3.3. Огюст Френель (1788-1827)

3.3. Огюст Френель (1788-1827)

С 1801 по 1804 год Юнг — профессор Королевского Института в Лондоне по специальности математическая физика. К этому периоду относятся его основные физические работы. В 1807 году он публикует двухтомный «Курс лекций по натуральной философии и механическим искусствам», где изложены его идеи и конкретные результаты. В течение нескольких лет Юнг был секретарем Лондонского Королевского Общества. Внешняя канва его жизни складывалась ровно и благополучно, но в последние годы жизни Юнг много болел, физикой не занимался, а работал в основном над египетским словарем.

^{Огюст Френель (1788-1827)}

Огюст Френель родился в г. Брольи в старой Нормандии. Его отец был архитектором, его мать, урожденная Мериме, была двоюродной сестрой писателя Проспера Мериме. Но сам Френель не имел никаких гуманитарных наклонностей. Сначала он вообще не проявлял интереса к учению. Читать научился к восьми годам, а единственный, кроме родного, язык — английский — он так и не смог как следует выучить до конца жизни, несмотря на необходимость знакомиться с английской научной литературой и вести переписку. Но Френель получил хорошее математическое образование, закончив Политехническую школу, а затем школу инженеров путей сообщения. Он был человеком одной цели, одной страсти и родился экспериментатором «от Бога». Почти всю свою жизнь он провел в трудных материальных и бытовых условиях, работал в одиночестве. Лишь изредка ему помогал брат. Не имея лаборатории и достаточных средств на покупку оборудования, он ухитрялся мастерить приборы из простейших доступных приспособлений и делал с их помощью прецизионные измерения. Он вел замкнутую, холостую жизнь, в основном на зарплату инженера по строительству мостов и дорог, и тратил на физические исследования небольшое отцовское наследство.

Юнг и Френель шли в науке, как два корабля параллельным курсом; обычно Юнг бывал чуть впереди, но Френель, двигаясь независимо, оставлял за собой территорию, изученную значительно глубже.

Юнг начинал в 1800-1802 годах с работ, в которых он, как в свое время Гюйгенс, пытался развить аналогию между светом и звуком. Распространение света представлялось ему как волновой процесс, причем допускались только продольные волны сжатия и разрежения в гипотетической эфирной среде. (Другие, поперечные, колебания казались абсолютно невозможными в веществе, которое определенно не является твердым.) Чтобы внешне как-то смягчить свои расхождения со сложившимися к тому времени научными установками, Юнг часто ссылается на Ньютона, давая понять, что Учитель тоже допускал подобную ересь (имеются ввиду волны в эфире), — нужно только внимательнее его читать. Тем не менее, Юнга это не спасло от нападок.

Исходные идеи Юнга сводились к следующим положениям:

1. Пространство заполнено эфиром, переносящим свет. Эфир — разреженная среда (имеет малую плотность), но обладает высокой упругостью, что необходимо для передачи колебаний большой частоты.

2. Когда тело светится, оно возбуждает колебания в окружающем эфире.

3. Ощущения различных цветов зависят от частоты вибраций, возбуждаемых светом в сетчатке глаза.

4. Все тела притягивают эфир, поэтому плотность эфира в них больше, чем в окружающем пространстве, что необходимо для объяснения законов преломления света.

Главное достижение Юнга — это открытие и систематическое использование принципа интерференции световых лучей. (Сам термин «интерференция света» был введен Юнгом.) С помощью этого принципа он описал дифракцию света, объяснил им же поставленный и ставший впоследствии классическим опыт по прохождению света через две тонких щели — опыт, который часто рассматривается как доказательство волновой картины. В рамках своих представлений он описал преломление и отражение света, явление окрашивания тонких пластинок и происхождение колец Ньютона, то есть основных фактов, с которых сейчас начинается изучение оптики в школе. Но его теория не описывала появление двух волн, сферической и сфероидальной, которые еще со времен Гюйгенса вводились в волновой теории для объяснения двойного лучепреломления в исландском шпате. (Сейчас мы знаем, благодаря Френелю, что это явление связано с поляризацией, которая в картину продольных волн Юнга никак не вписывалась.) Кроме того, Юнг был слабый математик, поэтому его аргументация обычно бывала чисто словесной, а теории плохо разработаны. Интуиция Юнга поразительна, но это стало ясно позже, а в то время влияние его работ было невелико. Например, Лаплас продолжал математическое развитие корпускулярной теории уже после работ Юнга, как будто ничего не произошло. В 1807-1810 годах У. Гершель печатает работы, где пытается объяснить кольца Ньютона, исходя из корпускулярных воззрений, при этом даже не ссылается на Юнга, который, кстати, опубликовал свои статьи в том же журнале.

И это не случайно. То, что описывалось в волновой картине, при различных дополнительных предположениях всегда удавалось интерпретировать по-другому. Усложнения корпускулярной теории позволяли все время увеличивать область ее применимости и продлевали ей жизнь. Правда, жизнь эта постепенно, с накоплением данных, становилась совсем некрасивой, но считалось, что лучшего выхода нет. Кроме того, существовал простой факт прямолинейности световых лучей, который выглядел неразрешимой загадкой в волновой картине. А в 1808 году возникли новые проблемы, когда французский физик Э. Малюс (1775-1812), наблюдая сквозь пластинку исландского шпата свет, преломленный в окнах Люксембургского дворца, случайно обнаружил явление, которое вскоре было им правильно интерпретировано как следствие «поляризации». На самом деле, с поляризацией света (не вводя этого термина) столкнулись еще Гюйгенс и Ньютон, анализируя разделение луча на «обыкновенный» и «необыкновенный» в кристаллике исландского шпата, но это рассматривалось как единичное явление, связанное не со светом, а со специальным уникальным свойством упомянутого кристалла. Здесь же обнаружилось, что поляризация возникает при отражении от любых прозрачных сред, что она является внутренним свойством самого света, и в корпускулярной теории она естественно связывалась с ориентацией «полюсов» световых частиц. Но не было никакого разумного способа ввести степени свободы, характеризующие поляризацию, в волновой картине продольных световых колебаний плотности эфира. Нужно сказать, что интуиция не подвела Юнга и в этом вопросе: он первый сказал, что для объяснения явления поляризации нужно считать световые колебания поперечными, хотя сам тут же признал трудность такой гипотезы — ведь для этого эфир должен быть «абсолютно твердым». (В поперечных колебаниях частички эфира смещаются перпендикулярно направлению луча света, при этом они должны быстро возвращаться назад за счет огромной поперечной упругой силы. Такие свойства наблюдались в природе только в твердых телах, где частицы — атомы в кристалле, по современным представлениям, — жестко закреплены в определенных положениях. Заметим, что детальной математической теории распространения колебаний в твердых и текучих средах в то время еще не было, но качественная картина представлялась достаточно верно.)

В таких условиях в 1815 году началась работа в физике Огюста Френеля. Она закончилась через девять лет, в 1824 году, и после этого в мировой науке не осталось серьезных людей, которые взялись бы обсуждать оптику с корпускулярной точки зрения!

Еще в 1814 году, сидя в провинции, Френель в письме к брату просит его прислать элементарный учебник по физике. (Политехническая школа в Париже, которую Френель закончил в 1809 году, давала выпускникам прекрасную математическую подготовку. В сравнении с ней программа по физике кажется очень скромной: не было ни ярких преподавателей, ни хороших учебников.) В том же году он просит сообщить ему что-нибудь о поляризации света: «Ты не можешь себе представить, как мне хотелось бы знать, что это такое. Мне кажется, что Малюс сделал это открытие... Пришли мне какой-нибудь мемуар, который бы ввел меня в курс дела». И чуть позже, в том же году, то есть в 26 лет, еще не владея материалом, он пишет: «Я полагаю (речь идет об объяснении прямолинейности световых лучей. — М.В.Т.), что того же можно добиться в гипотезе колебаний, если лучше присмотреться». И далее: «Я признаюсь тебе, что испытываю большой соблазн верить в колебания особой жидкости для передачи света и тепла». Почему его выдающиеся современники, которые знали гораздо больше, такие как Лаплас, Араго, Малюс, Био и многие, многие другие, думают совершенно иначе? Что заставляет еще незрелого физика с уверенностью выбрать свой, независимый и, в конечном счете, верный путь?

В политике Френель был в то время доверчивым человеком, который многого ждал от возвращения Бурбонов. Роялистскую хартию 1814 года он считал чистосердечной и видел в ней основание свободы и начало возрождения. Ранее, в дни наполеоновской Империи, национальные победы при Аустерлице и Йене не радовали его, так как укрепляли деспотизм. В начале 1815 года Френель оказался на стороне роялистов в попытке воспрепятствовать возвращению Наполеона в Париж после бегства из ссылки с острова Эльба. Попытка, как известно, не удалась: высадившись на юге Франции, «корсиканский людоед» через 15 суток, к 15 марта 1815 года, подошел к «своему верному Парижу» уже в качестве «Его Императорского Величества». Начались 100 дней вторичного правления Наполеона, а скромный инженер О. Френель отправился в отставку и в изгнание. К счастью, он был наказан нестрого и смог поселиться у матери, в местечке Матье. После вторичной реставрации Бурбонов о нем, естественно, вспомнили не сразу. Только в декабре 1815 года он снова получил назначение — в г. Рен, в управление мостов и дорог.

Начав в Матье с повторения результатов Юнга, о которых Френель ничего не знал, он уже не прекращает поразительную по плодотворности деятельность в оптике. Вплоть до 1818 года все его исследования опираются на представления о продольных световых колебаниях (хотя на самом деле для рассматриваемого круга вопросов характер колебаний, продольный или поперечный, был пока не существен).

К 1819 году закончен первый, удостоенный премии Академии Наук, мемуар Френеля по дифракции и интерференции, где, в частности, Френель строго доказывает, что последовательное применение волновой картины ведет к прямолинейности световых лучей. Рассматривая по Гюйгенсу все точки сферического светового фронта как источники новых сферических волн, он показывает, что вторичные волны гасятся во всех направлениях, кроме того единственного, который отвечает направлению светового луча. Таким образом, пало главное возражение против волновой оптики. В этом же мемуаре Френель разрабатывает математический аппарат для описания интерференции и дифракции (появляются «интегралы Френеля» и пр.).

Теперь Френель все время поддерживает связь с Л. Араго, в то время сотрудником Института, а позже академиком, который лучше и раньше других оценил Френеля, снабжал его информацией, участвовал в постановке и обсуждении отдельных опытов, организовывал длительные поездки Френеля в Париж, а затем, в 1817 году, помог ему получить постоянную работу в Парижском округе. Роль Араго в качестве «доброго гения» Френеля не менее важна, чем все его заслуги в науке. В 1817 году Араго знакомит Френеля с письмом Юнга, в котором последний говорит о необходимости поперечных колебаний в связи с явлением поляризации (в этом случае появляются две недостающие степени свободы, отвечающие колебаниям эфира перпендикулярно к распространению луча в двух взаимно перпендикулярных плоскостях). Идея, возможно, обдумывалась Френелем раньше, но только начиная с 1818-1819 годов, его исследования опираются уже исключительно на представления о поперечных волнах. Френель не пытался дать последовательную динамическую теорию распространения таких волн, а занимался в основном феноменологией. В истории науки снова возникла ситуация, когда для того, чтобы сильно продвинуться дальше, нужно было крепко «зажмурить глаза» и не рассматривать неразрешимые вопросы, которые не имеют в данный момент отношения к описанию рассматриваемого узкого круга явлений.

В 1822 году Френелем представлен в Академию мемуар о двойном преломлении световых лучей в кристаллах. В 1821—1825 годах разработан, а в 1826 году опубликован второй мемуар о двойном лучепреломлении, являющийся, по существу, изложением новой науки — кристаллооптики. Обилие идей, а также простых и красивых результатов в этом сочинении, особенно с учетом того обстоятельства, что многие факты в кристаллооптике к тому времени вообще не имели естественного объяснения в корпускулярной теории или же требовали чрезвычайно сложных построений, — все это в совокупности служило убедительным доказательством адекватности волновых представлений и картины поперечных волн.

Короткая деятельность Френеля в науке отмечена и другими важными результатами, о которых здесь не было сказано. Кроме того, он предложил несколько блестящих решений технологических проблем, когда работал в комиссии по улучшению системы маяков. Френель умер от туберкулеза 14 июля 1827 года в возрасте 39-ти лет. Его последние три года прошли в тяжелой борьбе с болезнью. Он уже не работал над физическими проблемами, так как с трудом справлялся со своими обязательными делами по службе, которые давали ему средства к существованию. Но эти годы отмечены постепенным признанием его заслуг. В 1823 году (со второго «захода») он выбран во Французскую Академию, с 1825 года он член Королевского Общества в Англии. Уже к середине XIX века Френель был справедливо оценен как человек, который «составил честь Франции и своего века».

Френель сделал для современников несомненным существование оптического эфира. Но он был далек от того, чтобы дать законченную мысленную картину распространения света, его теории на сей счет имеют кусочный характер. Он правильно использует одни динамические принципы (например, сохранение живой силы), но пренебрегает другими (например, непрерывностью в нормальных компонентах сцепления частиц эфира на границе раздела двух сред). С одной стороны, Френель получает яркие точные результаты, с другой, — свободно формулирует неясные гипотезы, которые требуют обоснования, причем в ряде случаев возможность такого обоснования не очевидна. Например, Френель без доказательств запрещает распространение продольных волн в эфире, поскольку только поперечных волн достаточно для объяснения опытных данных, но совершенно неясно, может ли в принципе существовать среда, обеспечивающая такое свойство. Впоследствии на протяжении сотни лет многие выдающиеся физики пытались теоретически обосновать некоторые френелевские гипотезы.

После Френеля математики Навье, Пуассон, Коши, Стоке и другие начали разрабатывать строгую механическую теорию движения непрерывных упругих сред. Параллельно стали возникать физические модели эфира, в рамках которых с помощью строгой математики можно было бы надеяться описать все наблюдаемые оптические явления. Вскоре, как мы увидим, цели стали более амбициозными, так как появилась необходимость включить в рассмотрение электромагнетизм. Такая деятельность началась в 40-е годы и продолжалась, не ослабевая, до конца XIX столетия. В ней принимали участие лучшие умы и была проявлена необычайная изобретательность. Все это в конечном счете оказалось ненужным, но в 70-е годы отсюда возник побочный плод, который стал главным научным достижением века и, по-видимому, одним из важнейших результатов в физике за все время. Речь идет об уравнениях Максвелла. Но прежде, чем переходить к этой части истории, мы кратко расскажем, что происходило в электромагнетизме после Эрстеда, когда Френель осуществлял свою революцию в оптике.