Сенсации, сенсации! А ведь в то время не одни лишь любители легких сенсаций, но даже и более серьезные ученые не догадывались о том, что физика только-только выбирается из острейшего кризиса, в который вверг ее луч… обыкновенного, каждодневно видимого нами света.
Война научных миров
Ни в одной области физики ученые не поломали в борьбе столько копий, как в вопросе о природе света. Знаменитую поговорку "Ученье свет, а неученье - тьма" в недавние времена можно было перефразировать как "Ученье о свете - тьма".
Нам придется снова ненадолго заглянуть в великую книгу истории. Откроем те ее страницы, которые повествуют о научных подвигах Исаака Ньютона. Мы без труда убедимся в величайшей широте "спектра" его научных интересов.
Кстати, сам спектр - тоже открытие Ньютона. Кроме механики, он немало занимался и оптикой. Казалось, нельзя было пройти при этом мимо такого интересного и в те времена совершенно загадочного вопроса, как вопрос о природе света. Но Ньютон прошел. А вернее, уделил этому вопросу слишком мало внимания. Если учесть масштабы его гения, это равносильно полному пренебрежению. И в этом проявляется характернейшая черта ньютоновской манеры работать. Главное для него - получить результат, а результат пусть объясняют другие. Но все-таки, что не вполне справедливо, корпускулярную теорию света ведут от Ньютона.
Нагретые тела светятся, испуская крошечные световые "искры" - корпускулы. Ненагретые тела светятся, отражая корпускулы. Попадая в глаз, эти частички и вызывают ощущение света. Корпускулы разных цветов имеют разную массу.
Что же, все это можно сегодня прочитать в школьном учебнике физики под рубрикой "Взгляды Ньютона на природу света". Дальше можно бы привести такой мысленный диалог Ньютона с "нашим корреспондентом":
- Вы согласны с вышесказанным, уважаемый сэр Айзек?
- Не могу сказать, что не разделяю этого взгляда, досточтимый мой собеседник. Но могу сказать, что я не вполне доверяю этой сомнительной гипотезе.
- А какая же несомненная, уважаемый сэр?
- Я гипотез не строю! Все гипотезы сомнительны, мой друг. Я полагаю, что предпочтение правильной из них отдаст время.
- Вы, простите, уклоняетесь от ответа, сэр Айзек!
- Мой друг, вы правы. Я работаю с данной гипотезой за неимением лучшей, но не требуйте от меня еще, чтобы я признал ее правильной.
"Наш корреспондент" откланивается. На пороге его встречают ученики:
- Ну, что сказал великий учитель?
- Да ничего, ни да ни нет!
- Это его скромность! Он никогда ни во что окончательно не верит!
- Ну, а вы-то? - спрашивает огорченный "корреспондент".
- А для нас световые частички так же ясны, как божий день! Мы горой стоим за эту идею.
И действительно, весь восемнадцатый век стояли горой - грозно и… недвижимо. Во всяком случае, первое утро девятнадцатого века застает эти представления о свете почти в том же младенческом состоянии, что и во времена сэра Айзека.
Пока что и "старый враг" дремлет. Собственно, он на каких-нибудь несколько лет моложе представлений, о которых мы только что говорили. Светом во времена Ньютона занимались не только в Англии. И в 1672 году в Парижскую академию наук поступает "Трактат о свете" голландца Христиана Гюйгенса.
Париж в те годы - центр мира. Парижская академия наук - центр ученого мира. Со всех концов Европы шлют туда свои работы ученые и считают честью для себя, когда эти работы выходят в свет в Париже. Но всяко бывает в этом веселом городе: бывает, что работы годами валяются в шкафах академиков, бывает, что и вовсе пропадают.
Обижаться? Не стоит. И Гюйгенс терпеливо ждет целых восемнадцать лет. Наконец, за пять лет до смерти, он получает свежие оттиски своего "Трактата".
В нем доказывается, что свет - это продольные волны в некоей нематериальной среде, которая впоследствии получит название эфира. Сложные геометрические построения, формулы - вот это уже не ньютоновское "ни да ни нет", а суровое и точное изложение взгляда. Теория кажется убедительной. Она, кроме того, имеет еще преимущество перед своей соперницей в том, что, в отличие от той, правильно решает задачу о преломлении света.
Но сторонников в восемнадцатом веке она почти не находит. Тут числом не возьмешь: тогда, на нашу сегодняшнюю мерку, физиков почти не было!
Первое утро девятнадцатого века видит оживление в стане сторонников волновой теории Гюйгенса. Собственно говоря, все это оживление производит один человек - англичанин Томас Юнг. Без преувеличения сказать, биография одного только Юнга могла бы снять со всех англичан обвинение в чопорности и холодном темпераменте. Циркач, музыкант, математик, языковед, физик - и все это на полном серьезе, на высочайшем уровне и в прямом и переносном смысле.
Да, такой человек может оживить целую науку! Действительно, "на минуточку" заглянув в застывший храм оптики, Юнг сразу же делает крупнейшее открытие - открывает интерференцию света. Оно и определяет крутой поворот в ходе войны обеих теорий.
Через двадцать лет - после трудов французской "могучей кучки" в составе Этьена Малю, Доминика Араго и, наконец, Огюстена Френеля - о корпускулярной "ньютоновской" теории света никто и не вспоминает. Разгром ее кажется полным и окончательным.
Вплоть до сокровенных тонкостей поведения света - все объяснила волновая теория. А спустя тридцать лет Джемс Максвелл, наконец, выясняет, что за волны - свет. Оказывается - электромагнитные.
Сомнительная победа
"Тебя погубят твои же дети" - эти знаменитые слова древнего предостережения можно начертать у дверей любой новой научной теории.
Да, это так. Научная теория переживает робкое детство и могучую юность, когда теория словно шутя расправляется с труднейшими задачами, недоступными для ее предшественниц. Со временем к ней приходит и зрелость, когда теория словно разливается вширь, охватывая новые, ею же предсказанные явления, устанавливая контакты с другими областями науки. Это время ее торжества, время наивысшего расцвета… Затем подкрадывается старость - в непрерывных сражениях с новыми фактами, открытыми благодаря самой же теории, но которые она бессильна объяснить.
Тогда наступает, на первый взгляд, застой в теории. Ее верные приверженцы выбиваются из сил, пытаясь как-то оживить ее. Другие бессильно опускают руки и уходят в другие области науки, где положение не кажется таким безнадежным.
Но остаются еще и третьи. В тиши кабинетов они вынашивают дерзкие идеи, которые уже никак не лезут в тесные рамки старой теории. Неприметные вначале, эти идеи в один действительно прекрасный день рушат стены того же дома, в котором они родились. Вот когда наука делает прыжок вперед!
Так случилось и с учением о свете в конце прошлого века. После первых внушительных побед волновой теории оптика быстро вышла на широкую практическую дорогу. И - совершенно закономерно - за решением вопроса о природе света на повестку дня стал вопрос: а как, собственно говоря, возникает сам свет?
- Стоило ли ломать голову! - воскликнет неискушенный читатель: нагрей любое тело, и оно начнет светиться.
Правильно. Это видно и без особых умственных усилий. Но все же, почему нагретые тела испускают свет?
Наш неискушенный критик, кажется, задумался. Ну ничего, пускай думает - это полезно. Десятки теоретиков думали над этим с виду простым вопросом десятки лет.
Трудностей здесь было сразу несколько. Во-первых, что испускает свет при нагревании тел? Очевидно, то, из чего они состоят, - атомы. Свет - это электромагнитные волны (что доказал Максвелл). А электромагнитные волны испускает любой электрический заряд при своем движении (Максвелл это установил "на бумаге", а Герц - в своих знаменитых опытах).
То, что атом в целом электрически нейтрален, физиков уже не смущает. Коль скоро были произнесены слова "атом в целом", то это уже доказывает, что ученые додумались до "атома не в целом". Действительно, уже кончается девятнадцатый век, идея электрона носится в воздухе и только ждет своего воплощения в открытии Томсона.
Можно перескочить через кой-какие нерешенные "мелочи" и сразу заявить: электромагнитные волны испускаются электронами, движущимися в атомах. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее это движение, тем более яркий свет вырывается из атомов.
Все? Нет, не все. Электромагнитные волны уносят с собой энергию. Откуда они ее берут? От электрона, конечно. Поэтому, излучая волны, электрон вынужден замедлять свое движение.
Теперь второе обстоятельство. В электромагнитном излучении зарядов должны, как непреложно доказывает теория, присутствовать волны всевозможных частот. Как говорят физики, спектр этого излучения должен быть непрерывным.
Если бы вы "нацелили" свой радиоприемник на такой электрон, то не было бы необходимости в его настройке: электрон был бы слышен на всех волнах. А пустив электронное излучение на призму, вы должны были бы получить сплошную цветную полосу на экране.
- Солнце за меня! - воскликнете вы и будете правы. Солнце, действительно, "выдает" практически именно такой спектр. Но не единственный же оно источник света на свете. И лампочка за меня! - тоже верно.
Но намочите в соленой воде тряпочку, высушите и подожгите ее. Чем не источник света?
А посмотрите на его свет сквозь призму. Вам долго придется искать взглядом в полнейшей темноте, пока вы не натолкнетесь на узенькую желтую линию. Вместо непрерывного спектра - сплошной провал, и на нем одна-единственная линия! То есть электромагнитные волны от тряпочки, вымоченной в соли, имеют одну-единственную частоту.