Зееману уже после смерти Фарадея, в 1896 году. Он принес ученым столь важные сведения, что на их основании была сделана первая попытка создания теоретической модели атома.

Найти тесную связь между светом и электричеством суждено было выдающемуся английскому физику Джемсу Клерку Максвеллу (1831–1879).

Его теоретические исследования, сила и глубина которых и по настоящий день приводят в восхищение специалистов, показали, что распространение электромагнитных колебаний также является волновым процессом.

Выяснил Максвелл и другое чрезвычайно важное обстоятельство: скорость распространения электромагнитных колебаний оказывалась равной скорости света. Развивая свою теорию, Максвелл в 1873 году пришел к неизбежному выводу: свет по своей природе также относится к области электромагнитных колебаний.

В представлении многих подлинный ученый — человек, наделенный некиими особыми свойствами и качествами характера. Такое понятие неверно, но каждый ученый имеет свой стиль работы. Это особенно ясно можно показать на примере Ньютона, Фарадея и Максвелла.

Ньютон был в равной степени великим математиком и великим физиком. Он был блестящим экспериментатором, и все его теории, которые он при необходимости облекал в математическую форму, в той или иной степени были основаны на проделанной им же самим экспериментальной работе.

Совсем иным был Фарадей. Сам он почти не прибегал к помощи математики. Его представления об исследуемых процессах были почти осязаемо образны: он буквально ощущал то, что исследовал. И именно поэтому его эксперименты всегда так наглядны и понятны. Это свойство Фарадея отмечал его последователь Максвелл.

Зато сам Максвелл, в противоположность своему предшественнику, не прибегал в личной работе к эксперименту. Он был сугубым теоретиком и выдающимся математиком. Некоторые даже считают, что его роль в физике электричества заключалась в основном в том, что всю сумму знаний и идей, установленных и высказанных главным образом Фарадеем, он систематизировал и изложил на языке математики. Да и сам Максвелл высказывался примерно так же:

«Я предпринял специально эту работу в надежде, что мне удастся придать его (то есть Фарадея. — А. Ш.) идеям и методам математическое выражение».

В какой-то мере это отражает истину, но в действительности Максвелл сделал гораздо большее. На основании своих уравнений он смог прийти к утверждению теснейшей связи света и электромагнитных колебаний. Важность такого открытия трудно переоценить. Максвелл был чистый теоретик. Вероятно, он был абсолютно убежден в правильности созданной им теории. Но не так ее воспринимали многие ученые. В течение долгих лет даже очень известные физики не могли понять ее и считали неправильной. Для того чтобы ее признали, необходимо было поставить специальные опыты, установить или опровергнуть на практике справедливость новых теоретических построений. Но Максвелл сам не мог этого сделать — ему оставалось лишь ждать помощи от других.

Долго никто не знал, как, каким путем провести требуемые эксперименты. И только через пятнадцать лет после того, как открытие было сделано «на бумаге», и через десять лет после смерти автора, в 1888 году, его удалось воспроизвести в реальном эксперименте. Сделал это немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857–1894). Именно его опыты позволили русскому ученому Александру Степановичу Попову (1859–1905) изобрести радиосвязь.

В своих опытах Герц получал электромагнитные колебания с длиной волны от 60 сантиметров до нескольких метров. Русский ученый Петр Николаевич Лебедев (1866–1912), воспроизводя опыты Герца, получил волны значительно более короткие (до 6 миллиметров), а в 1926 году А. М. Левитская построила особую систему вибраторов, с помощью которой генерировались колебания в спектре длин волн от 30 до 915 микронов.

После опытов Герца никто уже не сомневался в справедливости теории Максвелла. И некоторым физикам даже показалось, что природа света раскрыта до конца, что о свете известно все самое основное. Быть может, их продолжала немного беспокоить недостаточная стройность теории эфира, но они надеялись, что в будущем этот недостаток будет устранен. Эти ученые считали, что в конце концов природа эфира станет ясной. Но хотя они и понимали, какие трудности связаны с теорией эфира, все же его существование не вызывало у них сомнений.

 

Два открытия

Еще в 1836 году Фарадей детально исследовал протекание тока в электрических растворах и сформулировал два закона электролиза. Кроме того, он установил, что носителями тока в этом случае являются ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Как мы знаем, электрический ток имеет место не только в электролитах. Он протекает в металлах, ему обязаны своим существованием все виды электрического разряда в газах. Однако механизм электропроводности в металлах и газах в те времена был совершенно неизвестен. Не были известны и носители тока. Фарадей ожидал, что тщательное изучение разряда в газах принесет науке ценнейшие сведения. Но сам он не занимался этой проблемой, а свое основное внимание уделял исследованию электромагнитных явлений.

Протекание тока в разреженном газе исследовали многие ученые. Теперь это явление хорошо изучено, и здесь не стоило бы специально останавливаться на нем, если бы первые исследователи попутно не сделали одного чрезвычайно важного наблюдения. А оно, в свою очередь, привело к открытию, которое, говоря без преувеличения, определяет жизнь и судьбы современного человечества. Это — открытие электрона.

Исследования разряда в газе первыми предприняли Плюккер и Гитторф в Германии и Уильям Крукс в Англии. Все трое обратили внимание на одно и то же явление, однако Круксу удалось наиболее подробно его исследовать.

Для изучения разряда использовалась трубка Гейслера — баллон, представляющий собой удлиненную стеклянную колбу с запаянными концами, названный так в честь искусного стеклодува Генриха Гейслера. Внутрь трубки вводились две металлические пластины, два электрода — анод и катод. К аноду присоединялся положительный, а к катоду — отрицательный полюс источника электрического напряжения. Помимо этого, трубка имела стеклянный отросток, через который откачивали газ, заполнявший внутренность трубки.

При нормальном давлении газа электрический разряд не наблюдался. Лишь после того, как начиналась откачка и давление понижалось, возникал разряд. Газ начинал светиться, причем картина свечения непрерывно менялась, по мере того как давление падало. Сперва свечение сосредоточивалось возле анода, затем светящийся столб удлинялся и трубка заполнялась светом: фиолетовым, если в ней находился воздух, лиловым в атмосфере азота и розоватым, когда в ней находился водород. При дальнейшей откачке свечение постепенно меркло и вовсе исчезало.

Тем не менее любознательность, свойственная ученым, заставила их продолжать откачку даже после полного исчезновения свечения газа. И именно благодаря этому они столкнулись с новым, непонятным явлением. Свечение возникало вновь, но на этот раз светились не ничтожные остатки газа. Желто-зеленое свечение исходило с поверхности стекла трубки, но не со всей, а только с той ее части, которая находилась против катода.

Крукс, исследуя это свечение, пришел к выводу, что оно вызывается некиими лучами, испускаемыми катодом. Он так и назвал их — «катодные лучи». Им было установлено, что эти лучи движутся с огромной скоростью по прямой линии, но отклоняются от нее под воздействием магнитного поля. Действие этих лучей проявлялось также и в заметном нагревании места падения лучей. Когда же Крукс изготовил легкую металлическую крыльчатку и поместил ее внутри трубки, на пути неведомых лучей, она начала вращаться подобно крыльям мельницы в ветреный день. В 1897 году Крукс доложил о своих опытах и наблюдениях ученым.

Хотя Крукс и назвал исследованное им явление катодными лучами, он был убежден, что фактически ему приходилось иметь дело с потоком частиц, до тех пор не известных науке. Это убеждение разделял и физик Джонстон Стоней, который первым назвал их электронами. Вскоре правильность предложений Крукса подтвердилась — электрон действительно оказался частицей, имеющей наименьший возможный отрицательный заряд и очень малую массу. Но все-таки их удалось точно измерить. Хотя столь малые цифры ничего не говорят воображению человека, их все же стоит привести. Вот они: заряд отрицательный и равен 0,000 000 000 000 000 000 160 100 кулона, а масса выражается числом с еще большим количеством нулей: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 910 600 грамма, то есть примерно в 1850 раз меньшая, чем у атома водорода.

Открытие электрона показало, что атом вовсе не является неделимой частицей материи, а состоит из еще более мелких частиц. Практическим следствием открытия электрона явилось рождение атомной физики и электроники.

В ноябре 1895 года в исследование разряда в газе включился скромный и уже немолодой профессор физики в Вюрцбурге Конрад Рентген. Приступая к новым опытам, Рентген не знал, что буквально в первую же неделю работы с трубкой Гейслера он откроет новые удивительные лучи — «Х-лучи», как назвал их он сам, «лучи Рентгена», как называют их теперь все.

Свойства лучей оказались необыкновенными. Они свободно проникали через большинство непрозрачных для обычного света веществ; ослабить их могли только металлы, особенно свинец. Рентген говорил о том, что твердое тело для Х-лучей то же, что комната, наполненная табачным дымом, для обычного света. Под воздействием этих лучей электроскоп теряет свой заряд, фотоэмульсия чернеет, а некоторые химические соединения светятся, флуоресцируют. Именно такими соединениями покрывают экраны в рентгеновских аппаратах.

Этот красивый симметричный узор «нарисовали» рентгеновские лучи, продифрагировавшие на кристаллике льда.

И все же природа рентгеновских лучей, несмотря на их необычные свойства, та же, что и у видимого света. Они не несут заряда, не отклоняются ни в электростатическом, ни в магнитном поле, и все их отличия определяются и объясняются чрезвычайно малыми длинами волн, лежащими в пределах от 0,049 до 0,00001 микрона. Эти волны настолько коротки, что явление дифракции не удается наблюдать даже с помощью самых лучших дифракционных решеток, имеющих до 25 тысяч штрихов на сантиметре.

Рентгеновские лучи дифрагируют только на кристаллических структурах. В наше время эта их способность используется для изучения строения и внутренних свойств самых различных веществ.

 

Спектр электромагнитных колебаний

Теперь мы уже многое знаем о свете и можем подвести некоторые итоги, для того чтобы яснее понять, каково же место световых волн в общем спектре электромагнитных колебаний.

Начнем с самых длинных волн (самых медленных колебаний) и постепенно перейдем ко все более коротким волнам.

Но прежде читателю рекомендуется запомнить название и смысл одной чрезвычайно часто употребляемой единицы. Она называется герц по имени физика Генриха Герца. Эта единица применяется для измерения частоты колебаний. Так, 1 герц соответствует одному колебанию в секунду или одному периоду в секунду. 1000 герц, или 1 килогерц, соответствует 1000 периодов в секунду. 1 000 000 герц = 1000 килогерц = 1 мегагерцу = 1 000 000 периодов в секунду.

Одним из самых длинноволновых является переменный ток, вырабатываемый электростанциями. В СССР и других странах Европы его частота равна 50 герцам. Длина волны промышленного переменного тока равна 6000 километров. В настоящее время самые протяженные линии электропередач не превысили еще 2000 километров, и, следовательно, на всей такой линии уложится не более 1/3 волны.

Более высокие частоты содержатся в телефонных сигналах и в сигналах вещательных передач, передаваемых по проводам. Они занимают довольно широкий диапазон: от 20–60 герц до 20·103 герц. Этот диапазон называется диапазоном звуковых частот, так как наше ухо воспринимает звуковые колебания (но не электромагнитные, о которых идет речь!) с теми же самыми частотами. Длина волны в этом диапазоне находится в пределах от 15 тысяч до 150 километров. Для сравнения можно сказать, что звуковые колебания с теми же частотами, распространяясь в воздухе при нормальном атмосферном давлении, вызовут волны (звуковые, а не электромагнитные!) длиной от 17 метров до 1,7 сантиметра. Это и понятно — ведь скорость распространения электромагнитных колебаний примерно равна 300 тысячам километров в секунду, а скорость звуковых колебаний — 340 метрам в секунду. За диапазоном звуковых следует диапазон инфранизких радиочастот. Такое название он получил по аналогии с лучами света, более длинноволновыми, чем видимые. Диапазон этот занимает полосу частот от 20·103 до 100·103 герц. Длины волн в пределах от 150 до 3 километров.

Инфранизкие частоты широко используются техникой. На них работают промышленные установки для нагрева и плавки металлов токами высокой частоты и даже некоторые системы дальней радионавигации и радиосвязи.

Затем идут волны, которые мы привыкли считать радиоволнами: длинные — от 3000 до 600 метров; средние — от 600 до 150 метров; промежуточные— от 150 до 75 метров и короткие — от 75 до 10 метров. Низкочастотная граница длинных волн соответствует 100·103 герц, а высокочастотная граница коротких волн — 30·106 герц. Весь этот диапазон используется главным образом для радиовещания и различных видов радиосвязи на дальних расстояниях. В этом же диапазоне работают и некоторые медицинские установки.

Радиоспектр идет и дальше. Но для радиоволн с длиной порядка единиц метров и короче линия горизонта является почти непреодолимой преградой. Поэтому телевидение, радиовещание и радиосвязь на таких волнах ведутся только в пределах прямой видимости. Для того чтобы увеличивать зону прямой видимости, телевизионные антенны устанавливаются на очень высоких башнях. Длины волн метрового диапазона от 10 до 1 метра, а частоты — от 3·107 до 3·108 герц.

За метровыми следуют дециметровые волны длиной от 1 метра до 10 сантиметров; граничные частоты этого диапазона равны 3·108 и 3·109 герц. В этом диапазоне волн работают самые разнообразные радиотехнические устройства и, в частности, радиотелескопы, о которых дальше будет рассказано. Радиоволны, длина которых измеряется дециметрами, и еще более короткие волны имеют одну очень интересную особенность. Они могут распространяться не только в пустоте (в воздухе), но и в трубах, в так называемых волноводах.

Сантиметровые волны имеют длину от 10 до 1 сантиметра (частоты 3 ·109 до 3·1010 герц). Этот диапазон принципиально не отличается от предыдущего. В нем, в частности, работают метеорологические радиолокаторы.

Граничные частоты диапазона миллиметровых радиоволн соответствуют 3·1010 и 3·1011 герц. Миллиметровые волны являются в настоящее время самыми короткими из тех, которые умеет генерировать радиотехника. В наши дни еще только приступили к их практическому освоению. Пока же они используются только для экспериментальных целей.

За диапазоном радиоволн простирается спектр световых волн.

Самым близким к радиоспектру является инфракрасный. Он ограничен волнами длиной 400 микронов и 760 миллимикронов, что соответствует частотам от 7,5·1011 до 3,87·1014 герц. Получать волны в этом диапазоне можно с помощью некоторых специальных устройств, но наиболее простой способ заключается в нагревании каких-либо тел. Обычные лампы накаливания имеют очень интенсивное излучение в области коротковолнового инфракрасного излучения. Инфракрасные лучи широко используют в науке, технике и быту. С их помощью приготовляют пищу, обогревают помещения; сушат различные виды продукции. В этих лучах удается делать фотографии и с помощью особых приборов видеть ночью.

Видимые лучи света не требуют особого пояснения. Стоит лишь напомнить, что диапазон волн лежит в пределах от 780 до 380 миллимикронов, что соответствует частотам от 3,87·1014 до 8·1014 герц. Из этих цифр видно, какую узкую полоску из всего спектра электромагнитных колебаний могут непосредственно ощущать наши органы чувств.

Диапазон ультрафиолетовых лучей начинается с волны 380 миллимикронов, что соответствует частоте 8·1014 герц, и простирается до волн длиной 40 ангстрем и даже короче. Частота на волне 40 ангстрем равна 7,5·1016 герц.

Ультрафиолетовые лучи, как и инфракрасные, широко применяются в науке и технике наших дней. С их помощью обнаруживают различные минералы, делают точнейшие химические анализы, стерилизацию пищи и лекарств.

Они используются в фотографии, судебной экспертизе, в светотехнике для возбуждения свечения люминесцентных красок. Ими широко пользуются и в медицине.

Шкала спектра электромагнитных колебаний.

Кстати, ультрафиолетовые лучи хоть и неправильно, но и не случайно называют кварцевыми. Дело в том, что обычные сорта оптического стекла становятся непрозрачными для ультрафиолетовых лучей уже на волнах порядка 2500 ангстрем. А стекла из чистого кварца пропускают эти лучи, поэтому баллоны ламп ультрафиолетовых источников света делаются из кварцевого стекла.

Но и кварц не может пропустить всего спектра ультрафиолетовых лучей: для волн короче 1800 ангстрем он тоже оказывается непрозрачным. В настоящее время наилучшим в этом смысле материалом считается флюорит, или плавиковый шпат, — он пропускает лучи с длиной волны 1200 ангстрем.

Рентгеновский участок спектра соседствует с ультрафиолетовым. Частоты рентгеновских излучений лежат в пределах от 6·1015 до 3·1019 герц, что соответствует волнам от 493 до 0,1 ангстрема. Некоторые области применения рентгеновских лучей вам хорошо известны. Они используются во всех случаях, когда надо посмотреть сквозь что-то, непрозрачное для других лучей. Поэтому их применяют для обнаружения внутренних дефектов в металлах, для различных исследований, основанных на явлениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах различных веществ.

К сожалению, в природе не существует таких материалов, которые могли бы преломлять рентгеновские лучи так, как стекловидимые. Поэтому оптические устройства типа объективов не могут быть для них созданы.

И, наконец, последний из известных в настоящее время науке участков спектра электромагнитных колебаний — участок гамма-лучей. Их испускают атомы радиоактивных элементов; гамма-лучи возникают и при некоторых видах взаимодействия элементарных частиц. Частота гамма-излучения начинается от 6·1018 герц, чему соответствует длина волны 0,428 ангстрема.

О коротковолновой границе гамма-излучения говорить трудно. С каждым годом она отодвигается в область все более коротких волн. Так, в излучениях, приходящих из космического пространства, обнаружены гамма-лучи с длиной волны порядка 0,0001 ангстрема.

Проникающая способность гамма-лучей еще более высокая, чем у рентгеновских. Поэтому их часто используют в тех случаях, когда рентгеновские лучи не в состоянии «пробить» исследуемый образец. Кроме того, для получения гамма-лучей достаточно иметь лишь радиоактивный изотоп, хранящийся для безопасности в контейнере, в то время как для получения рентгеновских лучей требуется весьма сложный и громоздкий рентгеновский аппарат. Гамма-лучи применяются также при некоторых химических процессах.

 

Необыкновенные хвосты

Библейских пророков более всего привлекали ужасы. Мор, голод, разграбление городов, гибель народов были любимейшими темами их прорицаний.

Пророки ссылались на божьи «знамения»: радуги, солнечные затмения и на другие небесные явления как на вестников несчастья. Не мудрено, что и «хвостатые звезды» — кометы, напоминающие суеверным людям карающий меч, — были зачислены «в штат» зловещих вестников, И их появление действительно наводило ужас на религиозных людей. И даже по сей день еще встречаются люди, верящие, что комета — предвестница войны.

Небесная странница — комета. Ее хвост всегда направлен в сторону от Солнца.

Необычный вид и сравнительно редкое появление на нашем небосводе этих небесных странниц издавна привлекали внимание ученых к кометам. Предметом особого изучения явились их необыкновенные хвосты. Тем более, что их поведение казалось наблюдателям очень странным. Дело в том, что хвост кометы не тянется за ней, оставаясь постоянно сзади головной части, а всегда находится на прямой, соединяющей головную часть кометы и Солнце, и направлен в сторону, противоположную ему.

Знаменитый астроном Кеплер еще в начале XVIII века высказал предположение, что подобная ориентация кометных хвостов может быть объяснена тем, что солнечные лучи оказывают давление на освещенные тела.

Максвелл в своих теоретических исследованиях пришел к такому же выводу. Но на сей раз это была не просто блестящая догадка, а теоретическое положение, подкрепленное точными вычислениями. По расчетам Максвелла получалось, что отвесные лучи солнечного света давят на 1 квадратный метр абсолютно черной (совершенно неотражающей) поверхности с силой 0,4 миллиграмма, а на зеркальную поверхность — с силой 0,8 миллиграмма. Разумеется, сила светового давления зависит от мощности светового излучения и от расстояния между источниками света и поверхностью, на которую падают лучи. Чем мощнее источник, гем больше давление; чем больше расстояние, тем давление меньше. Поэтому цифры, приведенные выше, не являются абсолютными. Они вычислены для случая, когда источником света является Солнце, а расстояние равно тому, на которое Земля отстоит от него.

Факт светового давления имеет принципиальное значение для науки: он открывает завесу еще над одним очень важным свойством света. Поэтому экспериментальное доказательство правильности теоретических выкладок было бы чрезвычайно существенным вкладом в физику. Но такой эксперимент оказался до крайности сложным и трудоемким — ведь измерять приходилось ничтожные по величине усилия.

Первым, кому удалось провести эти тончайшие измерения, был профессор Московского университета Π. Н. Лебедев. В 1899 году он измерил давление света на твердые тела, а в 1909 году разрешил еще более трудную задачу — измерение давления света на газы.

Схема установки Π. Н. Лебедева. Ось с лопастями, нарисованная отдельно, подвешивалась в стеклянном цилиндре. На лопасти направляли свет яркой лампы. Под давлением света ось с лопастями поворачивалась на некоторый угол.

Эти работы принесли Лебедеву мировое признание; многие университеты и научные общества избрали его своим почетным членом.

Результаты исследований подтвердили факт светового давления и точность расчетов Максвелла. Основываясь на этом факте и исследованиях Лебедева, астрономы смогли точно изучать влияние солнечного света на хвосты комет и даже определять массу частиц, образующих хвосты. Не менее интересным и важным для науки явился вывод, сделанный астрономами, о том, что световое давление, возможно, устанавливает естественный предел для размеров звезд. Масса звезды не может превышать некоторой, хотя и громадной, но конечной величины, так как в противном случае световое давление раскаленных внутренних областей звезды взорвет ее изнутри.

Мы помним, что волновая теория победила корпускулярную только после того, как опытным путем были установлены такие факты, как дифракция и интерференция. Эти факты невозможно объяснить с точки зрения корпускулярной теории, зато волновая теория великолепно с ними согласуется. Что же в этом смысле можно сказать о световом давлении? Оно было выведено и исчислено Максвеллом, создавшим свою электромагнитную теорию на основе волновых представлений о природе света, и, следовательно, полностью подтверждает их справедливость. Однако факт светового давления относится к числу тех, которые не противоречат и корпускулярным представлениям. Более того, на основании опытов Лебедева сторонник корпускулярной теории может сделать вывод, что свет имеет массу, и даже определить ее величину!

 

Мельчайшие из мельчайших

Наука никогда не заняла бы подобающего ей места, если бы с самого зарождения не требовала глубокого осмысления и точного определения даже самых простейших, кажущихся совершенно очевидными понятий. Вот, например, определения белого, прозрачного и черного тел, приемлемые для науки:

Тело, отражающее все лучи света, падающие на него, называется идеально белым.

Тело, пропускающее без поглощения все лучи проходящего сквозь него света, называется идеально прозрачным.

Тело, целиком поглощающее падающие на него лучи света, называется идеально черным.

В природе не существует ничего идеального. Нет и таких тел, которые полностью отвечали бы приведенным определениям, но зато есть очень много тел, которые довольно близки к ним. Так, некоторые химические соединения отражают до 98 процентов света; не слишком толстые слои стекла или горного хрусталя в широком диапазоне световых волн почти идеально прозрачны; некоторые сорта черного бархата поглощают до 99,7 процента падающего света.

Приведенные определения вряд ли у кого вызовут возражения, хотя бы потому, что они нисколько не противоречат повседневному опыту. Основываясь на этом опыте, мы привыкли считать белым то тело, которое излучает много света, а черным — не излучающее вовсе.

Солнце — ослепительно белое, а отверстие в закопченной печной трубе — ослепительно черное.

На первый взгляд кажется, что наше житейское понимание белого и черного нисколько не отличается от физического. Но на самом деле такое противоречие есть. В обиходе мы не замечаем его потому, что не совсем правильно пользуемся глаголами «отражать» и «излучать». Часто подменяем один из них другим, не видя особой разницы. А она с точки зрения физики имеет принципиальное значение.

И каждому из этих слов физика приписывает совершенно определенное действие.

Отражать — значит отбрасывать назад, вовне, лучи некоторого постороннего источника света, падающие на поверхность тела. При идеальном отражении температура тела не изменяется, не изменяется и запасенная в этом теле тепловая энергия.

Излучать — означает отдавать вовне путем испускания лучей собственную энергию. При излучении температура тела, его запасы тепловой энергии уменьшаются. Для того чтобы излучение не прекращалось, необходимо восполнять эту убыль энергии, а для этого требуются какие-то источники энергии. Например, электрическая батарея для лампочки в карманном фонаре или ядерные реакции на Солнце.

Что же в таком случае означает глагол «поглощать»?

С точки зрения энергетической поглощение следует понимать как действие, обратное излучению.

При поглощении энергия тела увеличивается, а при излучении, наоборот, уменьшается.

Таким образом, идеально белое тело в определенных условиях не поглощает и не излучает энергии. То же можно сказать и об идеально прозрачном теле. Зато идеально черное тело, являясь наилучшим поглотителем лучистой энергии, оказывается в то же самое время и наилучшим ее излучателем.

С непривычки такое утверждение может показаться ошибочным. Но это твердо установленный наукой факт. Еще более странным покажется читателю утверждение, что Солнце тоже черное тело. Но, если вдуматься в точное определение черного тела, такое утверждение постепенно перестанет казаться парадоксальным. Ведь оно в понимании физиков означает лишь одно: если на Солнце попадают лучи от каких-либо внешних источников света, то есть от всех других звезд, эти лучи не отразятся от него, а будут полностью им поглощены.

Почему же все мы не видим Солнце черным, но в то же время не можем вынести его ослепительных лучей?

Только потому, что в солнечной массе выделяется фантастически большое количество энергии и эта энергия излучается Солнцем вовне.

Примерно 14 процентов всей солнечной радиации приходится на долю видимого света. Он-то и ослепляет нас. Именно благодаря ему Солнце воспринимается нами как белое. Но это нисколько не противоречит определению, данному физикой для черного тела, ведь в нем говорится лишь о поглощении падающих лучей, но не об излучении собственных. Вот и получается, что черное тело может ярко светиться и быть белым, но при этом оно обязательно должно поглощать все лучи, падающие на него от посторонних источников света.

Разницу в излучениях нагретых тел — белого, прозрачного и довольно темного — вы можете проверить сами. Для этого разогрейте в пламени газовой горелки стальной гвоздь, кусок алюминиевой проволоки и кусок стекла. Ярче всего будет светиться сталь, а алюминий и стекло — едва заметно.

Мы уже говорили, что в природе не существует ни идеально черного, ни идеально белого. Но ученые для научных целей все же создали прибор, обладающий свойствами идеально черного тела. Он так и называется в физике — «черное тело». Его конструкция представляет собой металлический полый шар или цилиндр с небольшим отверстием. В промежутках между двойными стенками шара или цилиндра заложены электронагревательные элементы. Поверхность внутренней полости черного тела для лучшего поглощения падающих лучей иногда чернят и делают шероховатой.

Роль собственно черного тела играет отверстие в шаре. Как известно, черное тело поглощает все падающие на него лучи. Именно такое же действие производит отверстие. Посмотрите на чертеж прибора, и вы убедитесь в том, что луч, прошедший в отверстие извне, уже не вернется назад. Он «запутается» во внутренней полости шара. Претерпевая многократные отражения от стенок шара, он при каждом из них будет частично поглощаться и в конечном счете поглотится ими полностью.

Ход луча света в полости «черного тела». При каждом отражении от внутренней стенки часть света поглощается, и в конце концов стенки поглощают весь свет.

Зрачок нашего глаза кажется черным именно по этой же причине. Тем же объясняется и то, что днем окна домов кажутся снаружи черными.

Мы не зря уделили столько времени объяснению свойств черного тела. Это было необходимо потому, что исследование законов его излучения привело ученых к чрезвычайно важным открытиям. Эти и некоторые другие факты заставили ученых снова (в который раз!) пересмотреть свои воззрения на природу света.

Во-первых, стало известно, что спектр излучения черного тела непрерывный, то есть содержит колебания со всеми возможными длинами волн.

Во-вторых, эти опыты показали, что, хотя спектр излучения и непрерывный, мощность, излучаемая на разных частотах (длинах волн), различна: она максимальна внутри диапазона частот (волн) и практически падает до нуля к его краям. При этом частота, на которой имеется максимум излучения, тем больше, чем выше абсолютная температура.

В-третьих, оказалось, что суммарная мощность излучения черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры.

Экспериментальные данные были многократно проверены и ни у кого не вызывали сомнения. Однако, когда были сделаны попытки теоретически объяснить эти явления и найти формулу для их количественного выражения, ученые столкнулись с непредвиденными и, как оказалось, принципиальными трудностями. Все эти трудности сводились к тому, что теоретические выкладки, сделанные на основе столь хорошо зарекомендовавшей себя классической теории, совершенно не соответствовали фактам. Из этих выкладок следовало, что вся энергия черного тела должна была бы излучаться в виде коротковолнового излучения.

Из несоответствия практики и теории приходилось делать выводы. Первым, кто сумел объяснить законы излучения черного тела, оказался немецкий физик Макс Планк (1858–1947). Это было в 1900 году, три года спустя после открытия электрона.

Но, пожалуй, главной заслугой Планка было не само по себе объяснение законов излучения черного тела, а совершенно новое для физики предположение, которое ему пришлось сделать в ходе работы.

Для того чтобы понять всю необычность этого предположения, стоит провести один очень простой умозрительный опыт. Но читателю следует запомнить, что условия, в которых он будет проводиться, реально неосуществимы, а поэтому практически неосуществим и сам эксперимент. Проводить его можно лишь умозрительно.

Прежде всего предположим, что в нашем распоряжении имеется столь точный измерительный инструмент, с помощью которого мы можем измерять расстояние абсолютно точно и регистрировать даже самые незначительные его изменения. Вторым идеальным прибором, которым нам предстоит воспользоваться, будет простейший блок, отличающийся от реального лишь тем, что в нем полностью отсутствует трение.

Мысленно перекинем через блок веревку и к одному из ее концов прикрепим груз. Затем поднимем груз на высоту, равную 1 метру. Если вес груза был равен точно 1 килограмму, то при подъеме груза нам придется затратить работу против сил тяготения, точно равную 1 кГм. Но что это означает — затратить работу? Это означает отдать энергию, в данном случае 1 кГм энергии. Поднимая груз, мы отдаем энергию, она превращается в потенциальную энергию поднятого над землей груза. Следовательно, последний при этом получил энергию. И, так как условия эксперимента у нас идеальные, груз получил энергии ровно столько, сколько мы затратили, то есть 1 кГм.

Теперь приподнимем его еще на 0,000 001 метра. При этом мы отдадим, а груз получит 0,000 001 кГм. Поскольку измеритель расстояний абсолютно точен, можно изменять высоту подъема не только на одну миллионную долю метра, но и на одну миллиардную и на одну триллионную и любую другую как угодно малую долю метра. При этом величина затрачиваемой и приобретаемой энергии тоже будет уменьшаться до каких угодно малых долей.

До того как стала известной работа Планка, такой чисто умозрительный эксперимент приводил ученых к выводу, что энергия может делиться на любые малые, а в математическом смысле — на бесконечно малые доли. И на этом основании они считали, что энергия всегда и во всех случаях величина непрерывная.

Планк отказался от этого привычного и, казалось бы, вполне очевидного и доказанного представления, считая, что оно неприменимо при объяснении процессов излучения.

Он предположил, что при излучении энергия не может ни убывать, ни прибавляться бесконечно малыми долями и что все изменения энергии могут происходить только скачкообразно, то есть определенными порциями, очень небольшими, но конечными. Эти порции он назвал элементарными квантами или просто квантами.

Представим себе, что требуется наполнить стакан или мензурку определенным количеством жидкости. Естественно, что с первого раза мы не сумеем сделать это с достаточной точностью: либо не дольем жидкость до нужного деления, либо, наоборот, нальем чрезмерное количество. В обоих этих случаях можно или добавить, или убавить необходимое количество жидкости; причем это количество мы можем менять любыми, с точки зрения практики, произвольно малыми порциями.

Можно ли подобным образом изменять любые количества?

Мы знаем, что нельзя. Так, например, невозможно увеличить число учащихся в классе на 2,7 человека. Невозможно изменять произвольно малыми долями и сумму денег. Ее изменения всегда скачкообразны, причем наименьший «скачок» в нашей стране составит одну копейку, в ГДР — один пфенниг, в Англии — один фартинг.

Именно такое наименьшее возможное изменение, наименьший возможный скачок некоторой величины и называют квантом или элементарным квантом данной величины. Поэтому в равной степени правильно называть квантом человека, когда заходит речь о численном составе учащихся в школе, рабочих на заводе, населения в стране и тому подобное, и называть квантом копейку, когда говорят об исчислении денежной суммы в советских деньгах. Понятно, что названные кванты не имеют между собой ничего общего. Единственный признак, который дает право назвать квантом и то и другое, состоит в том, что обе эти величины являются наименьшими возможными изменениями соответствующих количеств. Есть элементарные кванты, величины которых можно сравнивать между собой. Таковы, например, элементарные кванты денег Советского Союза, ГДР и Англии — копейка, пфенниг и фартинг. Это сопоставимые кванты.

На практике многие прерывные величины вполне допустимо считать непрерывными. Взвешивая зерно, песок и другие сыпучие тела, разливая жидкости, мы не делаем сколько-нибудь заметной ошибки, считая, что их количества меняются непрерывно, то есть сколь угодно малыми порциями. На самом же деле это не так, и известно, что масса сыпучих тел может изменяться только прерывно, хотя величина скачка чрезвычайно мала. Мы пренебрегаем этой величиной во всех случаях, где она несущественна. Но мы будем поступать иначе, если придется взвешивать какие-либо драгоценные сыпучие тела. Для их взвешивания придется пользоваться весьма чувствительными и точными весами. И тогда мы уже не сможем пренебречь фактом скачкообразного изменения массы.

Точно так же обстоит дело с измерениями и других количеств. Повышение чувствительности и точности измерений часто показывает, что величины, считавшиеся непрерывными, на деле могут меняться только прерывно, скачками, причем величина наименьшего, мельчайшего из мельчайших скачков оказывается вполне определенной и неизменной. Скачками, квантами изменяется и масса воды. Квантом массы воды является масса одной ее молекулы. Разумеется, что в подавляющем большинстве случаев можно не принимать этот факт во внимание и считать массу воды величиной непрерывной.

Но есть и другие действительно непрерывные величины. И в этом случае повышение чувствительности и точности измерений не привело бы к обнаружению прерывности их изменения. К непрерывным величинам относятся расстояние и время.

Итак, известно, что некоторые величины могут изменяться сколь угодно малыми долями, а другие — только прерывно, скачками, и величину такого скачка уже нельзя уменьшить. Такой неделимый скачок количества, такую наименьшую из возможных порцию и называют элементарным квантом таких величин.

Электрон обладает наименьшим, мельчайшим из мельчайших отрицательным электрическим зарядом. Следовательно, заряд электрона можно назвать квантом электрического заряда или просто квантом электричества.

Зернистую, прерывистую структуру имеет и масса. Так, мельчайшей из мельчайших, наименьшей из возможных масс водорода (водорода как вполне определенного химического элемента) является масса одного его атома, равная примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 001 7 грамма.

Итак, квант массы водорода равен 1,7·10-24 грамма. Естественно, что квант массы кислорода будет отличаться от водородного кванта. Но величины их сопоставимы, потому что и та и другая выражаются в граммах массы.

Подобным образом обстоит дело и с квантами излучаемой энергии. Их численное значение оказывается различным для разных длин волн. По определению Планка, величина одного элементарного кванта излучаемой энергии выражается формулой ε = hν, где h — некоторая неизменная величина, названная в честь первооткрывателя постоянной Планка, a v — частота колебаний, на которых излучается энергия.

Если излучение нагретого черного тела разложить в спектр, то в нем будут присутствовать колебания с самыми различными частотами. Поэтому кванты энергии, излучаемой черным телом, также будут иметь самые разнообразные значения.

Объяснение законов излучения черного тела явилось той необходимой проверкой, которая подтвердила правильность новых теоретических положений, выдвинутых Планком. Они в равной мере справедливы для всех видов излучений — не только световых, но и для всего спектра электромагнитных волн, начиная от самых длинных радиоволн, кончая рентгеновскими и гамма-излучениями.

Однако в радиотехнике квантовыми представлениями практически не пользуются. Величина отдельного кванта на радиочастотах столь ничтожна, что излучаемую энергию радиоволн можно, с точки зрения практики, считать величиной непрерывной. Для примера стоит назвать численную величину кванта для радиоволн длиной 3000 метров (частота 100 тысяч колебаний в секунду); она равна 4,4·10-10 электроновольт. Именно поэтому классическая электродинамика, созданная Максвеллом, остается полностью справедливой на радиочастотах.

Зернистая структура излучаемой энергии становится заметной на световых волнах. Так, на волне 1,2345 микрона (ближняя инфракрасная область спектра) энергия кванта точно равна 1 электроновольту. На красной границе видимого спектра она возрастает примерно до двух, а на фиолетовой границе — до 4 электроновольт. Но все же эти значения еще чрезвычайно малы в сравнении с 1 квантом энергии, излучаемой в области очень коротковолновых гамма-лучей. Так, на волне в 0,007 миллимикрона энергия кванта становится равной 1770 тысяч электроновольт. Такую энергию приобретает электрон, разгоняясь в электростатическом поле конденсатора, к которому приложено напряжение 1770 тысяч вольт.

Не следует забывать при этом, что эта энергия излучается черным телом либо такой огромной порцией, либо вовсе не излучается. То же происходит и при поглощении — либо всё, либо ничего.

Отказываясь от привычных, казавшихся незыблемыми представлений и формулируя новые идеи, Планк, возможно, не предполагал, что им суждено сыграть революционную роль в развитии основных физических представлений. По крайней мере, вначале он ставил перед собой совершенно конкретную задачу — теоретически обосновать законы излучения черного тела.

Но уже после первого успеха все прогрессивные физики оценили силу идей Планка. Они поняли, что квантовые представления нечто значительно большее, чем это могло казаться вначале. Они использовали новые идеи при исследовании чрезвычайно широкого круга явлений взаимодействия лучистой энергии и вещества. И во всех случаях эти идеи помогали им продвигаться дальше, постигать новые тайны природы.

Квантовая теория получила необычайное развитие. Она помогла установить общность многих важнейших явлений, казавшихся до того совершенно не связанными между собой. Она помогла науке открыть новые необычайные горизонты и, в частности, продвинуться еще на один шаг в направлении разгадки природы света. Этот шаг суждено было сделать гениальному физику Альберту Эйнштейну (1879–1955). В этом ему помогли не только идеи Планка, но и очень важный закон, установленный русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым (1839–1896).

 

Фотоэффект

Проводя свои опыты, Герц попутно заметил, что искра, проскакивавшая между электродами вибратора, странно себя ведет. Казалось, на нее влиял свет. Когда Герц освещал электроды вибратора сильным светом, появление искры учащалось. Стоило убрать источник света — и частота снова резко уменьшалась. Явление было необычное и необъяснимое. Однако Герц, видимо, не придал ему большого значения. Этому, пожалуй, не стоит удивляться — ведь он ставил перед собой совершенно иную задачу.

Не так отнесся к наблюдению, сделанному Герцем, профессор Московского университета А. Г. Столетов, старший товарищ Π. Н. Лебедева. Столетов поставил множество опытов, создал для их проведения специальную аппаратуру и столь глубоко и основательно исследовал новое явление, что результаты его работы привели к замечательному открытию.

Без него ученые не получили бы новых чрезвычайно ценных сведений о природе света, а современное общество не знало бы ни телевидения, ни фототелеграфии, ни звукового кино, ни многих-многих других полезнейших технических новшеств, без которых сейчас невозможно представить себе нашу жизнь.

Явление, изученное Столетовым в 1888–1889 году, называется фотоэффектом. В результате исследований Столетов установил новый физический закон, носящий его имя. К сожалению, в те годы наука еще ничего не знала о существовании электронов (они были открыты лишь в 1897 году), и поэтому Столетов не мог дать правильного физического толкования новому закону. Это было сделано позже, в 1905 году, Эйнштейном.

Чтобы лучше разобраться в явлении фотоэффекта, стоит хотя бы мысленно (а тем, кому удастся, в школе или кружке) провести сравнительно несложный опыт.

Для его проведения необходима электрическая батарея, гальванометр или микроамперметр для измерения силы тока и специальный электровакуумный прибор, называемый фотоэлементом. Его мы и подвергнем исследованию.

Простейший фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода. Чтобы улучшить работу, электродам фотоэлемента часто придают особую форму. Один из них в виде тончайшей металлической пленки (состоящей из соединения цезия с сурьмой или кислорода, серебра и цезия или других элементов) наносится на внутреннюю поверхность баллона, которому специально придана шарообразная форма. Второй электрод представляет собой колечко из тонкой проволоки, находящейся в районе центра сферы. Первый электрод является катодом, вернее, фотокатодом, а второй — анодом.

Фотоэлементы делятся на две большие группы. В фотоэлементах первой группы стараются создать максимально возможный вакуум внутри баллона; у фотоэлементов второй группы внутри баллона содержится очень небольшое количество газа. Фотоэлементы первой группы менее чувствительны, но зато обладают многими другими ценными свойствами.

В нашем опыте мы применим фотоэлемент с высоким вакуумом, то есть такой, из которого удален практически весь воздух. Кроме того, для удобства эксперимента стоит изменить конструкцию нашего воображаемого фотоэлемента таким образом, что оба электрода будут представлять собой плоские пластинки совершенно одинаковых размеров, сделанные из одного и того же металла. Именно такой фотоэлемент изображен на схеме нашего опыта.

Присоединим к одному из электродов отрицательный зажим батареи, а к другому через гальванометр подключим положительный зажим. В этом случае первый электрод (отрицательный) будем называть катодом, а второй (положительный) — анодом. Поместим фотоэлемент в темный ящик. Стрелка гальванометра замрет на нуле. Но, если приоткрыть крышку ящика, она отклонится вправо. Чем больше света будет поступать в ящик, тем больший ток потечет через фотоэлемент, тем дальше вправо отклонится стрелка гальванометра.

Схема опыта с явлением фотоэффекта: 1 — на анод подано положительное напряжение, прибор показывает, что в цепи протекает достаточно сильный ток; 2 — на анод подано отрицательное напряжение; ток очень мал.

Продолжая наш опыт, варьируя условия его проведения, обнаружим, что для протекания тока вовсе не нужно освещать весь фотоэлемент. Для этого достаточно направить лучи света только на катод, а точнее — на ту его поверхность, которая обращена к аноду. Более того, если мы будем освещать только анод, а катод оставим в темноте, то стрелка прибора останется на нуле.

Но в чем различие между катодом и анодом? В нашем опыте они совершенно одинаковы по форме, по размеру, выполнены из одного и того же металла. Только в одном они отличаются друг от друга: к аноду присоединен положительный полюс батареи, а к катоду — отрицательный. Следовательно, хотя электроды одинаковы, ток протекает, только когда освещен катод. Но ведь, если мы поменяем включение батареи на противоположное, бывший катод превратится в анод, а бывший анод — в катод? И, следовательно, освещая бывший анод, мы вновь получим ток? Да, будет именно так, как мы предполагаем.

Теперь приостановим временно наши опыты и обдумаем полученные результаты.

Итак, мы установили следующие важные факты:

1. Свет, падая на катод, вызывает протекание тока через фотоэлемент.

2. Ток через фотоэлемент протекает только в одном направлении — от катода к аноду (имеется в виду истинное, а не условное направление).

3. Сила тока тем больше, чем больше падает света на катод.

Для того чтобы объяснить эти факты, то есть подвести под них теоретическую базу, следует вспомнить три других хорошо известных науке факта:

1. Элементы входят в состав любого вещества. Они удерживаются в нем благодаря особым силам притяжения, действующим на электроны.

2. Электроны имеют отрицательный заряд.

3. Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Зная все это, мы уже сможем понять процессы, происходящие при фотоэффекте.

В самом деле, поскольку точно установлено, что ток через фотоэлемент идет от катода к аноду, иными словами — от минуса к плюсу, можно считать, что носителями тока являются электроны.

Но откуда они берутся?

Наши исследования показывают, что ток протекает лишь при освещении катода светом. Значит, свет так воздействует на катод, что он начинает испускать электроны. Причем электронная эмиссия (испускание электронов) тем больше, чем больше света падает на катод.

Каким же образом свет, взаимодействуя с веществом, заставляет его выпускать «плененные» им электроны?

Брошенный вверх камень летит тем выше, чем большая скорость, чем большая энергия была придана ему при броске. Но как бы высоко он ни залетал, ему всегда приходится вернуться на Землю: сила земного тяготения заставит его сделать это. Однако мы знаем, что если какому-либо телу (пока только ракете, если не считать элементарных частиц, разгоняемых в ускорителях) придать скорость порядка 8000 метров в секунду, а следовательно, и соответствующую энергию, оно уже не возвратится на Землю, а станет ее спутником. Если же начальная скорость тела превысит 11 200 метров в секунду, то тело и вовсе выйдет за пределы земного тяготения.

Нечто подобное происходит и с электронами. Свет, проникая в вещество, отдает находящимся в нем электронам свою энергию. Эта дополнительная энергия повышает скорость движения электронов. Если новая скорость превысит определенную для данного вещества величину, а движение электрона будет направлено из вещества вовне, он покинет вещество и «взлетит» над его поверхностью. Чем большую энергию получил электрон от световых лучей, тем большей окажется его новая скорость и тем дальше он отлетит от катода в сторону анода.

Говорят, что знаменитый немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) не смог бы установить законов движения планет, если бы наблюдения, проведенные датским астрономом Тихо Браге и им самим, были выполнены более точно. К счастью (как это ни странно), инструменты, имевшиеся в распоряжении обоих ученых, не достигли еще такой степени совершенства, чтобы можно было заметить нерегулярности в движении планет, которые в те времена могли бы ввести ученых в заблуждение и воспрепятствовать открытию важнейших законов.

В опыте с фотоэлементами мы тоже воспользовались довольно нечувствительным прибором. Поменяв полярность включения батареи, мы не обнаруживали тока и на этом основании считали, что его вовсе нет, и благодаря этому сделали очень важные выводы. Однако фактически это неверно. Мы не обнаруживали тока лишь потому, что он становился слишком малым и грубый прибор не мог его измерить.

Повторим эксперимент снова, но на этот раз применим прибор с очень высокой чувствительностью. Катодом будем считать тот электрод, на который падают лучи света, хотя к нему и присоединен положительный полюс батареи. Включим установку и, наблюдая за показаниями прибора, будем убавлять напряжение, подаваемое на фотоэлемент. Напряжение будем измерять обычным вольтметром.

Если в начале опыта оно составляет минус 10–20 вольт, то и с помощью самого чувствительного прибора мы не обнаружим тока. Но, когда отрицательное напряжение понизится до единиц вольт, стрелка прибора, измеряющего ток, отклонится от нуля. Причем мы обнаружим, что электроны движутся к аноду, на который подано отрицательное напряжение. Чем меньшим по абсолютной величине будет отрицательное напряжение, тем большим будет ток.

Для объяснения этого не совсем обычного факта стоит вспомнить о поведении брошенного вверх камня. Уже отмечалось, что камень летит тем выше, чем больше его начальная скорость, чем больший у него запас энергии. Но какова бы ни была начальная скорость, если только она не превышает 8000 метров в секунду, камень обязательно вернется на Землю. Но что случилось бы с ним, если бы на некотором, сравнительно небольшом расстоянии от Земли вдруг появилось огромное небесное тело?

В этом случае камень мог бы не вернуться обратно и при значительно меньших начальных скоростях. На этот раз его судьба зависела бы не только от силы притяжения к Земле, но и от силы тяготения нового небесного тела. Чем больше была бы эта сила, тем меньшую начальную скорость требовалось бы придать камню, чтобы он навсегда покинул Землю.

Предположим, что новое небесное тело не притягивает к себе брошенных вверх камней, а, наоборот, отталкивает. Может ли в таком случае камень достигнуть его поверхности? Да, может. Для того чтобы он преодолел подобный барьер, то есть фактически совершил необходимую работу против сил отталкивания, ему в начале полета должна быть сообщена необходимая энергия, или, что то же самое, необходимая начальная скорость.

В этом умозрительном опыте мы сделали совершенно фантастическое предположение о существовании близкого к Земле небесного тела, которое к тому же не притягивает, а отталкивает приближающиеся к нему тела. Подобные фантастические предположения, конечно, не стоит делать из прихоти, но, если они могут принести пользу, физики не колеблясь делают их. В нашем случае польза заключается в том, что мы в довольно наглядной форме проследили процессы, очень близкие к тем, которые действительно имеют место в фотоэлементе.

В самом деле, подавая отрицательное напряжение на анод, мы тормозим вылетевшие из катода электроны, заставляем их повернуть назад. И, наоборот, поступая «законно» — подавая на анод положительное напряжение, — помогаем электронам покинуть катод.

Если, начав от нуля, постепенно увеличивать положительное напряжение, ток, протекающий через фотоэлемент, будет возрастать даже и в том случае, когда на катод падает неизменный по величине световой поток. Это происходит потому, что с ростом положительного напряжения растет сила притяжения электронов к аноду, и его поверхности могут достигать электроны со все меньшими начальными скоростями. Однако ток не будет возрастать беспредельно. При некотором напряжении он достигнет максимума и далее уже не изменится, как бы мы ни увеличивали напряжение. Это и понятно: сила притяжения к аноду становится столь большой, что даже самые «ленивые» электроны не возвращаются на катод.

Дальнейшее увеличение этой силы не приведет к увеличению тока. Ток, протекающий в этом случае через фотоэлемент, называется током насыщения. Не следует забывать, что его величина, в соответствии с законом Столетова, тем больше, чем больше световой поток, падающий на фотокатод.

Теперь будет нетрудно разобраться и в случае противоположного по знаку включения батареи. Анод при этом будет играть роль отталкивающего небесного тела, и сила отталкивания будет тем больше, чем выше по абсолютной величине отрицательное напряжение. В этом случае анода может достигнуть далеко не всякий электрон. Только самые быстрые, самые энергичные из них преодолеют барьер. С ростом отрицательного напряжения число таких электронов будет неуклонно падать и наконец станет равным нулю — ток через фотоэлемент прекратится.

Вылет электронов из металла под воздействием света. Количество вылетевших электронов одинаково, но количество электронов, достигших анода, различно. Самое большое число достигает анода под воздействием положительного напряжения; под воздействием отрицательного напряжения электроны тормозятся, и лишь немногие долетают до анода.

Зная величину отрицательного напряжения между анодом и катодом, физики могут рассчитать начальные скорости, или начальные энергии, тех электронов, которые преодолели силы отталкивания. Эта энергия выражается в специальных единицах — электроновольтах. Так, если электрон преодолел силы отталкивания, которые возникают при разности напряжений между анодом и катодом в 5 вольт, это означает, что его начальная энергия была не ниже 5 электроновольт. Меняя отрицательное напряжение между анодом и катодом и замеряя каждый раз ток, можно легко узнать количество электронов, получивших при данном освещении определенную начальную энергию.

Теперь мы можем подойти к решающему этапу исследования фотоэффекта.

Что произойдет, если фотокатод освещать не белым светом, представляющим собой смесь лучей с различными длинами волн, а монохроматическим, то есть таким, в котором световые волны имеют практически одну и ту же длину?

Мы сами не сумеем провести опыт, отвечающий на подобный вопрос. Для такого опыта требуется очень сложное и дорогое оборудование, какого, конечно, не найти в школьном физическом кабинете. Но это не столь важно, потому что этот опыт проделывался учеными неоднократно.

К тому времени, когда он был проведен впервые, волновая теория света уже около девяноста лет прочно удерживала свои позиции. За эти годы сменилось не одно поколение физиков, и все они не сомневались в ее абсолютной достоверности, так как любые открытия в области оптики всегда удавалось правильно истолковать на основе волновых представлений. Каково же было удивление и даже недоумение ученых, когда они узнали о результатах исследования фотоэффекта при монохроматическом освещении! Они противоречили тому, что до сих пор не вызывало ни у кого сомнения.

Прежде всего оказалось, что свет не всякой длины волны выбивает электроны из фотокатода. Электроны покидали его тем охотнее, чем короче была волна падающего света.

Подавая на анод фотоэлемента отрицательное напряжение разной величины, удалось выяснить, что энергия вылетевших электронов, а следовательно, и их начальная скорость, остается неизменной при изменении интенсивности света и зависит только от длины волны. Чем больше синели лучи света, то есть чем короче была волна падающего света, тем большим нужно было устанавливать отрицательное напряжение на аноде, при котором полностью прекращался фототок. И, наоборот, чем длиннее были волны падающего света, тем меньшей оказывалась энергия освободившихся электронов. Более того, когда длина волны падающего света возрастала до некоторой величины, фотоэффект прекращался, как бы ни увеличивали при этом поток падающего света, как бы ни повышали положительное напряжение на аноде. Предельная длина волны, при которой прекращается фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Она различна для разных веществ. Пришлось немало потрудиться, для того чтобы повысить красную границу, отодвинуть ее дальше, в область длинных световых волн. В наши дни созданы такие типы фотокатодов, которые имеют красную границу на длине волны 1,2–1,6 микрона.

На основании волновой теории следовало, что энергия выбитых светом электронов должна возрастать при увеличении светового потока. Опыт же показывает иное: при увеличении светового потока растет не энергия выбитых из фотокатода электронов, а их число. Энергия покинувших фотокатод электронов становится тем большей, чем короче длина волны падающего света.

Открыв фотоэффект, ученые вновь оказались вынужденными обратиться к основам физической оптики, искать ответа на самый главный вопрос: «Что же такое свет?»

 

Вместо паузы

Перед окончанием главы сделаем небольшую передышку, оглянемся на прочитанное и вспомним главное из того, что нам стало известным о свете.

1. Развитие оптики до Ньютона.

На этом этапе еще не было создано сколько-нибудь достоверных теорий света. Не было накоплено и достаточного количества фактов, хотя уже были созданы такие оптические приборы, как линзы, вогнутые зеркала и даже микроскопы и телескопы.

Гримальди опубликовал свой труд, в котором не было сформулировано глубоких теоретических положений, но зато впервые, в очень приближенной форме, были упомянуты явления дифракции и интерференции.

2. Ньютон.

Его работы явились целой эпохой в оптике. Он открыл новые факты и на основании их сформулировал очень важные законы оптики и создал первую подлинно научную теорию света. В соответствии с этой теорией, свет представляет собой частицы материи особого рода — корпускулы.

Эта теория достаточно хорошо объясняла все известные факты, за исключением явления, открытого самим Ньютоном, называемого кольцом Ньютона (и, конечно, интерференции и дифракции, которых Ньютон не знал).

3. Гюйгенс.

Определение скорости света Рёмером.

Гюйгенс создал свою теорию немногим позже Ньютона. В соответствии с теорией Гюйгенса, свет не является материальным телом, а представляет собой волны, распространяющиеся в материи особого рода — в мировом эфире.

4. Господство корпускулярной теории.

Теория Гюйгенса могла объяснить все известные в то время факты, в частности явление колец Ньютона. Однако после смерти Ньютона и Гюйгенса господствует корпускулярная теория.

5. Господство волновой теории.

В начале 1800-х годов волновая теория одерживает полную победу, объяснив явления интерференции и дифракции. Существование эфира везде признано, хотя ученые не смогли поставить ни одного опыта, который позволял бы непосредственно обнаружить эфир. Главным свидетельством в пользу эфира являлся факт распространения световых волн.

Последние десятилетия XIX и начало XX столетия были отмечены целым рядом важнейших открытий в физике, в частности в оптике.

Теоретические труды Максвелла и опыты Герца позволили установить электромагнитную природу световых волн. Столетов сформулировал законы фотоэффекта. Планк, объясняя законы излучения черного тела, пришел к выводу, что энергия света не излучается непрерывно, а только определенными порциями, зависящими от длины волны излучения. Эти порции он назвал квантами. Дальнейшее изучение фотоэффекта привело к неожиданному открытию: энергия (скорость) фотоэлектрона, выбитого светом из металла, не зависит от интенсивности света, а только от длины волны падающего на фотокатод света. Чем короче волна падающего света, тем больше энергия (скорость) электрона.

Последнее открытие противоречило волновой теории света.

 

После кризиса

В конце прошлого и начале нашего столетия были сделаны не только перечисленные открытия. В эти годы количество новых фактов, собранных физиками, было особенно велико. Многие новые факты имели не только частное значение, а затрагивали основы наук.

Здесь не стоит перечислять открытия тех времен. Достаточно лишь сказать, что они положили начало современному расцвету физики. Казалось бы, эти открытия должны были вдохновлять ученых на новые, еще более энергичные поиски. И, конечно, так оно и было. Но в то же время все оказывалось очень трудным и сложным.

Новые открытия не укладывались в рамки детально разработанных, проверенных жизнью, признанных всеми теорий — тех теорий, которые многие ученые считали незыблемыми и даже абсолютно верными. И вот на их глазах эти теории рушились. Многие ученые считали, что новые факты не оставляют камня на камне даже от величественного здания классической механики. И некоторые из ученых, видя происходящее, но не умея правильно объяснить его, высказывали даже мнение, что верную теорию вообще невозможно создать, что все и всяческие теории, как бы хороши они ни были, не что иное, как порождение нашего ума, и совершенно не отражают и принципиально не могут правильно отражать явления окружающего нас мира.

Это было «смутное время», и его принято называть кризисом физики.

Когда вы будете изучать книгу В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» и особенно главу «Новейшая революция в естествознании и философский идеализм», вы увидите, сколь глубоким был этот кризис, какой болезненной оказалась ломка старых представлений в сознании многих физиков.

К счастью, все выдающиеся ученые обладают очень важным свойством; его можно назвать одним словом — бесстрашием. Бесстрашием перед фактами, каковы бы они ни были. И это свойство неизбежно приводило большинство из них к правильным выводам, которые помогали им выходить из самых трудных положений и развивать науку. При этом они сознательно, а иногда не отдавая себе отчета, принимали единственно верную философскую основу науки — материализм.

Именно поэтому было преодолено временное смятение, постигшее физиков во время кризиса. И, когда оно осталось позади, стало ясно, что в физике совершилась подлинная революция.

Максвелл закончил свой знаменитый «Трактат» в 1873 году. В нем он доказал, что свет представляет собой электромагнитное явление. Но это было далеко не все. Хотя сам Максвелл, создавая свою теорию, исходил из того, что эфир существует, эта теория не являлась доказательством его существования. Она оставалась справедливой и в том случае, если считать, что для распространения света не требуется никакой промежуточной среды, потому что одним из свойств электромагнитных колебаний является их способность поддерживать самих себя и благодаря этому распространяться в абсолютной пустоте. Иными словами, можно было отказаться от гипотезы о существовании эфира. Однако даже самому Максвеллу эта сторона его теории была не вполне ясна.

Теоретические положения Максвелла удалось подтвердить прямым экспериментом только в 1888 году. Но уже гораздо ранее, в 1881 году, гипотезе о существовании эфира был нанесен первый сокрушительный удар.

То, что теория Максвелла остается справедливой и при отказе от эфира, физики поняли не сразу и продолжали верить в существование эфира. В числе их были голландский физик Гендрик Антон Лоренц (1853–1928) и Герц. Тот самый Герц, которому суждено было через несколько лет первым подтвердить правильность электродинамики Максвелла. И Герц и Лоренц создали свои теории, объяснявшие взаимодействие электромагнитных колебаний и эфира. Основным различием этих теорий было следующее: Герц считал, что движущиеся материальные тела увлекают за собой эфир, а Лоренц был сторонником неподвижного, неувлекаемого эфира.

Теория Герца не получила широкого распространения, потому что к моменту ее создания были известны уже проверенные опытные данные, опровергавшие ее. Что же касается теории Лоренца, то она была более совершенной и не расходилась с известными в то время опытными данными. Однако ее следовало проверить в самом главном. Она утверждала, что скорость света будет различной в случае, если свет излучается в направлении, совпадающем с движением Земли в пространстве, и в случае, когда направление света перпендикулярно этому движению.

Но провести такой опыт было куда труднее, чем Левше из рассказа Лескова подковать знаменитую «аглицкую» блоху. Точность, требовавшаяся от эксперимента, была необыкновенно высокой. Это объясняется тем, что скорость Земли в пространстве составляет всего лишь одну десятитысячную долю от скорости света. И все же необходимый эксперимент был проведен. Впервые это удалось американскому профессору физики Альберту Абрахаму Майкельсону (1852–1931). Результаты опыта показали, что скорость света не зависит от направления движения и скорости источника света.

Опыт Майкельсона явился смертным приговором гипотезам о существовании эфира.

Если бы последствия этого опыта ограничились только такими выводами, то и тогда их можно было бы считать крайне значительными для науки. Однако последствия были куда более важными: факт, установленный Майкельсоном, привел к пересмотру всей классической механики, законы которой, как выяснилось, справедливы только при малых скоростях тел.

И недаром в 1887 году Майкельсон совместно с физиком Морли вновь повторил эксперимент, а затем в течение долгих лет его снова и снова со все возрастающей точностью проводили многие ученые. Некоторые из них, быть может, проводили его с тайной надеждой опровергнуть полученные результаты. Но постоянство скорости света неизменно подтверждалось.

Ученые понимали, какие серьезные последствия мог повлечь за собой этот факт. Они видели, что он подрывает не только теории сами по себе, но и основы мировоззрения, складывавшиеся веками.

Выход из создавшегося положения нашел ученый Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал свою революционную теорию относительности. За основными постулатами и формулами этой теории возникала необыкновенная картина окружающего нас мира.

Это был мир, в котором время уже не являлось универсальным пульсом беспредельной Вселенной. Часы в нем меняли свой темп в зависимости от скорости перемещения. В этом мире не было постоянных размеров: одно и то же движущееся тело имело различные размеры для разных наблюдателей. И даже масса — нечто, всегда казавшееся прочным, неизменным и неисчезающим, — приобретала новые неожиданные свойства: она тоже зависела от скорости движения тела. И, что не менее важно, масса таила в себе колоссальные запасы энергии. Массу и энергию уже нельзя было рассматривать независимо друг от друга, потому что между ними была обнаружена непосредственная связь.

Эта новая, фантастическая и не освоенная еще сознанием картина мира куда вернее отражала реальный мир, чем та, которую рисовали себе физики предыдущих поколений. К счастью, новооткрытые черты природы не противоречили старым — они лишь дополняли их и проявлялись только в тех случаях, когда скорости тел становились сравнимыми со скоростью света. При обычных же скоростях эти новые свойства можно было обнаружить с помощью самых чувствительных приборов, да и то в особых случаях; и мир снова превращался в обжитой и уютный ньютоновский мир. Классическая механика по-прежнему оставалась в нем законодательницей. Но теперь ученым были уже известны пределы ее владений: она оставалась справедливой только при скоростях, значительно меньше световых. Когда же скорость тел становилась сравнимой со скоростью света, следовало пользоваться новыми, открытыми Эйнштейном законами.

Теория относительности — великое завоевание человеческого ума, и всемирная слава не зря сопутствовала выдающемуся физику-мыслителю на протяжении всей его жизни. Но Эйнштейн создал не только теорию относительности. В том же 1905 году он, опираясь на закон Столетова и на известную нам работу Планка, объяснил явление фотоэффекта и тем самым положил начало новому пониманию процессов взаимодействия света с веществом. Если бы Эйнштейн за всю свою жизнь не дал бы науке ничего, кроме формулы фотоэффекта и ее толкования, то и этого было бы достаточно, чтобы его заслуги перед наукой не уступали заслугам многих ученых, навсегда оставивших по себе память в истории физики.

Для того чтобы отличать кванты световой энергии от прочих квантов, их назвали фотонами. Энергия фотонов (или величина квантов излучаемой энергии) меняется в зависимости от длины волны излучаемого света. В то же время она строго неизменна для данной длины волны. Мы помним также, что исследования фотоэффекта показали, что скорость выбитого из фотокатода электрона зависит только от длины волны падающего света, но не зависит от его интенсивности. Этот факт полностью противоречил волновой теории и, в частности, математическому определению энергии света, вытекающему из этой теории.

Эйнштейн, объясняя явление фотоэффекта, отказался от волновой теории — он понимал, что никакие искусственные построения не смогут спасти ее. Он пошел по другому пути, который, возможно, подсказала удивительная общность между фактами излучения энергии черным телом и фактами, обнаруженными при исследовании фотоэффекта.

Вот эти уже известные нам факты:

1. Энергия (или скорость) электрона, выбитого светом из фотокатода, при освещении монохроматическим светом неизменной длины волны всегда одна и та же. Чем короче длина волны падающего света, тем больше энергия (или скорость) электрона.

2. Энергия излученного фотона при неизменной длине волны всегда одна и та же. Энергия фотона тем выше, чем короче длина волны излучаемого света.

Вот выводы, к которым пришел Эйнштейн, проанализировав эти факты:

1. Энергия фотона, проникшего в вещество фотокатода, целиком и полностью отдается только одному из электронов, находящемуся в веществе фотокатода.

2. Повышение энергии электрона, выражающееся в повышении его скорости, приводит при достаточной величине энергии фотона к вылету электрона из фотокатода. Чем выше энергия фотона, тем больше энергия (скорость) вылетевшего электрона. Последнее на языке волновой теории выражается так: чем короче волна падающего света, тем выше энергия (скорость) выбитого из фотокатода электрона.

3. Чем выше интенсивность света, тем, следовательно, больше фотонов в единицу времени падает на фотокатод, тем больше выбивается из него электронов, то есть тем больше ток.

Именно эти выводы и положены в основу объяснения явления фотоэффекта. Они позволяют создать не только качественную, но и количественную теорию этого явления.

Однако это далеко не все. Определение светового кванта — фотона, данное Планком чисто математически, ничего не говорило о физической сущности фотона; оно описывало только его энергию. Но о том, как ведет себя фотон в пространстве, каким, хотя бы очень приближенно, следует представлять его, никто до Эйнштейна не говорил. Пояснить понятие фотона Эйнштейну помогла созданная им теория относительности.

Один из важных выводов этой теории говорит, что фотон обладает массой. Правда, в отличие от обычных тел, фотон не имеет массы покоя. Его вообще нельзя мыслить неподвижным — он может перемещаться в пространстве только со скоростью света, ибо он и есть свет, вернее, частица его. Но не та ньютоновская корпускула, которая представлялась как некое мельчайшее зернышко, как некое абсолютно упругое тельце и которую вполне можно представить себе неподвижной в пространстве и неизменной во времени. Нет, фотон совсем не таков: он весь в движении, он не может существовать вне его.

И все же, несмотря на такие необычайные свойства фотона, многие признаки дали ученым право отнести его к разряду частиц и, следовательно, вновь пересмотреть свои воззрения на природу света.

В наши дни свет уже не считается волновым явлением в классическом смысле этого слова.

Как же быть в таком случае с волновыми представлениями? Неужели волновая теория неверна и от нее следует отказаться? К счастью, нет. Не только не следует, но и невозможно перечеркнуть волновую теорию. Ибо она по-прежнему верно отражает и объясняет огромное количество фактов, широкое многообразие проявлений света. Но не все. Теперь мы знаем, что волновая теория хоть и верна, но не всеобъемлюща. Иными словами, она не является универсальной теорией, так как не в состоянии объяснить, например, такое явление, как фотоэффект. Точно так же не была универсальной и теория света, в создании которой участвовал Эйнштейн. Новая корпускулярная, или квантовая, теория, дав объяснение фотоэффекта и других явлений и даже предсказав новые важные факты, столкнулась с непреодолимыми трудностями при попытке объяснить с помощью новых понятий явления интерференции и дифракции.

Вот какое положение сложилось в оптике после возникновения новой теории света.

В одних случаях ученым по-прежнему приходилось пользоваться волновой теорией, в других — новыми представлениями, новой теорией. Правда, между двумя этими теориями не было «непроходимой пропасти»; целый ряд фактов, таких, например, как давление света, не противоречил обеим теориям. И это давало надежду создать такую теорию, которая с равным успехом была бы применима как для объяснения явлений интерференции и дифракции, так и явлений излучения черного тела и фотоэффекта.

И действительно, в годы последовавшего бурного развития было сделано многое, для того чтобы осмыслить и устранить подобную двойственность теорий, двойственность понимания природы света.

В эти годы учеными был открыт поразительный факт, показывавший, что электрон, подобно свету, может в отдельных случаях толковаться как частица, а в других случаях — как волна. Иными словами, они открыли, что в некоторых условиях электрон ведет себя как волна.

Длина волны, связанной с электроном, зависит от его скорости. Чем скорость выше, тем короче волна. Так, при ускорении электрона в электростатическом поле конденсатора, к обкладкам которого приложено напряжение 25 тысяч вольт, длина волны, связанной с электроном, будет равна 0,0075 миллимикрона, или 7,5 ангстрема. Движущийся электрон, встречаясь на своем пути с малым (сравнимым с длиной волны) препятствием, так же, как и свет, испытывает дифракцию. А это ли не самое очевидное доказательство его волновых свойств?!

Проявление электроном столь, казалось бы, противоположных свойств подтверждает гениальное высказывание Владимира Ильича Ленина, который в книге «Материализм и эмпириокритицизм» писал:

«„Сущность“ вещей или „субстанция“ тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом…»

Иногда понимают это утверждение Ленина как прямое указание на дальнейшую «механистическую» делимость электрона. Отрицать в настоящее время возможность такого разделения когда-либо в будущем, видимо, нельзя. Но Владимир Ильич говорил не об этом — он утверждал лишь неисчерпаемость электрона как объект человеческого познания. И правота его слов теперь блестяще подтверждена уже известными ступенями познания электрона: лучи — частица — волна. И, чем глубже мы будем проникать в тайны природы, тем больше различных свойств того же электрона будет нам открываться.

Это в полной мере относится и к познанию света. Современным уровнем знаний никоим образом не исчерпывается история развития физических представлений о свете. Они будут обогащаться и углубляться, пока будет развиваться сама физика, ибо свет — один из самых важных объектов этой науки.

* * *

Итак, рассказ о природе света закончен, вернее, прерван на том месте, где следовало бы перейти к самым современным, значительно более полным и точным воззрениям на природу света. Можно было бы продолжить рассказ дальше, но тем не менее здесь это не будет сделано.

И вот по каким причинам.

Прежде всего потому, что современная теория света оперирует такими понятиями, которые коренным образом отличаются от понятий и явлений, воспринимаемых непосредственно нашими чувствами. Говоря о современных понятиях теории света, советский физик, академик Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) указывал, что они не могут быть представлены в воображении или описаны словами, — описать их можно только языком математики.

«Наши механистические понятия, — писал он, — не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов».

Кроме того, нынешний этап развития теории света далеко еще не завершен, и это обстоятельство еще более усугубляет трудности популярного ее изложения.

Мы можем сказать только то, что физикам удалось если не полностью, то в значительной степени продвинуться в деле создания единой теории света, которая в равной мере правильно объясняет все известные на сегодня явления в области оптики. Эта теория одновременно позволила ученым значительно глубже понять природу света.

Стоит еще раз подчеркнуть, что современный этап развития науки о свете еще далеко не завершен. Поэтому, по мере того как будут накапливаться новые факты, открываемые благодаря совершенствованию техники экспериментов, по мере развития теоретических методов представления о свете будут становиться все более глубокими и точными.

Не следует забывать, что современный этап развития оптики не есть последний. Известно, что создать абсолютную теорию невозможно. И все то, о чем пришлось узнать читателю, подтверждало эти слова. Но эта порой очень острая борьба теорий ни в коем случае не говорит, что рано или поздно каждая теория должна отмереть полностью, а ее должна сменить новая и тоже смертная теория. Было бы неверным так понимать историю развития науки.

В самом деле. Вы можете проследить, что умершая корпускулярная теория не исчезла бесследно. Она возродилась, но уже на основе огромного количества новых знаний. Эта теория не упразднила волновую, она лишь дополнила ее. Самая же новая теория света использовала и ту и другую теорию. Во многом отличаясь от своих предшественниц, она все же объединила их, а не отбросила как негодные. И в то же время новая теория указала границы применимости старых. И в этих границах можно пользоваться ими даже с большей уверенностью, чем до того, как эти границы стали известны.

Подобное случилось и с классической механикой, законы которой вы изучаете в школе. Вначале она была единственной, и поэтому никто не знал, до каких же пределов она справедлива. Затем была создана механика, построенная на постулатах теории относительности. Это вовсе не означало, что классическая механика неверна. Нет, она правильна, но не всеобъемлюща. Не исключено, что то же самое произойдет и с теорией относительности. Со временем ее так же может заменить какая-то новая, неизвестная сейчас теория. Однако теория относительности подтверждена столькими фактами, что ее ни в коем случае не удастся отбросить как совершенно неверную.

В настоящее время в физике уже раздается критика в адрес этой теории. А некоторые ученые, даже такой известный, как Поль Дирак, вновь поднимают вопрос о существовании некоей мировой среды, которая в некотором смысле напоминает эфир. Трудно сказать, сколько правоты в нынешних критиках, и неясно, насколько обоснована точка зрения Дирака. Истина, как известно, рождается в спорах. И наука только выигрывает от споров, сосредоточенных на узловых ее вопросах, но она проигрывает, когда в ход пускается необоснованная критика. Это стоит запомнить читателям, среди которых, быть может, находится и тот, кому придется сказать новое слово в физике.

Вторая причина, которая позволяет не останавливаться подробно на современном этапе развития оптики, значительно проще.

Если этот незавершенный рассказ понятен читателю, то в подобном отсутствии завершенности нет особой беды. Ведь в этой книге история развития воззрений на природу света прервана не на первой попавшейся строке. Рассказ был окончен как раз на том состоянии вопроса, которое полностью соответствует пониманию природы света, господствующему и поныне во всех тех отраслях науки и техники, где свет широко используется, но не исследуется.

Иными словами, и по настоящий день вполне закономерно рассматривать свет либо как волновое явление, либо как квантовое, в зависимости от области его использования. Так, при разработке оптических систем для микроскопов, телескопов, фотоаппаратов и тому подобного пользуются исключительно волновой теорией света, а при разработке приборов, основанных на явлении фотоэффекта, опираются на квантовые представления о свете.

Именно так и следует рассматривать свет читателю. Подобная точка зрения не устареет в практике в течение многих лет. Насколько она верна, показывают замечательные успехи в деле практического применения и использования света. О них вы и узнаете из последующих глав.