Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс Страница 7

Сторонники волновой теории утверждали, что световые волны состоят из белого света и при прохождении сквозь призму свет расщепляется на цвета потому, что лучи «портятся» при прохождении сквозь стекло. Если это так, то чем больше стекла на пути света, тем сильнее он должен расщепляться.

Ньютон рассуждал иначе. Он считал, что свет состоит из разноцветных частиц, которые в совокупности кажутся белыми. (Отталкиваясь от своего увлечения оккультизмом, Ньютон классифицировал цветные частицы спектра – этот термин пустил в оборот именно он – по семи категориям: красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые. Ведь еще со времен древних греков считалось, что число семь обладает мистическими свойствами.) Чтобы продемонстрировать ошибочность волновой теории, где свет портился при прохождении сквозь стекло, Ньютон пропустил луч белого света сквозь две призмы, установленные строго в противоположной ориентации. Первая призма расщепила свет с появлением спектра, а вторая вновь собрала его в единый белый луч. Если бы стекло портило свет, получить такой результат было бы невозможно. Вторая призма только ухудшила бы ситуацию и не смогла заставить свет вернуться в первоначальное состояние.

На самом деле этот результат вовсе не опровергает волновую теорию света (мало того, он скорее подтверждает ее, поскольку свет замедляется, меняя направление при входе в стекло, подобно тому как это делают и волны). Но, поскольку сторонники волновой теории утверждали (ошибочно), что спектральное расщепление обусловлено порчей света, демонстрация Ньютона, ясно показавшая, что это не так, нанесла сильный удар по волновой теории и укрепила позиции его собственной корпускулярной модели.

Ньютон продолжил работу со светом, открыв немало других его особенностей, на которых основывается наше сегодняшнее понимание волновой природы света. Он показал, что каждый цвет света при прохождении сквозь стеклянную призму имеет собственный уникальный угол преломления. Ньютон показал также, что при освещении объектов цветным лучом все они кажутся того же цвета, что и освещающий их луч. Еще он показал, что цветной свет не меняет свой цвет, сколько бы раз ни отражался или ни проходил через призму.

Все результаты Ньютона, включая и первоначальный, можно объяснить очень просто, если считать, что белый свет действительно представляет собой набор различных цветов, – это он понял верно. Но их невозможно объяснить, если считать, что свет состоит из разноцветных частиц. На самом деле правильнее сказать, что свет состоит из волн разной длины.

Оппоненты Ньютона не собирались сдаваться, несмотря даже на растущую популярность Ньютона и смерть его главного соперника Гука. Они не сдались даже после избрания Ньютона президентом Королевского общества в 1703 г. – в том самом году, когда он опубликовал наконец результаты своих исследований по свету в грандиозном труде «Оптика». Более того, споры о природе света продолжали бушевать еще целый век.

Проблема волновой картины света отчасти заключалась в вопросе: «Волной чего, собственно, является свет?» И если свет – волна, то, поскольку все известные волны требуют для своего распространения какой-то среды, в какой именно среде распространяется световая волна? Эти вопросы ставили всех в тупик настолько, что сторонникам волновой теории пришлось вновь возродить идею некоей невидимой субстанции, пронизывающей все пространство, – идею эфира.

Решение этой головоломки, как часто бывает в подобных ситуациях, пришло из совершенно неожиданного уголка физического мира – уголка, полного искр и вращающихся колес.

Когда я стал молодым профессором Йельского университета, мне повезло получить в свое распоряжение громадный старинный кабинет, освободившийся после ухода в отставку столь же почтенного возраста коллеги, который оставил висящую на стене фотографию Майкла Фарадея, сделанную в 1861 г. С тех пор я бережно храню ее.

Меня не привлекает культ героев, но если бы привлекал, то Фарадей оказался бы в моем списке героев в числе первых. Возможно, именно ему больше, чем любому другому ученому XIX века, мы обязаны технологиями, приводящими в движение нашу нынешнюю цивилизацию. При этом он не имел почти никакого формального образования и в четырнадцать лет стал учеником переплетчика. Много позже, получив уже всемирное признание за вклад в науку, он продолжал держаться своих скромных корней; Фарадей отказался от рыцарского звания и дважды – от поста президента Королевского общества. Позже он отказался консультировать британское правительство по вопросу производства химического оружия для использования в Крымской войне, сославшись на этические соображения. Кроме того, на протяжении более чем тридцати трех лет читал в Королевском институте серию рождественских лекций, призванных внушить молодым людям интерес к естественным наукам. Можно ли этим не восхищаться?

Хотя как человек Фарадей заслуживает всяческого уважения, для нашего рассказа важен ученый. Первый научный урок Фарадея, о котором я всегда рассказываю своим студентам, звучит так: всегда старайтесь угодить своим профессорам. В возрасте двадцати лет Фарадей, отработав семь лет подмастерьем переплетчика, стал посещать лекции знаменитого химика Хэмфри Дэви, тогдашнего главы Королевского института. После цикла лекций Фарадей преподнес Дэви красиво переплетенную книгу в триста страниц, содержавшую сделанные Фарадеем конспекты лекций. Не прошло и года, как Фарадей стал секретарем Дэви, а вскоре после этого получил место ассистента-химика в Королевском институте. Позже Фарадей узнал, что́ бывает, если поступить противоположным образом. После серии ранних, но весьма значительных проведенных им экспериментов Фарадей сгоряча забыл, публикуя результаты, отметить вклад Дэви. Именно этой случайной обидой объясняется, вероятно, то, что Дэви перевел Фарадея на другие работы и тем самым на несколько лет задержал его исследования, которым суждено было изменить мир.

До перевода на другой участок Фарадей работал в «горячей» области научных исследований: вдохновившись результатами датского физика Ханса Кристиана Эрстеда, он изучал новооткрытые связи между электричеством и магнетизмом. Эти две силы кажутся совершенно разными, но обладают странными сходными чертами. Электрические заряды могут притягиваться или отталкиваться. То же делают и магниты. Но при этом у магнитов, судя по всему, всегда имеется по два полюса – северный и южный, которые невозможно отделить друг от друга и изолировать, тогда как электрические заряды могут быть положительными или отрицательными по отдельности.

Ученые и философы уже некоторое время задумывались над тем, нет ли каких-то скрытых связей между этими двумя силами, и первое эмпирическое свидетельство этого обнаружил Эрстед, по существу случайно. В 1820 г., читая лекцию, он заметил, что стрелка компаса отклоняется от направления север – юг, когда рядом включается электрический ток от батареи. Через несколько месяцев Эрстед продолжил свои наблюдения и обнаружил, что поток движущихся электрических зарядов, который мы сегодня называем просто электрическим током, порождает магнитное притяжение, заставляющее стрелку компаса вставать по касательной к окружности, проведенной вокруг провода с током.

Так Эрстед проторил новую тропу. Среди ученых известия распространяются быстро; новость разошлась по континенту, затем перелетела Ла-Манш. Движущиеся электрические заряды порождают магнитную силу. Может быть, есть и другие связи? Могут ли магниты, в свою очередь, оказывать влияние на электрические заряды?