Читать книгу "Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна"

По этому поводу был высказан ряд остроумных соображений, однако все же не настолько удовлетворительных, чтобы более сильные умы не пожелали еще более удовлетворительных объяснений»{ Здесь и далее в этой главе — перевод Н. Фредерикс.}.

Еще одним подтверждением гения Гюйгенса служит тот факт, что, посвятив четверть века изучению природы света и наблюдая, как другие разрушают его открытия или ставят их под сомнение, он все-таки создал монументальный труд о материи, применив к ней совершенно неожиданный подход.

ВОЛНЫ И ЧАСТИЦЫ

Ученые XVII века пытались описать природу света одной из двух теоретических схем: свет — это волна или свет — это частицы. Обе схемы объясняли распространение света в любом направлении и с конечной скоростью, хотя делали это разными способами. Одна из волновых гипотез, сформулированная до Гюйгенса иезуитом Игнасом Гастоном Пардисом, даже вступала в противоречие с атомизмом. Частицы, словно пули, не оказывают влияния на пространство, через которое проходят, а взаимодействие с ними строится по принципу «все или ничего». Столкновение с пулей или происходит, или нет. У волн же другой характер. Они не концентрируются в точках или линейных траекториях, а рассеиваются в пространстве равномерно, не оставляя пустых мест. Каждая версия имела свои достоинства и недостатки. Но для Гюйгенса корпускулярная модель была неприемлема:

«Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества. [...] Кроме того, 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 другу, то станет совершенно понятно, что когда мы видим светящийся предмет, это не может происходить вследствие переноса материи, которая доходит до нас от этого предмета наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух».

Другими словами, если бы свет был потоком частиц, два луча встретились бы и отрикошетили друг от друга. Опыт же показывает, что два потока света от факелов игнорируют друг друга, как будто не замечая взаимного присутствия. Видение Гюйгенса не совпадало с версией Пардиса, так как голландец не собирался отказываться от атомов. В его картине частицы играют роль посредников. Распространяются не они, а пертурбация, которой они подвергаются. Через некоторое время после того, как частицы выполнили свой долг передатчиков, мы можем обнаружить их примерно в прежнем месте и состоянии, в то время как пертурбация, приведшая их в движение, идет дальше и затрагивает все более удаленные частицы. Это похоже на то, как автомобиль врезается в другое авто в пробке и провоцирует серию столкновений по цепочке. В результате первый автомобиль сдвигает последний, даже не касаясь его и передавая свой импульс на десятки метров.

По мнению Гюйгенса, частицы светящегося тела колеблются и сталкиваются с частицами эфира в непосредственной близости, сообщая им свои колебания. Этим колебанием и будет свет, который передастся по цепочке столкновений до клеток наших глаз. Как видите, ученому пришлось прибегнуть к понятию эфира. Опыты Роберта Бойля и Эванджелиста Торричелли уже показали, что звук в вакууме не распространяется — в отличие от света, и Гюйгенс постулировал существование эфира — тонкой и невидимой материи, «сколь угодно приближающейся к совершенной твердости и сколь угодно быстро восстанавливающей свою форму». Частицы эфира занимают промежуточное место между атомами твердых веществ, газов и жидкостей. Гюйгенс также рассмотрел вероятность того, что эфир не проникает в тела, хотя склонялся к тому, чтобы считать материю чем-то вроде губки, в поры которой проникают частицы эфира.

РИС. 5

РИС. 6

Локальное колебание частиц, исходящих от источника света, провоцирует цепь столкновений, которые на расстоянии вызывают эффект расширения сферического светового фронта, распространяющегося, как кости домино на рисунке 5, когда падение центральных элементов вызывает падение и остальных.

Эта модель объясняет, почему лучи пересекают границы сред, не взаимодействуя друг с другом. Частицы могут «танцевать» вместе и порождать две цепочки столкновений: «Одна и та же частица материи может служить для распространения нескольких волн, приходящих с разных и даже противоположных сторон...» Возвращаясь к примеру с машиной в пробке, эта частица может передавать удары разным автомобилям, сталкивающимся с ней в разных направлениях, в том числе и одновременно.

Как в примере с домино, каждая падающая кость не только передает свой импульс по радиальной траектории, но и распространяет его все шире и дальше. В случае с домино это объясняется особым расположением костей, из-за которого, падая, каждая увлекает за собой больше одной кости. Гюйгенс моделирует тот же эффект с помощью (см. рисунок 6):

«...если шар, который, как, например, шар А, прикасается к нескольким другим одинаковым с ним шарам С, С, С, толкнуть другим шаром В, то шар А будет действовать на все соприкасающиеся с ним шары С, С, С и передаст им все свое движение; сам же он, как и шар В, останется после этого неподвижным».

В микроскопическом масштабе модель Гюйгенса похожа на огромную партию в трехмерный бильярд, в котором каждый шар передает полученный импульс и останавливается. Каждая частица сохраняет некую свободу движений, как автомобили в пробке, которые все-таки медленно продвигаются вперед, но свет ведет себя, словно бегун эстафеты, передающий факел.

ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА

Хотя Гюйгенс считается основателем современной волновой теории света, мы должны понимать, что он вкладывал в термин «волна» не совсем тот смысл, что последующие ученые. Физическая интуиция Гюйгенса, позволившая ему представить, как передается свет, основывалась на знании о звуке:

«[Свет) распространяется так же, как и при звуке, сферическими поверхностями и волнами: я называю эти поверхности волнами по сходству с волнами, которые можно наблюдать на воде, в которую брошен камень, и которые изображают собой указанное постепенное распространение кругами, хотя оно и происходит от другой причины и в плоской поверхности».

Таким образом, Гюйгенс берет от волн на воде их «постепенное распространение кругами», но предупреждает, что они «имеют другую причину». В частности, волны на поверхности пруда являются поперечными: они распространяются в направлении, перпендикулярном породившему их возмущению. Камень падает вертикально — концентрические круги расходятся горизонтально. Частицы эфира Гюйгенса передают свет главным образом в направлении своего движения, хотя картина их распространения напоминает веер. Ученый никогда не говорил о главных понятиях классической волновой теории, таких как длина волны, фаза, интерференция.