https://sheba.spb.ru/za/9cvetov-radugi-1963.htm
Александр Израилевич Штейнгауз
Девять цветов радуги
*** 1963 ***
https://sheba.spb.ru/za/9cvetov-radugi-1963.htm
Александр Израилевич Штейнгауз
Девять цветов радуги
*** 1963 ***
DjVu
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
ПОЛНЫЙ ТЕКСТ КНИГИ
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, сколько цветов в радуге? Семь, а может быть, девять, как говорит название книги? Оказывается, их значительно больше, но в то же время название книги правильное. Почему же это так?
Из этой книги вы узнаете, что такое свет видимый и невидимый, как он помогает людям познавать и исследовать окружающий мир, проникать в глубь вещества и в космос. Кроме того, вы прочтете о том, как человек научился видеть в темноте, передавать на огромные расстояния изображения и запечатлевать процессы, длящиеся миллионные доли секунды. Обо всем этом и о других новых достижениях науки и техники рассказано в книге «Девять цветов радуги».
СОДЕРЖАНИЕ
СВЕТ
Кусок стекла 6
О простых опытах, которые объяснили очень сложные явления и даже радугу 8
Вопросы и ответы 14
На каком языке говорит наука 17
Слово из словаря 19
Вольный сын эфира 23
За и против 25
О поисках и снова о звонках 28
Тень и свет 33
Свет и электричество 36
Два открытия 39
Спектр электромагнитных колебаний 41
Необыкновенные хвосты 47
Мельчайшие из мельчайших 49
Фотоэффект 56
Вместо паузы 63
После кризиса 65
ГЛАЗ И ЗРЕНИЕ
Вместо вступления 73
Наши глаза 74
Свойства человеческого глаза 83
Цвета 102
От фактов к теории 112
Необъяснимые явления 114
ТЕЛЕСКОП И МИКРОСКОП
Телескопы 122
Микроскопы 154
ФОТОГРАФИЯ И КИНЕМАТОГРАФИЯ
Запечатленный свет 174
Луч света в темной комнате 176
Фотоны, серебро и химия 181
Конкуренты или друзья 187
Всевидящее око 191
Трехкомпонентная теория в действии 203
Автографы невидимок 205
Запечатленное движение 207
Остановись, мгновение 210
Кинематографическая пушка 215
СВЕТ И ЭЛЕКТРОНИКА
Электронные колбочки 222
Принцип умножения 225
Чувствительные глаза 229
Судьба затерявшихся фотонов 234
Новые пути 236
Усилитель света 239
Фабрика электричества 240
Тайна шифра 241
Электронный глаз 246
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
Телепередача из космоса 263
Новое в старом 271
Телеглаз в воздухе 274
Помощники диспетчера 278
Телевидение и рабочий 281
В глубины морей и океанов 284
Глаза и руки экспериментатора 287
Послесловие 289
Приложение 294
Большая часть прохладов и утех в жизни нашей от цветов зависит. Красота лица человеческого, одежды и другие украшения и утвари, приятность многоразличных минералов и драгоценных камней, потом животных разного рода, наконец все сияние благоприятного и прекрасного солнца, все, что оно в своем великолепии по расцветающим полям, в лесах и морях производит, — все сие не достойно ли внимания нашего?..
Что ж о таковом безмерном света океане представлять себе те должны, которые во внутреннее натуры святилище взирают любопытным оком и посредством того же света большую часть других естественных таинств усердствуют постигнуть?
Ломоносов. «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее...»
СВЕТ
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 уч:еные 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 йоду, 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-эксперимен-татора.
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.
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.
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».
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°.
Попробуйте проверить свою наблюдательность. Постар айтесь 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.
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.
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.
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 угром, 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 радупе 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 придуманйом 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, — янтарь1.
1 История слова «электрон» в том смысле, как мы понимаем его теперь, довольно сложна. Дело в том, что слово «электричество» произошло от слова «электрон» (янтарь), так как электрические явления впервые наблюдались учеными на кусочках янтаря. Когда же слову «электрон» (в конце прошлого века) был придан современный смысл, ученые вряд ли особенно задумывались о его первоначальном значении. Скорее всего, слово «электрон» явилось уже производным от слова «электричество». Таким образом, круг замкнулся: электрон — электричество — электрон.
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:
скорость распространения
длина волны — частота колебаний источника волн
или
где X — 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.
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 ООО ООО раз больше скорости звука. Ибо звук, по моим наблюдениям, делает примерно 180 туаз 1 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 другу2, 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 волновьк 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.
1 Туаз равен примерно 2 метрам.
2 Ведь если бы лучи состояли из частиц, считает Гюйгенс, то час гиды разных лучей должны были бы сталкиваться друг с другом и, следовательно, мешать друг другу.
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, сле-
довательно, 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 охваты-
вавшие 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.
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
