Глава I. Начала

Глава I. Начала

Старт

Кто знает, вращающаяся ли палочка, трущаяся о сухую чурку, или огниво, кресало и трут были первыми средствами получения огня, освободившими наших пращуров от необходимости постоянно поддерживать огонь, подаренный им природой. Для нас важнее то, что люди научились заимствовать огонь от Солнца. Они применили для этой цели стеклянные сосуды, наполненные водой, или отшлифованные в виде зерна чечевицы прозрачные кристаллы кварца. Они пленили свет. Смена дня и ночи, жар Солнца и блеск Луны, сполохи молний и свет костра! Человек не мог не думать о свете.

Эвклид, создатель геометрии, написал и первый труд, посвященный свету. В его «Оптике» сформулирован закон, определяющий поведение световых лучей, закон отражения света от зеркал: угол падения равен углу отражения.

Люди пользуются этим законом более двух тысяч лет. Еще раньше стало ясным, что свет распространяется по прямой. У Эвклида луч света служит символом прямой линии. Понадобилось столетие, чтобы убедиться в том, что «закон природы», сформулированный человеком, может быть нарушен.

Земляк Эвклида — Птолемей учитывал искривление лучей света в атмосфере при своих замечательных астрономических наблюдениях. Но, несмотря на высокую точность измерений, и Птолемей ошибся. Он счел, что угол преломления пропорционален углу падения. Что, впрочем, не сильно отличалось от истины при тех небольших углах, с которыми имел дело Птолемей.

В течение более чем пятнадцати веков те, кого называли учеными, считали, что в оптике все кристально ясно. Ремесленники все лучше и лучше шлифовали линзы для людей, страдавших плохим зрением. Венецианские и голландские мастера комбинировали свои линзы в зрительные трубки, чудесным образом приближавшие отдаленные предметы и обнаруживавшие удивительные детали при рассмотрении близких предметов.

Даже великий Галилей, усовершенствовавший голландскую трубку и направивший свой телескоп на Солнце, Луну и планеты, по-видимому, особенно не задумывался над тем, как эта трубка действует.

Лишь через тридцать лет после того, как Галилей сообщил потрясенным современникам о том, что и на Солнце бывают пятна, а планета Юпитер имеет четыре луны, появилось сочинение под названием «Диоптика». Его автором был французский философ, физик и математик Декарт. Он стремился привести все доступные ему знания в соответствие с общей картиной мироздания, созданной им в результате критического анализа работ предшественников и строгих логических построений.

Мало кто всерьез отнесся к трудам легкомысленного офицера. Репутация автора не располагала к доверию. Декарт после окончания колледжа вел бурную жизнь офицера, участвуя в Тридцатилетней войне, отдавая должное светской жизни. Мало кто знал, что он выкраивал время для занятий философией и математикой.

В тридцать лет он почувствовал непреодолимую тягу к науке. Ему исполнилось тридцать два, когда им были закончены «Правила для руководства ума», изданные лишь посмертно. Деятельность, враждебная схоластике и церковному догматизму, заставила Декарта покинуть родину и поселиться в Голландии, где он прожил двадцать наиболее плодотворных лет, до 1649 года, когда преследования церковников вынудили его переехать в Швецию. Здесь он вскоре умер.

Причины

В «Диоптике» Декарт систематизировал сведения об оптических явлениях, пришедшие почти неизменными из глубокой древности. Все они были чисто описательными. Он же стремился вскрыть причины явлений и отыскать в них внутренние закономерности. Декарт полностью отрицал возможность действия на расстоянии. Он был убежден, что всякое действие передается через давление и толчки. Никаких других сил в то время никто не знал. Все процессы, с его точки зрения, сводятся к пространственному перемещению тел.

Каждый человек ощущал в жаркий день нестерпимое давление солнечных лучей. Не удивительно, что Декарт считал, что свет — не что иное, как передача давления от источника через особую тонкую среду, заполняющую все пространство. Древние ученые приготовили слово, подходящее в качестве названия для этой среды, — «эфир». Так эфир вошел в науку. Декарт описал механические свойства среды, способной, по его мнению, передавать давление с бесконечной скоростью на любые расстояния.

Декарт включил в «Диоптику» наряду с законом отражения света, пришедшим от Эвклида, и закон преломления света, открытый им самим за семь лет до выхода его книги. В то время не было принято спешить с опубликованием открытий, даже таких, которые опровергают закон великого Птолемея, считавшийся неоспоримым свыше полутора тысяч лет. Впрочем, впоследствии оказалось, что голландец Снеллиус установил тот же закон опытным путем за девять лет до Декарта и вовсе не счел нужным его опубликовать.

— Ну и порядки, — сказал один из моих знакомых физиков, прочитав это место рукописи, — теперь я вижу пользу изучения истории науки. А ведь мы негодуем, когда редакция журнала задерживает наши заметки на лишний месяц! — Подумав немного, он добавил: — Не понимаю, почему в учебниках этот закон все же называется законом Снеллиуса. Ученый работает не для себя, глупо держать полученные результаты под спудом. Они принадлежат людям. Их необходимо публиковать!

Да, не те времена, не те и песни. Другой темп, иное отношение к науке и ее творцам. В то время наука лишь медленно набирала темп после мертвящего застоя средневековья. Прошло еще около тридцати лет до следующего шага, когда Гук в своей «Микрографии» объяснил свет быстрыми и очень малыми колебаниями, проходящими через эфир на наибольшее вообразимое расстояние за наименьшее вообразимое время. Гук уже знает, как объяснить происхождение радужных цветов, когда белый свет проходит через призму. Он заново выводит закон преломления Декарта — Снеллиуса и говорит, что угол преломления зависит от цвета.

Впрочем, он должен был и это знать из книги Декарта «Метеоры», в которой дано объяснение механизма возникновения радуги: первая радуга появляется в результате двукратного преломления и одного отражения света в капле, а вторая радуга есть результат двух преломлений и двух отражений. Декарт даже подтвердил свою теорию опытом по преломлению света в стеклянных шарах.

Однако не в характере Гука было ссылаться на чужие результаты.

Лишь через четверть века после «Микрографии» вышел из печати «Трактат о свете» Гюйгенса. Труд вылеживался в виде рукописи целых двенадцать лет. Однако открытия, сделанные Гюйгенсом, были столь важными, что быстро стали известными. В то время ученые охотно переписывались между собой.

Гюйгенс ввел в науку световые волны как упругие возмущения, распространяющиеся во множестве чрезвычайно малых и весьма жестких сферических частиц эфира, проникающих сквозь все тела. Он также выдвинул общий принцип, позволяющий путем геометрических построений определить направление распространения любого волнового процесса.

Гюйгенс был, пожалуй, первым выдающимся представителем нового типа ученых. Он достиг незаурядных успехов в фундаментальных исследованиях в области математики и физики, но не менее ценными были его технические изобретения и конструкции. Разносторонность его необычайна. В молодости он отдавал предпочтение математике и астрономии. Открыл спутник Сатурна и его кольца. Основываясь на работах Галилея, изобрел маятниковые часы, а затем, участвуя в конкурсе, объявленном Британским адмиралтейством, изобрел вращающийся маятник-балансир и на его основе создал часы, не боявшиеся корабельной качки. Интересно, что Гюйгенс был избран иностранным членом Лондонского королевского общества в том же 1663 году, когда членом этого общества избрали и Гука, совместно с которым он установил важнейшие постоянные точки термометра — точку таяния льда и точку кипения воды.

Обыкновенные и необыкновенные лучи

В 1678 году Гюйгенс прочитал членам Парижской академии наук свой «Трактат о свете». В нем объяснены причины того, что происходит со светом при отражении и преломлении, в частности, при странном преломлении исландским шпатом. Продолжая традиции Декарта, требовавшего критического отношения к любому знанию, Гюйгенс в начале своего трактата вскрывает важную ошибку Декарта. Гюйгенс прямым расчетом показывает, что вывод о бесконечной скорости света, полученный Декартом на основании наблюдения затмений Луны, неубедителен из-за недостаточной точности наблюдений. «Они позволяют лишь утверждать, — пишет Гюйгенс, — что скорость света в сто тысяч раз больше скорости звука». Далее Гюйгенс использует изумительные наблюдения движения спутников Юпитера, проделанные за два года до того Ремером с целью определения скорости света. Проделав нужные вычисления и получив огромную величину, Гюйгенс восклицает: «И все же это нечто совсем отличное от мгновенного распространения, так как разница здесь такая же, как между конечной вещью и бесконечной».

В своих представлениях о природе света Гюйгенс во многом близок к Гуку: свет — это упругие импульсы в эфире, считает он, но нигде не пользуется понятием длины волны и не предполагает, что волны света имеют определенный период.

Несмотря на свою геометричность, метод Гюйгенса, основанный на построении сферических волновых фронтов, позволил ему, следуя традиции Декарта, вывести законы отражения и преломления света, которые до того принимались просто как опытные факты и не имели объяснения.

Мощь и эффективность своего принципа распространения света Гюйгенс продемонстрировал, объяснив таинственное расщепление луча света на два отдельных луча в кристаллах исландского шпата.

Гюйгенс назвал один из этих лучей «обыкновенным», ибо он подчинялся закону преломления Декарта, а другой — «необыкновенным», так как он нарушает этот закон и преломляется «неправильно».

«Двойное лучепреломление» открыто Братолином в 1669 году и казалось современникам не только необъяснимым, но и противоречащим всему, что написано о свете, в том числе Декартом и Гуком.

Возможность объяснить двойное лучепреломление была чрезвычайно важна для Гюйгенса, ибо его принцип приводил к противоречию с Гуком в важнейшем пункте, а именно в объяснении закона преломления света. И тот и другой выводили закон преломления из различия скоростей света по обе стороны границы двух сред. Например, границы воздуха и стекла. При этом показатель преломления, по Гюйгенсу, выражается отношением скорости света в первой среде к его скорости во второй. У Гука же получалось обратное отношение. А экспериментальные возможности были таковы, что об измерении скорости света в лабораторных условиях не могло быть и речи.

Впрочем, можно понять, почему Гюйгенс не пошел до конца в разработке волновой теории света. Он исходил из аналогии многих оптических явлений с акустическими. А акустика имеет дело со звуковыми волнами. Но при распространении звука частицы воздуха колеблются вдоль направления, по которому бежит волна. Если свет действительно такая же продольная волна в эфире, то совершенно невозможно объяснить явление поляризации света, открытое самим Гюйгенсом при исследовании двойного лучепреломления. Ведь оба луча, на которые распадался луч света, падающий на кристалл исландского шпата, совершенно различны и преломляются по-разному. Ничего подобного в акустике нет и быть не может.

Звуковые волны не способны распространяться подобно свету. Солнечный свет, в этом может убедиться каждый, проходит через отверстие в ставне в виде узкого, четко ограниченного луча. А звук, проходя даже через узкий канал в каменной стене, заполняет всю комнату.

Нет, Гюйгенс, которого принято считать создателем волновой теории света, сделал только первый шаг. Он даже не попытался объяснить открытое Гримальди явление дифракции — огибание светом препятствий, хотя книга Гримальди «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» появилась задолго до трактата Гюйгенса.

Волновые идеи уже тогда носились в воздухе, и Гримальди, обнаруживший огибание света вокруг препятствий, не мог обойтись без представления о волнах. Но в его понимании свет не был собственно волнами, он представлял себе свет жидкостью, двигающейся быстро через пространство и прозрачные тела. Воображение рисовало Гримальди, как волны появляются в световой жидкости при ударе ее о края препятствия, что заставляет световую жидкость затекать за препятствия совсем так, как вода в ручье обтекает камни. Гримальди на правах первооткрывателя назвал это явление дифракцией. Оно навсегда осталось в науке, выйдя далеко за пределы оптики и наполнившись совершенно новым содержанием.

Впрочем, не только название, придуманное Гримальди, дожило до наших дней. Гримальди первым составил карту Луны и дал дошедшие до нас имена многим деталям ее видимой поверхности.

Титан

Случаю было угодно, чтобы в том же 1665 году, когда вышли в свет и посмертное издание трактата о свете Гримальди, и «Микрография» Гука, окончил Тринитиколледж в Кембридже и получил степень бакалавра фермерский сын, сирота Исаак Ньютон. Уже в студенческие годы замкнутый юноша начал разрабатывать идеи, вознесшие его выше всех естествоиспытателей мира. Он много спорил с Гуком, который иногда стремился доказать, что кое в чем опередил Ньютона. Впрочем, и другие ученые имели основания обвинять Гука в стремлении присвоить чужие достижения. Дискуссии с Гуком привели, в частности, к тому, что Ньютон не публиковал своих работ в области оптики до смерти Гука.

Ньютон считал свет потоком частиц-корпускул. И, тем не менее он лучше всех современников понимал всю важность периодических свойств света. Ведь, наблюдая цветные кольца, которые каждый может увидеть, положив слабовыпуклую стеклянную линзу на плоскую пластинку и измеряя их размеры, Ньютон мог вычислить длины волн, соответствующие различным цветам. Однако Ньютон понимал, что, уподобив волны света волнам звука, нельзя не только объяснить двойного лучепреломления, но и невозможно описать прямолинейное распространение световых лучей. Все это заставило Ньютона прийти к выводу о телесности света и считать свет потоком корпускул.

Но глубокое изучение явления дифракции света и его поляризации при двойном лучепреломлении привело Ньютона к выводу о недостаточности простой корпускулярной теории. И он сделал великий шаг, попытавшись объединить волновые и корпускулярные свойства света в единое явление.

В синтетической теории свет по-прежнему выступал потоком частиц, вылетающих из источника света, но предполагалось, что движение частиц через эфир возбуждает в нем волны. Волны опережают порождающие их частицы и, набегая на препятствия, заставляют частицы искривлять свой путь, огибая препятствия. Частицы, летящие далеко от края препятствия, движутся прямолинейно, не испытывая никакого воздействия.

Такая теория могла объяснить все оптические явления, известные Ньютону. Но он вынужден был отказаться от нее, ибо существование эфира не согласовывалось с наличием солнечной системы. Ньютон не мог понять, почему эфир не препятствует движению планет!

Сегодня, с вершины XX века, нам легко сказать, что проникновение в сущность света — задача, непосильная одному человеку, сколь бы велик он ни был. Однако величие Ньютона проявилось не только в его достижениях, но и в его ошибках. Например, изучив процесс разложения белого света на составляющие его цвета и получив белый свет сведением воедино радужной полоски, Ньютон связал эти явления с одним из типов искажений изображения в линзах. Это искажение — возникновение радужных каемок на краях изображения — казалось ему неустранимым. И... Ньютон создает зеркальный телескоп, свободный от этого недостатка. Зеркальные телескопы и поныне являются наиболее мощными астрономическими приборами.

Исследования хроматической аберрации и история зеркального телескопа позволяют добавить несколько черточек к характеристике личности Ньютона. Бельгийский физик Лукас приобрел известность тем, что, повторив опыты Ньютона по преломлению света в призме, обнаружил численное расхождение своих результатов с ньютоновскими. Ньютон утверждал, что Лукас ошибся, не дав себе труда повторить опыт. Теперь мы знаем, что они пользовались призмами из различных сортов стекла. И нам трудно понять, почему это осталось незамеченным.

Зеркальный телескоп создан Ньютоном целиком на основе собственных исследований и расчетов. Однако не значит, что он был первым. В то время уже существовали достаточно крупные телескопы, совершенно не имевшие линз. А упоминание о зеркальных телескопах встречается еще в трудах Галилея.

Величие Ньютона проявилось и в том, что, сознавая трудность корпускулярной теории, не способной объяснить периодические свойства света, и не имея возможности принять существование эфира, он не занял здесь какой-либо определенной позиции, не пресек, не ограничил авторитетом своего имени дальнейшие исследования.

Но всегда находятся католики, желающие быть святее папы. После смерти Ньютона постепенно забылось, что в последнем издании его «Оптики» он приводит семь аргументов в пользу волновой теории и лишь один против нее. Последователи возвели в абсолют его корпускулярную теорию, и она заняла господствующее положение вплоть до начала XIX века, тормозя развитие науки.

Возрождение

Перелом произошел, когда Юнг возродил волновую теорию для объяснения интерференции, а Френель решил наконец с ее помощью и проблему дифракции.

Томас Юнг начал заниматься физикой и математикой в восьмилетнем возрасте, когда большинство детей лишь начинает знакомиться с азбукой и арифметикой. Через год он приступил к изучению иностранных языков, а также латинского, греческого, древнееврейского и арабского. В это время его главным увлечением стала ботаника. Казалось, мальчика ожидает судьба большинства вундеркиндов — популярность в детстве и быстрое забвение. Но Юнг избежал столь печальной участи. В двадцать лет он опубликовал «Наблюдения над процессом зрения». Здесь на основе своих опытов он поставил под сомнение корпускулярную теорию света, уже, безусловно, отождествлявшуюся с именем Ньютона, и высказался за волновую теорию.

Его дерзость вызвала бурю. Под давлением критики правоверных ньютонианцев Юнг признал необоснованность своих взглядов и на время прекратил занятия оптикой. Он усиленно трудился, готовясь к получению диплома доктора медицины.

Однако мысли о природе света не были оставлены. Опубликованный Юнгом в 1800 году трактат «Опыты и проблемы по звуку и свету» позволяет отчасти заглянуть не только в его физический кабинет, но и в ту чисто психологическую сферу, которую теперь принято называть творческой лабораторией ученого. Юнг упоминает о том месте из третьей книги знаменитого труда Ньютона — «Математические начала натуральной философии», где говорится о работах астронома Галлея, наблюдавшего аномально высокие приливы, возникающие в некоторых местах Филиппинского архипелага. Ньютон объясняет их взаимным наложением приливных волн.

Хорошему артисту достаточно одного слова суфлера, чтобы свободно провести сложный монолог, конечно, если артист достаточно подготовлен к роли предыдущей самостоятельной работой.

Юнг был готов! Частный пример, относящийся к столь далекой от оптики теории приливов, был толчком, породившим лавину.

«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера... Представьте себе далее, что по какой-либо аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, проходящих... с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся, если... вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».

Чисто умозрительное заключение Юнг подтверждает простым и наглядным опытом. Замечательный опыт Юнга может повторить каждый. В куске картона нужно проколоть булавкой два небольших отверстия и осветить их солнечным светом, проходящим через отверстие в закрытом ставне. На противоположной стене или на специальном белом экране возникнет чередование светлых и темных полос: светлые полосы там, где световые волны, проходящие через оба отверстия, накладываются согласованно (в фазе), а темные — там, где они гасят друг друга (накладываются в противофазе).

Если закрыть одно из отверстий, то полосы исчезают. Остаются лишь дифракционные кольца, которые наблюдал еще Гримальди. Исчезают полосы и при открывании ставня, когда узкий пучок света, падающий на оба отверстия, заменяется широким. Так проводил свои опыты Гримальди и, конечно, не мог обнаружить полос.

Работу Юнга восприняли с недоверием, а его соотечественники — англичане насмехались над дилетантом, покусившимся на великое наследие Ньютона. Но теперь Юнг не сдавался.

Луч из волн

Одновременно с Юнгом, ничего не зная о его работах, оптическими исследованиями занимался еще один дилетант, французский дорожный инженер Огюстен Френель. Он участвовал в борьбе против Наполеона, и во время чисток, проходивших в период «Ста дней» после возвращения Наполеона с Эльбы, Френель уехал в деревню. Здесь он начал систематические исследования в области оптики, Средства его были ограничены, столь же бедными были и его экспериментальные возможности. Но мощь интеллекта и привычка обходиться простыми математическими методами позволяли ему извлекать из примитивных опытов поразительные результаты. А инженерная хватка и требовательность к надежности каждого результата делали его опыты безупречными.

Френель начал с изучения теней от малых предметов. В наиболее чистом виде это можно сделать при помощи тонких проволок. И Френель обнаружил систему чередующихся полос, заменяющих резкую границу тени, которую следовало ожидать, исходя из корпускулярной теории. Стоило поднести к проволоке с одной ее стороны край непрозрачного экрана, как светлые полосы внутри тени исчезали. Оставались лишь темные полосы в освещенной части, которые наблюдал еще Гримальди.

Френель объяснил возникновение светлых полос внутри области тени наложением двух частей световой волны, огибающих проволоку с обеих сторон. Так он самостоятельно пришел к пониманию интерференции света.

Впоследствии, узнав о работах Юнга и его опытах с двумя отверстиями и желая полностью отделить явление интерференции от явления дифракции на краях отверстия, Френель придумал опыт с двумя зеркалами и сдвоенной призмой. Это позволило ему расщеплять и вновь сводить вместе световые волны, проходящие через узкую щель, и наблюдать прекрасные интерференционные картины, знакомые теперь любому школьнику.

Френель объединил принцип интерференции с методом элементарных волн и огибающей волны, введенным Гюйгенсом. Получилась законченная система. Притом элементарные волны и их огибающая уже не были чисто геометрическим понятием и способом построения, как у Гюйгенса, но стали самой сущностью световой волны. Френель не ограничился этим, он дал математическую формулировку волновой теории света.

Он показал, что отдельные участки волнового фронта, исходящего из светящейся точки, порождают вторичные волны таким образом, что они полностью гасят друг друга — все, за исключением небольшой центральной части, расположенной на прямой, соединяющей источник света с освещаемой точкой.

Так был разрешен вековой парадокс, стоявший на пути волновой теории света. Найдено объяснение прямолинейных световых лучей, возникающих и остающихся узкими, несмотря на волновую природу света. Вот оно: все волны, отклоняющиеся от прямой, полностью гасят друг друга. Все они гасятся, не препятствуя распространению узкого луча, состоящего из центральных участков волн, бегущих прямолинейно.

Френель сумел математически рассчитать все детали процесса, приводящего к огибанию световых волн вокруг краев предметов, указав, в частности, как этот процесс зависит от длины волны. Так была наконец построена теория дифракции.

Великие математики — Лаплас и Пуассон, а также некоторые физики считали инженера Френеля дилетантом и в математике. Первые статьи Френеля о дифракции подверглись их критике за отсутствие математической строгости.

Парадокс

Через несколько лет Френель заново формулирует свои результаты и представляет их на конкурс Парижской академии наук. Работу рассматривает специальная комиссия — Лаплас, Пуассон, Араго, Био, Гей-Люссак. Трое первых — убежденные ньютонианцы, сторонники корпускулярной теории света. Араго склонялся к волновой теории света, но, как экспериментатор, не мог противостоять безупречной математической логике Лапласа и Пуассона. Гей-Люссак занимался исследованием свойств газов, химией и изучением множества частных вопросов, ни один из которых не имел отношения к оптике. Академики понимали, что Гей-Люссак не может являться авторитетом по существу работы Френеля, но, по-видимому, ввели его в комиссию в расчете на его беспристрастие и безупречную честность. Впрочем, научная добросовестность всех членов комиссии была выше всяких подозрений.

Пуассон столь глубоко изучил мемуар Френеля (в то время термин «мемуар» имел значение современного термина «монография»), что сумел обнаружить удивительный вывод, следующий из расчетов Френеля. Из расчетов следовало, что в центре тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно быть светлое пятно. Пятна должны исчезать и появляться вновь по мере отодвигания от диска экрана, на котором наблюдается это явление.

Более того, на оси, соединяющей точечный источник света с небольшим отверстием, тоже должны наблюдаться чередования света и тени. Согласовать такой парадокс с представлением о корпускулах, летящих вдоль луча света, было невозможно.

Комиссия согласилась с мнением Пуассона о том, что это противоречит здравому смыслу, и предложила Френелю подтвердить свою теорию опытом. Комиссия считала, что такой опыт решит давний спор между волновой и корпускулярной теориями.

Араго помог Френелю выполнить решающий эксперимент. «Здравый смысл» был посрамлен, Френель получил премию, волновая теория света, казалось, восторжествовала навсегда. Однако в это время из пучин научного океана выглянула скала, грозившая потопить прекрасный корабль волновой теории Френеля.

Тупик

Мало известный теперь физик Малюс обнаружил, что свет поляризуется не только при прохождении через исландский шпат, но и при простом отражении или преломлении на границе двух сред. Открытие Малюса легко объяснялось свойствами корпускул света, которым Ньютон приписывал асимметрию или полярность. По его выражению, каждый луч света имеет две стороны. Поэтому явления поляризации света считались в то время сильнейшим аргументом в пользу корпускулярной теории.

Блестящая интуиция Френеля заставила его пренебречь авторитетом Ньютона. Он пошел по пути Гюйгенса, от которого он заимствовал аналогию световых волн с акустическими. Он понимал, что волновая теория не способна объяснить опыты Малюса и все известное людям до и после него о поляризации света, если не считать волны света поперечными, подобными тем, что каждый видел на поверхности воды. Такое предположение выдвигали еще Гримальди и Гук, но в остальном их представления о световых волнах были наивными и туманными. Но во времена Френеля о поперечности световых волн уже не думал никто. Не помышлял о поперечности световых волн и Френель. Из его ранних статей, докладов и писем неясно, пытался ли он, оставаясь в рамках гипотезы продольных волн, справиться с проблемой поляризации или просто пренебрег этой трудностью во имя объяснения всех остальных известных ему свойств света. Ясно одно. Френель убежден в несостоятельности корпускулярной теории. Ньютоновское объяснение поляризации казалось ему столь неубедительным, что он считал его несуществующим. А если так, то единственный грех волновой теории он не считал смертным грехом.

Известно, что Био и Араго тоже провели ряд замечательных исследований в области поляризации света. Работы Био чрезвычайно укрепили его уверенность в справедливости корпускулярной природы света. Араго открыл поляризацию рассеянного света неба и обнаружил хроматическую поляризацию, но, считая важным лишь обнаружение новых фактов, в надежде на то, что со временем они улягутся в рамки будущей теории, он предпочитал не задумываться над трудностями, казавшимися ему непреодолимыми. Араго вместе с Френелем систематически изучал интерференцию поляризованных лучей. В ходе работ они совместно установили, что два луча света, поляризованные в параллельных плоскостях, способны интерферировать между собой, в то время как лучи, поляризованные перпендикулярно, не гасят друг друга никогда!

Для того чтобы осознать весь драматизм возникшей ситуации, необходимо встать на точку зрения ученых первой четверти прошлого века. Ведь, отказываясь от корпускулярной теории света, они имели только один путь — считать свет волнами эфира. О свойствах эфира в то время предпочитали не говорить. Давно прошли времена, когда можно было обсуждать размер и форму частиц эфира и спорить о том, состоит ли он из частиц или является плотной жидкостью. Опыт, этот кумир нового времени, не давал для таких суждений никаких оснований. Ученые поклонялись фактам. Известно лишь, что эфир не препятствует движению тел. Ни вечному вращению планет, ни движению малых тел, ускорения и скорости которых можно изменять и измерять в ходе опытов.

Из аналогии с акустикой было понятно, что эфир, эта тончайшая невесомая среда способна к передаче того процесса, который мы воспринимаем как свет. Знаменитый Ампер, один из основоположников учения об электричестве, еще в 1815 году сказал Френелю, что явления поляризации можно понять, предположив, что световые колебания эфира поперечны, в отличие от звуковых волн в воздухе, частицы которого колеблются вдоль направления распространения звука. Френелю такая мысль показалась совершенно дикой. Ведь поперечные колебания возможны только в твердых телах!

Юнг, узнавший об опытах Араго и Френеля с поляризованным светом, тоже подумал о поперечных колебаниях эфира, но писал лишь о «воображаемом поперечном движении». Был ли он еще напуган приемом, оказанным его соотечественниками теории интерференции, или ему самому мысль о поперечных колебаниях эфира казалась слишком фантастической, нельзя установить ни из его статей, ни из писем. Несколько лет сторонники волновой теории чувствовали свое бессилие перед загадкой поляризации света и старались обходить тупик стороной. Сторонники корпускулярной теории торжествовали.

Скачок

Нужно было иметь величайшее мужество, чтобы в таких условиях сделать шаг, совершенный Френелем. Он решился на это лишь в 1821 году, после многих лет безуспешных попыток.

Свет является поперечными колебаниями эфира, писал Френель. Араго, друг и сотрудник Френеля, отказался присоединиться к такой гипотезе и не захотел быть его соавтором в этой крамольной статье. Ведь, признав поперечность света, он должен был принять и то, что эфир, невесомый и всепроникающий эфир, тверже стали! Тверже стали, но свободно проникает сквозь все тела или свободно пропускает их сквозь себя! Такое казалось невозможным в то время, время абсолютного господства механики. Френелю противостоял объединенный фронт ньютонианцев и сторонников его собственной волновой теории. За последующие несколько лет Френель, работая в полном одиночестве, более того, встречая иногда открытое неодобрение, полностью перестроил свою волновую теорию света.

Теперь, когда в уравнения введены изменения, отражающие поперечный характер световых волн, из них, как следствия, получались описания всех известных явлений, связанных с поляризацией света. Были, конечно, и трудности. Трудности, связанные с эфиром. Для их преодоления Френель ввел одну-единственную гипотезу. Это было огромным скачком по сравнению со всеми вариантами корпускулярной теории света, где приходилось вводить массу дополнительных гипотез, специфических чуть ли не для каждого нового явления, частично противоречащих одна другой и, несмотря ни на что, обеспечивавших во многих случаях лишь очень приближенные совпадения с опытом.

Единственная гипотеза Френеля состояла в том, что, хотя эфир никак не влияет на движения материальных тел, тела, в которые он проникает, изменяют механические свойства эфира. Чем плотнее тело, тем меньше скорость поперечных колебаний эфира внутри его. Основываясь на такой гипотезе, Френель построил математическую теорию, объяснившую, в частности, многовековую тайну преломления света. Световая волна, переходящая из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, частично поворачивает обратно и лишь частично проникает внутрь. Если волна падает на границу вещества под углом, то ее отраженная часть уходит от поверхности под тем же углом (Эвклид), а та часть, которая идет внутрь вещества, преломляется в соответствии с законом Декарта — Снеллиуса.

Но в отличие от известных ранее чисто качественных законов формулы Френеля предсказывали, как распределится энергия падающей волны между отраженной и преломленной волнами. И опыт с огромной точностью подтвердил предсказание для всех прозрачных веществ и любых углов падения света на границу вещества.

Из теории Френеля следовала и зависимость скорости света от свойств вещества. Как и в других вариантах волновой теории, и у него скорость света предполагалась максимальной в свободном эфире (в пустоте).

Лишь через четверть века Фуко смог осуществить очевидное доказательство справедливости этого предсказания. Измеренная им скорость света в воде составляла лишь 3/4 скорости света в воздухе. Но Френель не дожил до триумфа своей теории.

На долю Френеля выпала прекрасная участь бороться и побеждать. Трудности возникали и до его разрыва с Араго в связи с переходом к идее о поперечных колебаниях эфира. Ведь волновая теория, опирающаяся на понятие эфира, в любом варианте должна была ответить на вопрос о движении эфира. Всюду ли он неподвижен, или часть его, находящаяся внутри тел, движется вместе с ними? Еще в 1725 году Бредли, изучая положение некоторых звезд, обнаружил, что во время кульминации, то есть при прохождении через плоскость меридиана, они кажутся отклоненными к югу. Трехлетние наблюдения показали ему, что неподвижные звезды как бы описывают эллипсы на небесной сфере. Бредли правильно объяснил такое явление, позже названное аберрацией, сложением скорости света, идущего от звезды, со скоростью движения Земли по ее орбите. Этим была окончательно доказана конечность скорости света.

Блестящий экспериментатор, Араго понял, что свет звезд может помочь провести решающую проверку справедливости корпускулярной теории света. Он проверил, влияет ли движение Земли на преломление света звезд. Результат оказался отрицательным и убедил Араго в том, что от корпускулярной теории следует отказаться. Но как быть с волновой теорией? Араго обратился с таким вопросом к Френелю.

Компромисс

Ответ гласил: «Да, и отсутствие влияния движения Земли на преломление, и явление аберрации легко объясняются, если считать, что движущиеся тела увлекают за собой эфир, но не полностью, а частично». Эта единственная гипотеза позволила Френелю объяснить все известные в то время оптические явления, связанные с движением тел. Гипотеза подтверждалась и исследованиями открытого позднее эффекта Доплера, заключающегося в изменении цвета излучения или высоты звука в зависимости от движения источника или наблюдателя.

Физо подтвердил гипотезу Френеля, измерив скорость света, проходящего в текущей воде в направлении ее течения и против течения. В конце прошлого века к подобному результату пришел замечательный экспериментатор Майкельсон. Но гипотеза частичного увлечения казалась многим слишком искусственной. Уже Стокс пытался сформулировать компромиссную гипотезу — в телах эфир увлекается полностью, вдали от них он неподвижен. Однако это было слишком сложно.

Френель давно уже лежал в могиле, и никто из последователей не мог выбраться из противоречий. Несмотря на смятение, результаты проведенных Френелем исследований свойств эфира, имеющих сейчас только исторический интерес, не только сохранили свое значение в оптике, но и легли в основу новой области науки — общей теории упругости, развитой после Френеля такими выдающимися математиками, как Коши, Пуассон, Грин и Ламе.

Однако, как и другие революционные теории, теория Френеля еще долго встречала сопротивление старшего поколения ученых, воспитанных на идеях корпускулярной теории света. Можно сказать, что спекуляция на авторитете Ньютона вызывала застой в оптике, сравнимый, пожалуй, лишь с многовековым оцепенением науки под гипнотизирующим влиянием величия Аристотеля.

Брюстер, совершивший ряд важных открытий в оптике кристаллов, известный каждому школьнику в связи с замечательным углом Брюстера, при котором отраженный луч полностью поляризован, завоевавший популярность среди современников изобретением калейдоскопа, игрушки, ставшей теперь анонимной, Брюстер отрицал теорию Френеля. Ибо она приписывала богу «грубую идею заполнить все пространство эфиром только для того, чтобы создать свет».

Араго был первым, узнавшим от Френеля о необходимости признать поперечность колебаний эфира. Он решительно отверг эту идею и не примирился с ней даже через четверть века, несмотря на упомянутый выше опыт Фуко, подтвердивший важное следствие теории об уменьшении скорости света в телах. Араго справедливо считал, что такой вывод следует и из прежних волновых теорий. Био отрицал теорию Френеля всю свою жизнь. Но все больше молодых физиков следовало за Френелем.

Долой эфир, долой корпускулы!

Лишь один из ученых старшего поколения отдал должное интуиции и настойчивости Френеля. Им оказался ирландский математик и астроном Гамильтон. Ему принадлежат замечательные работы в области теории комплексных чисел и механики. Интересовался он и общими принципами развития науки.

Гамильтон, пожалуй, первым четко выделил две фазы характерные для развития каждой области науки. Сперва человек обнаруживает неизвестные ранее факты и систематизирует их, пока ему не удается обнаружить в первоначальной груде несвязанных явлений некоторые закономерности, охватывающие группу фактов. Так постепенно наука поднимается до понимания внутреннего единства разнообразных явлений и процессов. После этого может быть построена теория, не только объясняющая с единой точки зрения все известное ранее, но и способная предсказать неизвестные явления и закономерности. Говоря более четким языком, ученый на первой стадии познания восходит от отдельных фактов к законам; на второй стадии он нисходит от законов к следствиям. Орудие первой стадии — индукция и анализ, орудие второй — дедукция и синтез. На первой стадии основную роль играют фантазия и смелость, на второй — логика и строгость.

Френель совершил потрясающий скачок от первой стадии ко второй. Нужно было обладать величайшим воображением и смелостью, чтобы предвидеть поперечные колебания в незримом и неощутимом эфире, несмотря на очевидные противоречия со здравым смыслом, рождающиеся от этого предположения. Требовалась огромная работа, почти непосильная для человека, снедаемого туберкулезом и имевшего лишь инженерную подготовку, для того чтобы создать математическое здание теории и получить из нее следствия, неведомые ранее. Гамильтон и личной склонностью и научной подготовкой принадлежал к людям, сфера которых — математическая строгость. Его шокировала необходимость признавать за эфиром одновременно и невесомость, и абсолютную твердость. Он не мог примириться с массой противоречивых гипотез корпускулярной теории света. В работе Френеля его привлекало внутреннее единство. Он чувствовал, что упругий эфир, из которого исходил Френель, по существу, является излишним. Гамильтон решил создать формальную математическую теорию света, не связанную ни с какой конкретной моделью. Он хотел, чтобы теория исходила из минимума общих принципов и описывала на их основе все известные факты.

Гасконец

В качестве исходного пункта Гамильтон выбирает принцип Ферма, пришедшего в конце своей жизни к утверждению о том, что свет распространяется по простейшему пути. Ферма, современник Декарта и юрист по профессии, был выдающимся математиком, во многом опередившим своих современников. Среди широкой публики он известен своей великой теоремой, решение которой до сих пор не получил никто. Суть ее очень проста. Ферма утверждал, что простейшее уравнение xⁿ + yⁿ = zⁿ, где n — целое число, большее двух, не может быть удовлетворено никакими положительными целыми числами. В справедливости утверждения Ферма может убедиться каждый, стоит только попробовать. Но почему это так?

В свое время за доказательство теоремы предлагалась большая премия, но математики настояли на ее отмене. Они задыхались под обязанностью разбираться в нескончаемом потоке «доказательств», шедших от любителей легких денег, привлеченных кажущейся простотой задачи. Теперь ясно, что теорему Ферма нельзя доказать без создания новых глубоких методов в теории уравнений.

Случилось так, что Ферма прочитал книгу по оптике, написанную его другом де ла Шамбром. Автор выводил в ней законы преломления света, следуя давно забытым утверждениям Герона, жившего за сотню лет до нашей эры. Герон исходил из метафизического принципа, согласно которому природа всегда действует по кратчайшему пути. В четвертом постулате, относящемся к свойствам зеркал, Герон указывает, что из всех лучей, испытавших отражение и соединяющих две точки, минимальны те, которые отражаются под равными углами. Минимальны — значит короче других.

Беда в том, что в ряде случаев, при отражении от вогнутых зеркал свет шел по наиболее длинному пути. Как быть с принципом Герона, столь милым сердцу любителей общих принципов?

Ферма утверждал, что длина пути менее важна, чем простота. Прямая проще кривой. Если рассматривать не все вогнутое зеркало, а прямую, касательную к нему в точке падения света, все станет ясным. По отношению к прямой путь света самый короткий. Так можно примирить четвертый постулат Герона с общим принципом простоты. Ферма немедленно нашел из этого принципа и закон преломления. Но, как и в случае великой теоремы, никто не мог понять, каким образом он это сделал. Ферма обещал де ла Шамбру представить свой путь доказательства по первому требованию, но оттягивал выполнение обещания целых четыре года. Декарт обратил внимание на то, что Ферма был гасконцем. Лишь 1 января 1662 года Ферма доказал, что и гасконцы способны выполнять свои обещания. В новогоднем письме де ла Шамбру он уточняет, что природа стремится не просто к кратчайшему пути, а к пути, проходимому за кратчайшее время! Закон преломления получился с удивительной непосредственностью. Но, к сожалению, Декарта уже не было в живых, и он не мог оценить остроумие гасконца.

И вот Гамильтон поставил своей целью вывести все законы оптики из одного принципа. Он хотел следовать Лагранжу, который построил всю аналитическую механику, исходя из принципа наименьшего действия. Гамильтон понимал, что этот принцип, как и принцип Ферма, выведен из метафизических соображений об экономии в природе. Но, еще более уточнив формулировку Ферма, он говорит об экстремальном, стационарном или варьируемом действии.

Гамильтону удалось свести математическую формулировку этого принципа всего к двум математическим уравнениям. Из уравнений как простые следствия получались все законы оптики и механики. В них не было ни эфира, ни корпускул. Они давали все то, и только то, что поддавалось опытной проверке.

Может быть, уже здесь следует упомянуть о том, что именно метод Гамильтона лежит в основе современной квантовой механики. Наука наиболее рельефно выявляет связь между поколениями. Научные идеи не признают границ. Но глубоко ошибется желающий сопоставить развитие науки с неуклонным, безостановочным течением могучей реки. Прогресс науки сродни капризному течению горной речки, порой разбегающейся на множество рукавов, застаивающейся в заводях и мчащейся по бурным перекатам.

Самородок

В начале прошлого века тринадцатилетний сын лондонского кузнеца после кратковременного пребывания в начальной школе поступил в обучение к переплетчику. Там он мог утолить свою жажду чтения. Стоит ли думать о том, как сложилась бы его судьба и история науки, если бы ему пришлось обучаться другому ремеслу?

Майкл Фарадей не просто читал, а набирался знаний. Начал посещать публичные лекции. Лекции замечательного химика Дэви покорили юношу, и он послал Дэви письмо с просьбой принять его на работу. Так Фарадей проложил себе дорогу в науку.

Естественно, что, начав работать с Дэви, Майкл стал химиком. Но его тянуло к физике. Отсутствие систематических знаний математики наложило характерный отпечаток на все исследования Фарадея. Он был смелым и гениальным экспериментатором. Некоторые ограничивают его роль именно великими экспериментальными открытиями. Но он был, пожалуй, еще более великим провидцем. Стремился и умел находить общность в казалось отдаленнейших областях науки, в совершенно несхожих явлениях. Он был глубоким теоретиком, способным проникать мысленным взором в самую суть вещей и явлений, и формулировал свои мысли в столь четкой форме, что и в словесном выражении они не уступали математическим теоремам. Вот что писал по этому поводу Максвелл: «По мере того как я продвигался вперед в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстает нам облаченным в одежду общепринятых математических формул...»

Фарадей пришел к глубокому убеждению о единстве природы и стремился отыскивать все новые и новые доказательства единства.