Пойманное пространство 2 - Природа света

Глава вторая
ДВУЛИКИЙ ЯНУС ПО ИМЕНИ СВЕТ
Сэр Фрэнсис Бэнон предлагает всерьез исследовать свет * Почему он разламывается и переплетается? * Частицы или волны? * Не услышанные голоса * Исландский шпат против колебаний? * Математика впереди опыта * Свет равен электричеству * Свет, относительность, кванты
 
«Сколько внешность света сама по себе явственна и для зрения ощутительна, столько внутреннее его значение сокрыто и для чувственных понятий разума непостижимо... Посему истинное понятие о свете может быть только умозрительное или феоретическое (теоретическое.— В. Д.), какового Физическая Наука до наших времен не имела: и настоящая феория света есть благороднейший плод ума человеческого, начинающего приходить в высшую зрелость!» — такими вот торжественными словами открывалась глава о свете в книге, изданной на грубой бумаге санкт-петербургским книгопродавцом в 1831 году,— книге с витиеватым заголовком:
                ОПЫТНАЯ, НАБЛЮДАТЕЛЬНАЯ
                И УМОЗРИТЕЛЬНАЯ ФИЗИКА,
                ИЗЛАГАЮЩАЯ ПРИРОДУ
                В ВЕЩЕСТВЕННЫХ ВИДАХ,
                ДЕЯТЕЛЬНЫХ СИЛАХ
                И ЗИЖДУЩИХ НАЧАЛАХ
                НЕОРГАНИЧЕСКОГО МИРА,
                СОСТАВЛЯЮЩАЯ  ПЕРВУЮ ПОЛОВИНУ
                ЭНЦИКЛОПЕДИИ
                ФИЗИЧЕСКИХ ПОЗНАНИЙ
                Сочинение Даниила ВЕЛЛАНСКОГО, доктора медицины и хирургии,
                академика и профессора физиологии и патологии в Императорской
                медико-хирургической академии

У достопочтенного академика были серьезные основания для оптимизма. Начало века оказалось чрезвычайно благоприятным для теории световых явлений. В 1800 году Юнг, принявший такое участие в судьбе Нисефора Ньепса, издал трактат «Опыты и проблемы по звуку и свету», а год спустя в докладе Королевскому обществу «Теория света и цветов» высказал идею о волновой природе света. В 1818 году соотечественник Ньепса Жан Огюстен Френель на основании своих математических работ предсказал совершенно новые световые явления, вполне подтверждавшие, что свет — это волна.

Обо всем этом, бесспорно, знал Велланский и именно на труды этих физиков он намекал, говоря, что ум человеческий «приходит в высшую зрелость».. Ведь за ними академику виделось окончательное решение спора, дливщегося уже целое столетие.  Да что спора,— вековечной тайны, занимавшей мысли лякгэдей, начиная с пятого столетия до нашей эры, а может быть, и раньше.

Сэр Фрэнсис Бэк^стн предлагает всерьез исследовать свет. Уже в глубокой древности наыболее проницательные мыслители понимали: хотя свет и порождается огнем, он все же не огонь. В середине V века до нашей эры Эмпедокл учил, что свет — особые истечения от огня, а несколькими десятилетиями позже Демокрит провозгласил, что свет — поток частвщ. И все последующие философы и исследователи-экспериментаторы относились к свету либо как к чему-то непрерывному, подобному
течению реки, либо как к прерывистому потоку дождевых капель.

На какое-то время — что есть тысячелетие на весах истории? — после падения античного мира люди перестали задумываться над сущностью явлений. Господствовавшее тогда  настроенное  выразил историк церкви Евсевий  на  переломе  III —IV  веков нашей эры:  «Не в силу неведения... а из презрения к ИХ (философов.—В. Д.) бесполезным работам считаем мы все эти вещи суетными и обращаем ум наш к более достойным Предметам». Достойными же размышления были богословские вопросы, комментарии к догматам веры.

Но, распространяя богословие, церковь подрывала свои же собственные устои. Потребность в молитвенниках привела к тому, что в 1455 году Гутенберг издал первую книгу, текст которой не резался на печатных досках, а набирался из отдельных литер. Желание возможно точнее определять даты церковных торжеств, в особенности весьма сложно рассчитывавшегося праздника Пасхи, подталкивало астрономию, и в 1543 году появилась книга Коперника «Об обращении небесных сфер». Земля перестала быть центром мироздания, а человек — венцом божественькшх трудов. Эпоха Возрождения властно заявляла о себе, раскрепощая разум, привлекая внимание пытливых к тем же вопросам, которые волновали древнегреческих ученых,
 
Ясно осознавая угрозу, церковь пыталась затягивать до отказа тормоза. Начало XVII века она ознаменовала сожжением Джордано Бруно. В 1633 году после четырех допросов, под угрозой пытки, было вырвано отречение от коперниканских идей у шестидесятидевятилетнего Галилея.

Однако вдали от Рима, вне досягаемости инквизиции, выходили сочинения по-прежнему гуманистического толка. За десять лет до того, как престарелый Галилей был вызван для объяснений в церковный суд, книгопродавцы Британии выложили на прилавки только что отпечатанную книгу «О достоинстве и приумножении наук», евамчвееую сэром Фрэнсисом Бэкона. Над этим трудом он работал семнадцать лет, а замысел родился у него еще раньше, в начале восьмидесятых годов XVI века.

Лорд — верховный канцлер и пэр Англии, второе лицо после короля, Бэкон высказывал мысли, совершенно неожиданные для государственного деятеля подобного ранга. Всецело заботясь о поддержании власти такого ничтожества, как Яков I, Бэкон в своих распоряжениях поневоле выступал реакционером. Но едва его взор обращался к науке — и он тут же забывал об официальной холодности и необходимости сохранять нетронутыми принятые установления. Он превращался в революционера, взрывающего здание умозрительной науки, основанной на бесконечном цитировании освященных церковью «классиков».

Он писал: «Разве можно не считаться с тем, что дальние плавания и путешествия, которые так участились в наше время, открыли и показали в природе множество вещей, могущих пролить новый свет на философию. И конечно, было бы постыдно, если бы в то время, как границы материального мира — земли, моря и звезд — так широко открылись и раздвинулись, умственный мир продолжал оставаться в тесных пределах того, что было открыто древними».

Каким же образом расширить границы знания? Бэкон рисует широкую, поистине "всеохватывающую програм-му экспериментального изучения всевозможных явлений, предлагает неведомую прежде методологию. О свете он высказывался так: «То, что до сих пор не проводилось должного  исследования  форм света (несмотря на то, что в области оптики осуществлено уже много серьезных работ), можно объяснить только какой-то поразительной небрежностью. Ибо ни в оптике, ни где-либо в другом месте мы не встречаем более или менее ценных исследований о свете. Исследуется распространение лучей света, но не его происхождение. А источником этого недостатка, как и аналогичных ему, является причисление оптики к разряду математических дисциплин, ибо в этом случае слишком поспешно была покинута почва физики».

И в самом деле, когда знакомишься с историей учения о свете, поражает, как много внимания уделялось вопросам геометрической оптики, то есть построению пути лучей в линзах и при переходе из одного прозрачного вещества в другое, проблемам радуги, гало и других оптических явлений, и как мало предпринималось попыток проникнуть в сущность света. Проистекало это, конечно, в первую очередь из-за общего низкого уровня научного знания, а кроме того, и по причине отсутствия хорошего метода исследования. Вот этот-то метод, не выдвигая никаких гипотез о природе световых явлений, и предлагал Бэкон.

Он призывал выяснять, есть ли что-нибудь общее между светом Солнца и светом гниющей рыбьей чешуи или дерева; почему одни тела при нагревании начинают испускать свет, а другие нет; обладают ли «тепловыми лучами», наподобие тепловых лучей Солнца, другие небесные тела и Луна? Что общего между пламенем и светляком? Почему воздух не загорается от нагревания и не светится? Словом, «нужно вести исследование формы и происхождения света, отнеся этот раздел науки к числу тех, которые должны быть созданы»,— заключал Бэкон.

Почему он разламывается и переплетается?
Как бы откликаясь на призыв сэра Фрэнсиса, выдвинул свою гипотезу Кеплер: предложил рассматривать свет как невесомую материю, летящую во все стороны от светящихся предметов. Скорость этого потока астроном полагал бесконечной, а распространение «светящейся материи» — мгновенным процессом. Впрочем, добавлял Кеплер, через плотные прозрачные тела свету пробираться труднее, чем через пустоту,— этим и объясняется преломление лучей на границе между воздухом и стеклом, а также действие линз. Высказал Кеплер и еще одну важную догадку: тепло есть свойство света, а вовсе не особое вещество, как тогда полагали.

Его современник Рене Декарт, создатель философии картезианства (он называл себя на латинский лад Картезием), был согласен с тем, что свет распространяется мгновенно, но мгновенность эту мыслил иного свойства: шарообразные частицы — «элементы неба», занимающие все пространство, передают движение друг другу наподобие бильярдных шаров. Чтобы еще нагляднее продемонстрировать свою идею, Декарт приводил пример со слепым, который ощупывает своей палкой дорогу.

Если на палку натолкнется нечто движущееся, слепой ощутит толчок, а потому «вам не должно казаться странным, что лучи света могут мгновенно распространяться от солнца до нас, ибо известно, что действие, приводящее в движение один конец палки, в одно мгновенье доходит до другого, и что оно должно таким же образом распространяться даже в том случае, если бы расстояние было больше, чем то, которое отделяет землю от небес».

Световые лучи, по Декарту,— не миф, а реальность, это те частицы, которые находятся между глазом и светящимся телом, передавая движение (физик Мушенбрук, современник Ломоносова, спустя примерно сто лет после Декарта считал, что лучи света имеют толщину «...не более 0,0002 биллионной частицы человеческого волоса»).

Своими «лучами» Декарт, как и вообще всей своей философией, противостоял пресловутым «силам», так обожаемым схоластами («Видя какое-нибудь действие, причина которого нам неизвестна, мы воображаем, будто открыли ее, присоединив к этому действию общее слово «сила» или «способность»...— иронизировали современники Декарта антиклерикалисты Антуан Арно и Пьер Николь).

Материальные причины, вполне постижимые и доступные для изучения,— вот, по Декарту, движущие начала всего в природе. Надо ли удивляться ненависти, с какой были встречены подобные идеи церковниками. «Эта философия опасна, она благоприятна скептицизму, способна разрушить наши верования относительно разумной души, происхождения лиц святой троицы, воплощения Иисуса Христа, первородного греха, чудес, пророчеств, благодати нашего возрождения, действительности демонов!» — гремел в Утрехте патер Боэций. По иронии судьбы, именно сюда, в Нидерланды, где после.свержения испанского владычества было покончено с инквизицией, философ переехал из Франции, не желая иметь дела с тамошним духовенством...

Но обскуранты во всех странах одинаковы, какую бы ветвь религии они ни исповедовали. Декарт был обвинен в атеизме. Выступавший от лица церкви утрехтский профессор университета Фост добился осуждения. Неизвестно, в какую тюрьму заключили бы философа, каким унижениям и издевательствам подвергли бы, не вмешайся французский посланник. Он указал, что Декарт, как французский подданный, не подлежит ответственности по голландским законам. Приговор был отменен, а Декарт поспешил принять приглашение шведской королевы Христины и уехал в Стокгольм, где ему предложили основать Академию наук. Стояла холодная северная осень. Дождь и пронизывающий ветер сломили организм ученого, с детства не отличавшегося крепким здоровьем... Зимой 1650 года, через несколько месяцев* после прибытия в шведскую столицу, Декарт скончался.

Идеи Декарта оказали колоссальное влияние на его современников и последователей. Некоторое время в умах исследователей прочно господствовали воззрения о существующих на самом деле прямолинейных световых лучах. Но вот что открыл спустя пятнадцать лет после смерти Декарта болонский профессор математики иезуит Франческо Мария Гримальди: луч, по-видимому, не совсем луч! Профессор пропустил свет через маленькую дырочку в оконном ставне, а на пути луча поставил палку. К его удивлению, тень от палки на экране оказалась шире, чем следовало из законов геометрической оптики. Более того, по обеим сторонам тени виднелись темные полосы, разделенные светлыми промежутками,— то одна полоса, то две, то три, смотря по тому, сколь ярок был проходивший сквозь дырочку свет. Луч как бы разламывался на части. По-латыни «разламывание» — дифракция. Так Гримальди и назвал новооткрытый феномен.

Еще более интересными и непонятными оказались результаты опыта, во время которого солнечные лучи проходили в камеру-обскуру через две маленькие дырочки, а не через одну, как обычно. Пересекаясь, световые кружки на экране становились пестрыми, вокруг светлых областей возникали темные окантовки. А в самом центре картины, где кружки накладывались друг на друга, яркость экрана была гораздо больше, чем в других местах. Световые лучи как бы складывались и вычитались — явление, геометрической оптикой не предусмотренное.

Почему все это так получается, Гримальди не смог объяснить. Но он высказал новое предположение о при-роде света. Он заявил, что тут есть какая-то аналогия с колебаниями воды, когда в нее бросают камень.

Частицы или волны?
Вторая половина XVII века была временем обостренного интереса ученого мира к свету. В 1663—1665 годах выходят одна за другой книги «Опыты и рассуждения, касающиеся света» англичанина Роберта Бойля, будущего президента Королевского общества, «Микрография» Роберта Гука, будущего секретаря Общества («разбирать подробно все отдельные работы Гука, значило бы коснуться почти всех отделов физики и астрономии»,— заметил немецкий историк физики Розенбергер) и, наконец, «Физико-математический трактат о свете, цвете и радуге» покойного патера Гримальди.

Во всех этих книгах так или иначе высказывалась мысль о волнообразном свойстве света, и все они произвели огромное впечатление на голландца Христиана Гюйгенса ван Цуйлихема. Особенно труд его друга Бойля. «Я потрясён книгой Бойля»,— читаем мы в письме Гюйгенса, отправленном в Лондон физику Морею. «Безусловно очень интересная работа»,— это несколькими строчками ниже в том же письме мнение о «Микрографии», описывающей исследования, проделанные Туком с помощью микроскопа. По-видимому, все эти книги и стали тем толчком, который заставил Гюйгенса вплотную заняться разработкой волновой теории света, сформулированной в «Трактате о свете», изданном в 1690 году.

Христиан родился в семье видного сановника двора принцев Оранских. С раннего детства он проявил редкие способности. Девяти лет знал арифметику, геометрию, латынь и греческий, играл на музыкальных инструментах. К тринадцати годам изучил механику. Атмосфера в доме Гюйгенсов была пронизана интересом к науке. Отец Христиана состоял в переписке с Декартом, обсуждал с ним проблемы преломления света, свойства линз, конструкции микроскопов и телескопов. Оптикой всерьез заинтересовался и Христиан, написал работу на ста с лишним страницах о теории линз и линзовых систем, просто так, для себя (ее опубликовали только полвека спустя, после смерти ученого), а потом вместе с братом Константином занялся шлифованием линз,— было Христиану Гюйгенсу тогда двадцать четыре года.

«Чечевицы Гюйгенсов» скоро прославились по всей Европе. Христиан построил телескоп с линзами диаметром около сорока сантиметров — очень большими даже по нынешним временам (крупнейший в России линзовый телескоп Пулковской обсерватории имеет объектив диаметром 650 миллиметров). С  помощью своего телескопа Христиан открыл неизвестный спутник Сатурна — Титан. Три года спустя французский ученый Шапелен доложил в Париже о новых наблюдениях Сатурна, проведенных Гюйгенсом с помощью другого, вдвое более крупного телескопа: оказывается, эта планета окружена тонким кольцом. Открытие вызвало колоссальный интерес, имя голландского оптика и астронома приобрело широкую научную известность.

Проходит еще восемь лет. Кольбер, интендант (министр) финансов, королевских построек, изящных ис-кусств и фабрик молодого Людовика XIV приглашает Христиана Гюйгенса в Париж, в только что основанную Академию наук, стать ее президентом. Таков авторитет тридцатишестилетнего ученого — астронома, математика, физика, изобретателя маятниковых часов, создателя их теории.

И в том же году, когда знаменитый Гюйгенс стал президентом Парижской академии, никому еще не известный бакалавр Исаак Ньютон стал пропускать свет через призмы — занялся опытами, которые спустя шесть лет вылились в «Новую теорию света и цветов». Мемуар был представлен в Королевское общество в 1772 году по случаю избрания Ньютона действительным членом, а непосредственным поводом к избранию послужило то, что Ньютон построил телескоп новой системы — зеркальный.
 
В отличие от Гюйгенса, детские годы Ньютона не отмечены печатью будущих выдающихся способностей. В школе он не выделялся особым прилежанием, больше любил устраивать разные механические игрушки, что» казалось бы, обещало ему успехи в практике, а не в теории. Впрочем, в те времена ученый обычно сам мастерил необходимые ему приборы или во всяком случае собственноручно их проектировал, так что любовь к механике, умение работать руками существенно пригодились. Шестнадцати лет Исааку пришлось оставить ученье: овдовевшая вторично мать звала сына, который жил в школьном интернате небольшого городка Грантема, вернуться на ферму и всерьез заняться сельским хозяйством. Однако фермером он оказался плохим, чтение научных книг занимало не только свободное, но и рабочее время... Мать разрешила продолжать занятия в школе, а потом не противилась и поступлению сына в Тринити-колледж в Кембридже, куда Ньютона приняли по разряду неимущих студентов. Это случилось в 1661 году, а спустя всего восемь лет учитель Ньютона, профессор математики Исаак Барроу, передал ему свою кафедру.

Для всех, кто представляет величие Ньютона, но не знаком в деталях с его биографией, должность профессора Кембриджа может показаться закономерным результатом признания таланта ученого со стороны академического мира Англии. Но тогда все было не так. Слава пришла к Ньютону гораздо позже. Сдержанный по характеру, он работал медленно, с предельной аккуратностью, заботясь не о скорейшем издании трудов, а о возможно большей точности. Лишь один Барроу, с которым, несмотря на разницу в годах (учитель был на двенадцать лет старше), Ньютона связывала настоящая дружба, знал, как удивительно глубок этот молодой магистр. Барроу был убежден, что благодаря Ньютону математика и оптика будут преподаваться в Тринити-колледже лучше, чем в любом из остальных шестнадцати колледжей Кембриджа.
 
Добровольный отказ Барроу от профессорства в пользу Ньютона, конечно же, облегчил утверждение того в должности, но противников было немало. Особенно старались те, кто считал невозможным доверять ка-федру человеку, не выдержавшему конкурсный экзамен на звание «феллоу» — досточтимого члена колледжа, имеющего право на жалованье и чтение лекций студентам. Действительно, с Ньютоном произошел этот обидный казус: экзаменаторы посчитали его ответы худшими, нежели ответы некоего Уведаля, который и получил звание, а заодно и совершенно им незаслуженное бессмертие благодаря случайной встрече с великим человеком.

Однако успешно выдержанный Ньютоном сложнейший «трайпос» — экзамен на звание бакалавра «с почетом» — давал право после трехлетнего дополнительного курса в Тринити получить магистерский диплом без всяких добавочных испытаний. И как только это произошло, Барроу отправился к Мастеру колледжа (директору) с прошением об отставке.

Он рассчитывал, что своим поступком поправит материальное положение бывшего ученика. Но даже Барроу не вполне представлял себе независимый характер Ньютона. Чтобы стать полноправным профессором Кембриджа и получать долю от доходов, причитавшихся корпорации преподавателей, требовалось принять монашество (формально светский, Кембридж был тесно связан с церковью). Отказавшись, Ньютон был вынужден довольствоваться своим более чем скромным жалованьем да небольшой комнатой, полагавшейся ему по должности. Профессор, член Королевского общества, член парламента от Кембриджа, великий Исаак Ньютон долгие годы еле-еле сводил концы с концами. Надо только удивляться, как при таких условиях; он мог продуктивно работать... -

Только Ньютон с его совершенно фантастической способностью задавать вопросы природе мог придумать такое количество опытов, какое было описано в «Новой теории света и цветов». Основой всех их были наблюдения над солнечным. лучом, проходящим через одну или несколько призм.

То, что при этом белый луч превращается в ряд цветных, было известно по крайней мере с 1648 года, когда профессор медицины Пражского университета Иоганн Марцы опубликовал свое сочинение о «призматических цветах» — «кажущихся», как их еще называли. Тот же Марцы открыл, что полученный с помощью призмы цветной луч больше не разлагается, проходя через новые призмы, однако становится все более и более расходящимся.

Для Ньютона эти факты были своего рода аксиомами, из которых вытекало множество следствий, проясняющих массу явлений, не имевших до того никакого обоснования. Прежде всего — цвет лучей. По Ньютону, ощущение цвета зависит от природы лучей, попадающих. в глаз. «Так, тело красное потому, что оно наиболее отражает лучи, способные к красноте, а многие иные пропускает... тело белое потому, что отражает почти все лучи, и черное потому, что все пропускает и отражает ничтожную долю всех видов лучей».

Далее, лучи каждого цвета по-разному преломляются, то есть по-разному отклоняются от прямолинейного движения во время перехода из одного вещества в другое. Это свойство Ньютон назвал дисперсией, от латинского «дисперсус» — рассеянный, рассыпанный. Красные лучи отклоняются меньше всех, фиолетовые больше всех остальных.

Среди цветов Ньютон выделил первоначальные — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовый и пурпурный. Между ними лежат сложные цвета, происходящие от смешения первоначальных, находящихся от сложного справа и слева. Сливая все цветовые лучи, полученные призмой, с помощью другой такой же призмы, можно восстановить белый цвет.

Ну а что же такое свет? Ньютон был сторонником того, что свет — это поток мельчайшие частиц» корпускул. Он писал: «Мне кажется вероятным, что бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их» (как видим, при всей нелюбви к гипотезам — «Гипотез не измышляю!» — Ньютону, как и любому ученому, все же приходилось к ним прибегать). Следовательно, свет есть поток частиц, более всего подходящий для того, чтобы быть светом. Отсюда и прямолинейность движения светового луча, прямо вытекающая из принципов механики Ньютона, из инерционных свойств материи.

Правда, в дальнейшем, при столкновении с призмами и зеркалами, дело усложняется: частицы приводят в движение эфир, наполняющий все тела, возбуждают в нем колебания, подобно камню, брошенному в воду, и «если такие колебания, не разделяясь, проходят через среду в наш глаз, то они возбуждают ощущение белого света, если же каким-то способом они отделяются друг от друга соответственно их неравным величинам, то они вызывают ощущение различных цветов».

Изданная в 1704 году «Оптика» не только подводила итоги научным изысканиям Ньютона, но и была прямым ответом на вышедший в свет четырнадцатью годами раньше гюйгенсовский «Трактат о свете».

В этом труде бывший президент Парижской академии (протестант, он был вынужден спешно уехать из Франции, где начались религиозные распри, назад в Голландию) утверждал, что свет всегда и везде является колебанием эфира, заполняющего все мировое пространства, Гюйгенс не оставлял места «частицам света». Ньютон же не мог представить себе света без частиц, выбрасываемых светящимся телом (что они делают потом — иной разговор).

Эфир Гюйгенса состоял из мельчайших частиц, чре-звычайно упругих и передающих друг другу движение только вперед. Колебания таких частиц либо отражаются от поверхности тел, и такие предметы выглядят непрозрачными, либо проникают внутрь по частицам эфира, заполняющим промежутки между атомами вещества,— такие тела прозрачны. Световые волны поэтому, учил Гюйгенс, похожи на звуковые, и «привести нас к пониманию способа распространения света может то, что нам известно о распространении звука в воздухе».

«Трактатом о свете» Гюйгенс подвел итог всем известным ему работам о волновой природе света. Помимо Бойля и Гука, мы находим в «Трактате» ссылки на труд парижского профессора Гастона Парди, который скоропостижно скончался, не успев издать рукопись, рассматривающую свет с волновых позиций. Книга Гримальди тоже была в библиотеке Гюйгенса. А то новое, что позволяет считать «Трактат» основой современного учения о свете (хотя многое уточнено, а кое-что и отброшено),— это «безумное» предположение о так называемых вторичных волнах.

Гюйгенс  заявил,  что  каждую  точку   волны   можно рассматривать как источник точно таких же волн. Сливаясь между собой, эти вторичные волны образуют то, что позднейшие исследования назвали волновым фронтом. Следовательно, когда такой фронт ударяется о предмет сколь угодно сложной формы, наблюдатель вправе считать каждую точку предмета источником отраженных волн, а затем представить себе, какую форму примет фронт отраженной волны. И хотя этот фронт не повторит внешность предмета, невольно приходят на память строки Лукреция:

Есть У вещей то, что мы за призраки их почитаем;
Тонкой они подобны плеве, иль корой назовем их,
Ибо и форму, и вид хранят отражения эти
Тел, из которых они, выделяясь, блуждают повсюду...
И хоть внезапно поставь, хоть в любое мгновенье любую
Вещь перед зеркалом ты,— отраженье появится сразу.
Ясно теперь для тебя, что с поверхности тел непрерывно
Тонкие ткани вещей и фигуры их тонкие льются.

Современный нам физик пожимает плечами: «А чего тут удивительного? То, что мы видим,— самые обыкно-венные голограммы, естественно возникающие, при отражении света. Видим-то ведь мы не сам предмет, а пришедший к нам от него волновой фронт. Поймайте его, зафиксируйте,— вот вам и голограмма...»

Впрочем, мы забежали вперед. Вернемся в XVII век.

Гюйгенс издал «Трактат о свете» в 1690 году, он ждал этого дня более десяти лет. Сначала пришлось выбирать-ся из Франции, где после смерти Кольбера принялись на-сильственно обращать в католичество протестантов (гу-генотов), к которым принадлежал и Гюйгенс. Потом отв-лекла астрономия: Гюйгенс строил громадные телескопы, линзы которых подвешивались на мачтах, изобрел весьма удачный объектив, .который с тех пор носит его имя. А рукопись тем временем обрастала новыми главами, дополнялась и уточнялась.

Как только она была напечатана, Гюйгенс немедленно отправил ее в Лондон — президенту Королевского общества Бойлю, астроному Эдмунду Галлею, близкому другу Ньютона, и, конечно же, самому Ньютону, мнением которого Гюйгенс очень дорожил.

Дилижансы «почтовых баронов» фон Таксисов доставили книгу в Ганновер, где библиотекарем у герцога Эрнста-Августа служил Готфрид Вильгельм Лейбниц, великий математик, наряду с Ньютоном разработавший теорию дифференциального   и   интегрального  исчислений, старый друг Гюйгенса и во многом его ученик.

Доставили в Марбург, где в университете занимал кафедру физики ассистент Гюйгенса в его опытах с воздушными насосами Дени Папен, принятый в Королевское общество по рекомендации Бойля, плодовитый изобретатель, будущий творец первой в истории паровой машины.

Получил «Трактат» и профессор Копенгагенского университета Оле Кристинсен Рёмер, также добрый приятель Гюйгенса, впервые в истории вычисливший скорость света по затмениям спутников Юпитера, которые он наблюдал в телескоп Парижской обсерватории в 1675 году.

Лейбниц, Папен, Рёмер прислали блестящие отзывы. Из Англии ответов не было. Ну ладно, Бойль: он скончался весной 1691 года, перед тем крайне плохо себя чувствовал,— тут всё было понятно. А Ньютон? Неужели его оставили равнодушным мысли, высказанные в «Трактате»? Вряд ли.

Но Ньютон уходил от полемик. «Мне так надоели бесконечные возражения... по поводу обнародования моих идей о свете...» — писал он Лейбницу. И только когда уже ни Гюйгенса, ни Гука, с которым у великого англичанина шли главные споры относительно природы света, не было в живых, сэр Исаак опубликовал  «Оптику»,  где ни эфиру,  ни волнам  места не нашлось.

Вот тут-то и начинаешь задумываться: должно быть, прав был Араго, который в «Биографиях знаменитых  астрономов, физиков и геометров», отдав дань глубокого уважения творцу «Оптики», под конец все-таки отметил, что тот «... не переносил терпеливо критики, и суд других считал... оскорблением, что не прилично для великого ученого». Увы, и солнце не без пятен; а любой великий человек — прежде всего человек.

После смерти Гюйгенса и Гука не осталось физиков такого ранга, которые имели бы смелость и основание спорить с авторитетом Ньютона. Лейбниц оптикой не занимался, природа света его, как ни странно, совсем не интересовала. И корпускулярная теория прочно завоевала умы на добрых сто лет.

В литературе, как научной, так и популярной, можно найти немало объяснений этому факту, нередко противоречащих друг другу. Но, пожалуй, в одном они сходятся: тогдашняя волновая теория была слабо аргументирована, объясняла (причем в основном геометрически) меньший круг явлений, связанных со светом, чем корпускулярная.

Так, например, не творцам волновой теории, а Ньютону удалось открыть периодичность света. Будь это иначе, то, по мнению советского историка физики П. С. Кудрявцева, «судьба корпускулярной теории была бы решена раньше исследований Френеля».

Еще со времен Декарта одним из пробных камней теории света считалась ее способность убедительно объяснить, почему песок желт, уголь черен, а снег бел. Многоцветье красок обязано было с необходимостью вытекать из немногих основных принципов, ставящих в зависимость природу света и природу предметов, на которые свет падает и от которых отражается.

У Ньютона с его корпускулами, обладающими изначальными, неизменными свойствами — цветностью, степенью преломляемости, способностью взаимодействовать с телами на расстоянии, — объяснение многоцветья красок и цветового зрения получалось, а мучительные раздумья Гюйгенса об этом ни к чему определенному и убедительному не привели, ему не удалось связать волны и цвета.

Так что вряд ли стоит быть излишне строгим к тем, кто на долгое время доверился корпускулярной теории,— у нее было больше доказательств.

Не услышанные голоса
Только два человека за это время подвергли теорию Ньютона (а точнее то, во что превратили ее правоверные ньютонианцы) критике: Леонард Эйлер и Михаил Васильевич Ломоносов. Два сотрудника Санкт-Петербургской академии наук, два единомышленника, два друга (во всяком случае, Эйлер в письмах обращался к Ломоносову на «ты»).

Двадцатилетний швейцарец Эйлер приехал в Россию по протекции своих друзей, математиков Николая и Даниила Бернулли, приглашенных Екатериной I в только что основанную Академию. Протекция по нынешним временам выглядела смехотворно: братья написали Леонарду, что место-то в Академии найдется, да только не математика (Эйлер кончил курс у Иоганна Бернулли, отца Николая и Даниила), и не философа (Эйлер был магистром и этой науки, а степень получил за диссертацию по сравнению философских взглядов Декарта и Ньютона), и не специалиста по восточным языкам (Эйлер владел и этой премудростью!) — только физиолога на отделении медицины.

И что вы думаете? Эйлер за два года прошел соответствующий курс в Базельском университете! А за это время сумел написать диссертацию о распространении звука и книгу «Размышление о расположении корабельных мачт», за которую получил премию Парижской академии наук в 1727 году, когда приехал в Россию.

Книгу эту он представил в своем Базельском университете как диссертацию на соискание места профессора физики (студент-профессор, редчайшее в наши дни сочетание, не так ли?), однако по каким-то причинам в профессорстве Эйлеру было отказано. И со своим медицинским дипломом он отправился в Петербург, где тут же получил место адъюнкта (ассистента академика)... по кафедре математики...

Кто-нибудь другой, возможно, и огорчился бы: стоило ли терять впустую два года? Но Эйлер был не таков, любые знания всегда находили у него применение, разносторонность его была поистине необыкновенной. Из-под его пера появлялись одно за другим сочинения, каждое из которых потребовало бы у другого человека многих лет труда: теория музыки, объяснение механизма приливов и отливов, разбор вопросов теоретической механики, прикладной и «чистой» математики, артиллерийской стрельбы, магнитных явлений, движения планет и комет, теории равновесия и устойчивости морских судов, выбора наилучшей формы корпуса корабля, проблем гидродинамики...

«Метод Эйлера», «постоянная Эйлера», «уравнения Эйлера», «формулы Эйлера», «функция Эйлера», «числа Эйлера», «интегралы Эйлера» и так далее, и так далее... При жизни его было напечатано свыше полутысячи работ, еще триста пятьдесят оказалось в архиве, а почитатели и исследователи творчества ученого собрали почти три тысячи его писем!

...После смерти Екатерины I власть в академии захватил очень ловкий и беспринципный секретарь канцелярии Шумахер. Академики вместо работы писали жалобы на него и друг на друга. Затхлая атмосфера вынудила многих приглашенных из-за границы ученых уехать на родину.
 
Эйлер удалился в Берлин — организовать там по просьбе прусского короля Фридриха Великого Академию наук. Впрочем, отношений с Петербургом Эйлер не порывал, регулярно печатал свои статьи в академических «Комментариях», а в 1747 году дал отзыв на несколько присланных из канцелярии академии работ совсем ему неизвестного, но несомненно очень, талантливого профессора химии по фамилии Lomonossov: «Сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны, ибо он изъясняет физические и химические материи самые нужные и трудные, кои совсем неизвестны,... с таким основательством, что я совсем уверен в точности его доказательств».

Год спустя Эйлер предложил Ломоносову принять участие в конкурсе, объявленном Берлинской академией: «Объяснить происхождение селитры и вывести ее состав из ее истинных начал, давая опытами все утверждения». Письмо отправилось в Петербург 12 марта, а в июле в Берлин пришел пухлый пакет:

«Знаменитейшему и ученейшему мужу Леонарду Эйлеру...  нижайший  привет  шлет Михаил  Ломоносов.
Каждый, кто занимается наукой и встречает одобрение трудам своим со стороны великих людей, легко поймет, как обрадовался я, получив Ваше любезное письмо...», а дальше шел на двенадцати страницах великолепной латыни целый трактат, развивавший гипотезу строения веществ из мельчайших корпускул.

Так началась переписка двух крупных деятелей тогдашней науки, оборвавшаяся только с кончиной Ломоносова. Обсуждали они и теорию строения света. Дело в том, что в Берлине среди прочих занятий Эйлер заинтересовался оптикой.

Астрономам очень мешала хроматическая аберрация — следствие пресловутой дисперсии света. Вокруг увеличенного изображения расплывается радужная кайма, и чем больше увеличение, тем она шире. Никаких мелких деталей лика планеты не увидать... Чтобы бороться с аберрацией, следовало прежде всего подойти к проблеме теоретически, а корпускулярная теория Ньютона тут ничем не помогала.

Эйлер принял точку зрения Гюйгенса, но существенно видоизменил ее. По Гюйгенсу, колебания эфира напоминали волны от падающих время от времени в воду капель: всплеск — разбегание затухающих волн, всплеск — разбегание... Эйлер же полагал, что колебания непрерывны: «В Системе Мира Солнце, потрясаясь беспрестанно, приводит окружающий его эфир в сотрясательное движение, которое составляет свет, простирающийся лучеобразно во все стороны от Солнца к планетам, как от центра к периферии. Чем сотрясение эфира свободнее, тем свет яснее, и тела, проводящие в себе оное сотрясение, суть прозрачны; непрозрачность же тел зависит от остановления в них эфирного сотрясения (вот оно — поглощение света, которого не было ни у Ньютона, ни у Гюйгенса! — В. Д.), которое, по различной его обширности и скорости, оказывается разноцветным светом».

Еще более определенно он высказался в письме к Ломоносову от 30 марта 1754 года: «Я принимаю, что свет в эфире, подобно звуку в воздухе, рождается колебательным движением, и основываю различие цветов на различной скорости колебаний, так что цвета различаются друг от друга так же, как высокие и низкие звуки...»

Из этого сразу же вытекала причина хроматической аберрации. Французский математик Пьер Ферма (тот самый, который выдвинул так и не доказанную по сию пору «Великую теорему») еще в первой половине XVII века рассчитал законы преломления света при переходе.из воздуха в вещество, исходя из предпо-ложения, что в нем скорость движения волн света меньше, чем в воздухе. Для колебаний с разными частотами это означало, что они будут преломляться по-разному.

Сегодня мы знаем, что дисперсия — следствие разной скорости световых волн различной частоты в веществе, Отсюда причина того, что лучи разного цвета фокусируются линзой на разном расстоянии от ее главной плоскости. Эйлер был знаком с работой Ферма и спросил себя: «Почему же наш глаз, хотя его «линза» — хрусталик и пропускает .через себя свет, лишен хроматической аберрации?» По-видимому, все дело в устройстве хрусталика, в сочетании его слоёв с разными коэффициентами преломления, сводящими аберрацию к нулю. Может быть, именно так и следует построить оптическую систему, избавленную от хроматического дефекта?

Эту мысль Эйлер развил в одном из своих мемуаров 1747 года, а десять лет спустя английский оптик Джон Долланд (бывший ткач, заинтересовавшийся астрономией) построил по этой теории двухлинзовый объектив, каждая чечевица которого была из стекла с разной дисперсией,— объектив, лишенный хроматической аберрации. Успех теории был полным и убедительным.

Ломоносов разрабатывал свою теорию света, также порывавшую с ньютонианской традицией и тяготевшей к взглядам Декарта и Гюйгенса. В рабочих тетрадях 1741—1743 годов то и дело встречаются заметки: «... как распространяется через твердые тела звук, так распространяется и свет»; «свет не есть материя, истекающая из светящегося тела»; «свет от колебательного (движения)» и так далее.

Более того, наш великий соотечественник придерживался той точки зрения, что свет тождествен электричеству. В работе «Теория электричества» есть такая совершенно удивительная для того времени фраза: «Электрические явления — притяжение, отталкивание, свет и огонь — состоят в движении».

Но, как и Эйлер, считая свет колебаниями эфира, Ломоносов  расходился со своим великим другом во взглядах на сущность цвета. По мнению Ломоносова, колеблющийся эфир должен состоять из трех родов частиц: тяжелых, средних и легких, соответственно красным, желтым и голубым лучам. К частицам имеют сродство чувствительные элементы глаза, так что из смеси трех видов частиц, взятых в определенных пропорциях, получаются все возможные цвета. И хотя предположение о частицах разного размера и одинаково колеблющихся оказалось неверным,  идея о трех чувствительных элементах глаза дала толчок многим дальнейшим исследованиям. На нее ссылался в своей теории цветов Юнг, ее развил в XIX веке Гельмгольц, а сегодня она, конечно в усовершенствованном соответственно нашим знаниям виде, общепризнанна.

И все-таки, несмотря на огромный авторитет Эйлера, несмотря на известность европейским ученым основных трудов Ломоносова, взгляды этих российских академиков (после двадцатишестилетнего отсутствия Эйлер все-таки вернулся в Петербург) не получили поддержки. Почему? Косность? Недоброжелательство? Давление признанных авторитетов? Академик П. Л. Капица, касаясь этого вопроса в речи в связи с 250-летием со дня рождения Ломоносова, сказал, что «трагедия изоляции от мировой науки работ Ломоносова, Петрова и других наших ученых состояла в том, что они не могли включиться в коллективную работу ученых за границей...». Такая глухая изоляция российской научной мысли от мировой отвечала интересам самодержавия.

Исландский шпат против колебаний?
Между опытом и теорией очень своеобразные отношения. С одной стороны, опыт действительно дает какое-то знание, однако знание не удовлетворяется только опытом.

Оно строит на фундаменте опыта собственные гипотезы и теории, непосредственно из опыта вроде бы не вытекающие. Скажем, понятие инерции из опыта вовсе не следует, оно результат очень глубоких обобщений, абстракций. «Опыт сам подлежит объяснению, и это объяснение составляет задачу теории»,— замечает Марио Бунге, известный исследователь проблем науки и становления знаний.

Объяснение фактов — процесс творческий, он идет значительно дальше имеющихся в распоряжении ученого результатов. Если это было бы не так, если бы простыми логическими операциями удавалось выводит новое знание из старого, не существовало бы ни гениальных, ни бесталанных ученых: каждый владеющий логикой автоматически владел бы и способностью к научной работе.

«Для любого множества данных имеется неограниченное число теорий, которые могут их объяснить». А вот путь к новым, еще неизвестным данным, вытекающим из теории, один-единственный. До тех пор, пока наука не накопила достаточного количества фактов, совершенно не объяснимых с позиций старой теории (не объяснимых даже путем самых невероятных ухищрений), старая теория будет пользоваться популярностью, находить приверженцев, а новая — прозябать.

Зато когда есть наблюдения, решительно выходящие за рамки принятых теорий, новые, дотоле отвергавшиеся взгляды вдруг получают признание, а старые, исполненные «здравого смысла», — отмирают. Корпускулярная теория отлично объясняла, что такое цвет и почему из смешения двух цветов получается третий. Волновая тогда этого объяснить не могла: от сложения двух колебаний получается не среднее арифметическое между ними, а частота, равная сумме или разности  слагаемых частот (впрочем, физики тех времен даже этого не знали).

Сторонники корпускулярной теории и прежде всего Ньютон объясняли явления оптики таким фундаментальным законом, как закон всемирного тяготения. Преломление света — результат притяжения корпускул материалом линзы или иного предмета. Полутень за непрозрачным экраном —опять-таки следствие тяготения светоносных корпускул к краю экрана и «нагнутая» (выражение Ньютона) прямолинейной линии их распространения.

Ньютон придал своим частицам множество свойств, прекрасно объяснявших почти все оптические феномены: корпускулы вращались во время движения, отражающие силы действовали только на больших расстояниях между предметом и световым лучом, а преломляющие — только намного меньших расстояниях, края экрана, в зависимости от условий опыта, то притягивали частицы света, то отталкивали...

Горячий «сторонник корпускулярной теории француз Жан Батист Био, сто лет спустя после Эйлера и Ломоносова добавлял световым частицам все новые и новые, еще более раэнообразные свойства, вплоть до связи частиц с глубинными слоями Солнца, из которых частицы вылетели... Конечно, были вопросы, с которыми эта теория не могла сладить: скажем, почему свет внутри тени, образованной краем тела, движется по гиперболе, а отраженный от того же самого края — прямолинейно? Ведь в обоих случаях масса, действующая на корпускулы, одна и та же... На это отвечали, что в будущем окажется познанным и это явление.

Волновая теория не могла ответить и на такой вопрос (решаемый в рамках корпускулярной теории!): чем обусловлены удивительные свойства исландского шпата? Это вещество было поистине странным. «Из Исландии, острова, находящегося на широте 66°, был привезен кристалл или прозрачный каменъ, весьма вамечательный по своей форме и другим качествам, но более всего но своим странным преломляющим свойствам»,— отме-тил Гюйгенс в 1678 году, почти через сто лет после того, как датчанин Расмус Бартолин, копенгагенский профессор математики и медицины (вот какое бывает «совмещение профессий»!), впервые сообщил о своих наблюдениях над новооткрытым кристаллом.

Проходя-щий через исландский шпат луч света разделяется на два: человек видит два изображения, смещенные друг относительно друга. Один луч, продолжающий линию падения входящего света, называют обыкновенным, а отклонившийся — необыкновенным. Необыкновенность же1 его такова: при нулевом угле падения, то есть пер-пендикулярно поверхности раздела двух веществ (ска-жем, куска стекла и воздуха), луч преломляется, хотя входящий в кристалл свет и обыкновенный луч такой способностью при нулевом угле не обладают.

У «корпускулистов» объяснение — прелесть. Они говорят: «Луч света — смесь частиц, вращающихся в разные стороны. И кристалл исландского шпата — сортировщик, он разделяет корпускулы на два потока. В одном — те, которые придают лучу обыкновенные свойства, в другом — свойства необыкновенные». Всё по Ньютону, который и для такой «причуды» природы нашел физи-ческое объяснение на базе тех же изначальных, неизменных свойствах лучей, благодаря которым они, эти лучи, могут преломляться то «обыкновенно», то «необыкновенно».

А сторонникам Гюйгенса, да и ему самому, так и не удалось построить убедительную физическую теорию для объяснения загадочного явления. Но геометрические построения Гюйгенса, наглядно показывающие, как ве-дут себя лучи, проходящие через кристалл, были почти безупречны. И, как ни странно, именно повышенное вни-мание к удивительному кристаллу привело в конце кон-цов к победе волновой теории!

Математика впереди опыта
Судьба передавала эстафету волновой теории.

За десять лет до смерти Эйлера, когда потерявший зрение акаде-мик уже больше не занимался оптикой и светом, родился в Англии, в семье торговца средней руки Томас Юнг — человек, разносторонность талантов которого позволяет многим исследователям сравнивать его с Леонардо да Винчи. Способности Юнга проявились очень рано.

В два года он выучился читать, в восемь — освоил математи-ку и геодезию настолько, что определял расстояния и высоты не хуже соседа-землемера, у которого научился этому искусству. С девяти лет стал изучать языки и к четырнадцати годам овладел латынью, греческим, арабским, древнееврейским, а позже — персидским, французским и итальянским. Увлекшись ботаникой, ре-шил построить микроскоп, а так как любил ко всему подходить основательно, овладел для расчетов диффе-ренциальным исчислением, а   для работы — токарным искусством.

Девизом Юнга были слова: «Каждый способен сде-лать то, что умеют делать другие» — и поэтому он вы-учился играть чуть ли не на всех известных тогда му-зыкальных инструментах, танцевал на канате ничуть не хуже профессионального циркача, а когда учился в Гёттингене, выступал в цирке и качестве наездника, вольтижируя на двух скачущих лошадях сразу!

Но серьезно увлекла его не математика или физика, а  медицина.  Первой  его  научной  работой  стали  «На-блюдения над процессом зрения», а в 1800 году двадца-тисемилетний доктор медицины Юнг напечатал трактат «Опыты и проблемы по звуку и свету», критикующий ньютоновскую теорию истечения  корпускул.   

«Все  све-товые лучи, происходят ли они от слабой электрической искры, от удара двух камней, от ничтожнейшей степени ощутимого  глазом накаливания,— все они распростра-няются с одинаковой  скоростью. Какое же основание может дать теория истечения для того, чтобы все эти разнообразные  источники выбрасывали из себя светя-щиеся частицы с равной скоростью?» — спрашивал Юнг. И делал вывод: волновая теория Гюйгенса более верна.

И не только потому, что она объясняет постоянство скорости света, порожденного разными источниками. Волновая теория отлично вскрывает причину светлых и темных полос и областей,  которые  во  время  опытов с солнечными лучами обнаружил Гримальди. Ведь вол-ны обладают замечательным свойством: они могут уси-ливать друг друга и ослаблять.

Если одна волна в инте-ресующей нас точке  пространства выпятилась горбом, а другая сделала то же самое,— два горба сложатся, волна всплеснется выше. Если же встречаются горб и впадина, происходит  вычитание. Каков будет результат, это зависит от размаха (амплитуды) волн, как в арифметике: сложите один и один — получится два, вычтите — нуль. Волны, идущие к экрану от двух дырочек в ставне, в одних местах усиливают друг друга, и других нейтрализуют. Вот и получаются чередования светлых и темных мест. Эту способность волн взаимо-действовать Юнг назвал интерференцией («интер» по-латыни значит «взаимно», а «ферентис» — «несущий»).

Так что патер Гримальди открыл не только дифрак-цию, когда ставил на пути света палку, но и интерферен-цию (ее дали два луча от двух дырочек), однако различить их не сумел. Впрочем, не нам быть строгими после того, когда все объяснено, легко укорять ученых в незнании, будучи старше их на несколько столетий...

Интерференция сразу же показала причину множе-ства явлений, хорошо известных физикам.

Например, окраску мыльных пузырей: свет, отраженный от перед-ней и задней поверхности пленки, интерферирует, так что все лучи гасятся, кроме тех, для которых толщина пленки отвечает условиям усиления света. И из смеси цветных лучей, дающих белый солнечный свет, как бы вырезаетси нужный кусочек. Благодари интерференции сверкают всевозможными красками пятна бензина на воде и крылья бабочек. Может показаться странным, по-чему яркие солнечные лучи не затмевают сделанную из них же окраску. Но формулы интерференции дают от-вет: интенсивность выделенного луча вчетверо превыша-ет интенсивность света, подвергшегося интерфериро-ванию.

Интерференция произойдет и тогда, когда мы нало-жим линзу достаточно большого радиуса кривизны на стеклянную пластинку и осветим эту композицию выре-занным из спектра одноцветным, монохромати-ческим светом. Возникнут светлые и темные кольца — кольца Ньютона, впервые их описавшего (наблюдение можно вести и в белом свете, но тогда они выглядят радуж-ными, а главное — их видно гораздо меньше, чем в мо-нохроматическом освещении).

Не принимая колебатель-ной теории Гука, которая заключалась в том, что свет распространяется сфери-ческими волнами, Ньютон, как мы знаем, полагал, что наполняющий все тела эфир колеблется под ударами световых корпускул. Из этого он сделал вывод, что свет, попавший в промежуток между линзой и пластинкой, находится то в «приступе легкого прохождения» через стекло (когда эфир разре-жён), то в «приступе легкого отражения»  (когда эфир сгущён  благодаря своему  колебательному  движению).

Затем Ньютон вычислил, с какой скоростью сменяют друг друга эти «приступы»,— сегодня, зная радиус лин-зы и расстояние между кольцами, такую работу делает студент первого курса. Результаты, как легко понять, абсолютно ничем не будут отличаться от цифр, получен-ных с позиций волновой теории. Юнг,   проделавший необходимые вычисления, впервые в истории измерил длину световой волны и именно так  назвал ре-зультат.

Кольца Ньютона помогли разрешить одну  загадку, которая во времена Юнга мучила ученых. В  1800 году знаменитый английский астроном Уильям Гершель (отец Джона, который так восторженно отозвался о дагеро-типах) взял несколько разноцветных стекол и стал смо-треть на Солнце. «Самым замечательным  было  то,— писал он впоследствии,— что при рассматривании Солн-ца через определенные стекла я чувствовал тепло, не-смотря на то, что стекло почти не пропускало света, в то же время в опытах с другими стеклами, пропускавши-ми много света, тепловое ощущение было ничтожным».

Гершель поставил и другой эксперимент: разложил сол-нечный свет в спектр и в темноту за его красным концом ввел термометр. Ртутный столбик тут же полез вверх, демонстрируя, что там есть какие-то лучи, несущие теп-ло. Зато с другой стороны, фиолетовой, термометр ни-чего не показал. Может быть, чувствительность его ока-залась недостаточной?

Юнг поместил прибор, дающий кольца Ньютона, в об-ласть за фиолетовыми лучами. Под стеклянную пла-стинку положил бумагу, смоченную азотнокислым се-ребром. Спустя некоторое время на ней явственно про-ступили три темных кольца, подтвердившие «аналогию между видимыми и невидимыми лучами». Случилось это событие в 1803 году — можно считать его началом применения фотографии в науке.

Итак, получено еще одно доказательство в пользу волновой теории. Но немедленного признания взглядов Юнга не последовало. Волновая теория не могла объ-яснить прямолинейного распространения света. Математическое объяснение дифракции, предложенное им, не удовлетворяло придирчивых критиков. Наконец, вол-ны, подобные волнам звука, совершенно не позволяли понять, почему существуют странные свойства исланд-ского шпата. Корпускулы же и «приступы» худо-бедно, но давали ответы почти на все вопросы.

Окончательный удар корпускулярной теории нанесли не опыты, а математика. То есть формулы, полученные фран-цузским инженером Огюстеном Жаном Френелем, учив-шимся математическому мышлению у самого Лежандра, основателя теории геодезических измерений, впослед-ствии близкого друга Френеля.

(Биография Френеля — доказательство того, что успехи в раннем детстве мало что означают: в восемь лет он едва умел читать, и по-тому был отдан в школу только в тринадцатилетнем воз-расте; однако уже в шестнадцать лет сдал экзамены в Политехническую школу в Париже, «где необыкновен-ными успехами в математике вскоре обратил на себя внимание преподавателей».)

После окончания Политехнической школы будущий создатель теории света окончил „Школу мостов и дорог", а потом, нисколько не помышляя о физике, руководил путеремоитнымн работами в Вандее, Дроме и других департаментах Франции. Наполеона он не любил и счи-тал его разгром закономерным и полезным для страны событием. «Сто дней» вернувшегося на престол импера-тора оказались для роялиста Френеля роковыми: его уволили со службы.

Это исторически малозначительное обстоятельство оказалось весьма историческим для фи-зики. Не будь двадцатишестилетний инженер избавлен на время от суетных забот (а они одинаково докучливы строителям всех времен и народов), кто знает, сколь-ко бы еще десятилетии понадобилось бы для математиче-ского обоснования волновой теории. А так — нашлось вре-мя для чтения, и среди прочего попалась на глаза какая-то книга, а в ней упоминание о поляризации света.

Ее оживленно обсуждали в научных кругах после того, как в 1808 году парижский физик Этьенн Луи Малюс об-наружил, что, рассматривая через кристалл исландского шпата Люксембургский дворец, его окна в обыкновенном и необыкновенном лучах выглядят по-разному, более или менее яркими. Малюс решил, что у корпускул света есть полюса, как у Земли, и пред-положил, что всё дело в том, как повернуты эти полюса относительно кристалла, как поляризованы кор-пускулы. «Не зная, что понимают под поляриза-цией света, я обратился с просьбой к дяде Мериме, чтобы он выслал мне сочинения, из которых я мог бы по-знакомиться с этим вопросом» (из частного письма Фре-неля от 28 декабря 1814 года).

На первых порах интерес Френеля к свету и ко всем связанным с ним явлениям, над разгадкой которых бились и Ньютон, и Гюйгенс, и Юнг,— покамест это чистое дилетанство, как сказали бы мы сей-час, да и сам он относится к своим опытам и мыслям сдержанно. Кого и где могут заинтересовать формулы, выводимые провинциальным инженером (после вторич-ной реставрации Бурбонов Френель получил прежнее место)?..

И опять счастливое вмешательство «его величества Случая»: именно в начале 1817 года, когда идеи Фре-неля окончательно сформировались, когда все необхо-димые опыты, хотя н по-любительски, были поставлены и увенчались полным успехом, а нужные уравнения выве-дены, Парижская академия объявила конкурс на луч-шее сочинение о дифракции.

Конкурс открытый, доступ-ный любому без боязни насмешек (психологи говорят, что самый сильный тормоз — наши личные представления о том, что прилично или не прилично нам делать). В кон-це июля того же года мемуар Френеля был представлен в академию, и Араго, такой чуткий ко всему новому и оригинальному, сразу заявил, что эта работа — эпохаль-на. Даже убежденный «корпускулист» Био был вынужден признать: «Френель сумел с исключительной строгостью подвести под одну общую точку зрения все случаи ди-фракции и охватить их формулами, которыми отныне и навсегда устанавливается их взаимная зависимость». Как удалось это человеку, совершенно не занимавшемуся до того физикой?

Конечно, нельзя сбрасывать со счетов курс наук, про-слушанный в Политехнической школе, серьезнейшем высшем учебном заведении Франции, из которого вышли и Малюс, и Араго (лишь на два года опередивший Фре-неля в ее окончании), и Био, и многие другие крупные исследователи. Но не менее важно и другое: Френель восстановил забытый за прошедшие сто лет принцип Гюйгенса, ускользнувший даже от Юнга, и связал этот принцип с интерференцией (отныне он будет называться принципом Гюйгенса—Френеля).

Каждая точка волны— источник точно таких же волн. Отсюда следует, что, если на сферическую волну поместить математическую точку, она сможет двигаться только прямолинейно, по ли-нии, соединяющей источник света с этой точкой. Так гово-рили формулы Френеля. Так без всяких корпускул была решена проблема светового луча —кратчайшей линии между двумя точками.

Любая картина волнового движения, заявлял Фре-нель,— это результат наложения друг на друга множе-ства элементарных волн, порожденных отдельными точ-ками первичной волны. Значит, можно ставить на пути этой волны различные экраны, сплошные и решетчатые, и смотреть (сначала с помощью формул, а потом на опыте), что же будет получаться, совпадут ли вычисле-ния и эксперимент?

По ходатайству Араго и Лапласа правительство пе-ревело провинциального инженера в столицу, назначив его смотрителем мостовых Парижа. Получил Френель и место экзаменатора в Политехнической школе (был та-ком принцип приема: знания поступавшего проверяли люди, не связанные с учебным заведением). Пригласили его выступить на заседании академии: «Мемуар о ди-фракции света» получил конкурсную премию.

Вокруг любого замечательного открытия накапли-ваются с течением времени всевозможные истории. Случилась такая история и с «Мемуаром». Проверив по поручению Академии расчеты Френеля, математик Пу-ассон категорически заявил, что теория если и не совер-шенно ошибочна, то во всяком случае даст нелепые результаты. Получается, что при определенных условиях в центре тени от круглого экрана должна появиться яркая точка, окруженная светлым кольцом. Внутри те-ни — свет? Нонсенс!

Однако «невероятное» не значит «неверное». Фре-нель просит поставить эксперимент. Он уверен, что фор-мула справедлива. За дело берется Араго — и обнару-живает предсказанный Пуассоном эффект! Волновая теория получила еще одно очко в свою пользу. Забав-но, что впоследствии эффект этот получил имя «опровер-гателя» Пуассона, а не Френеля.

Впрочем, дотошные историки науки выяснили, что явление наблюдали еще в XVII веке француз Далиль и испанец Маральди, которые описали странный результат в своих трудах (тог-дашние ученые любили рассказывать не только о том, что они знают, но и о своём незнании, не опасаясь кри-вых усмешек). Но факт этот затерялся среди множе-ства других, да и не укладывался он в тогдашние теории.

Френель, работая над «Мемуаром о дифракции све-та», хотя и говорил о колебаниях эфира, не старался конкретизировать, какие именно колебания он имеет в виду. Вообще-то ему казалось, что эти волны напоми-нают колебания водяных волн, но и Араго, и Лаплас, и Пуассон отнеслись к подобной идее отрицательно (им более по душе были сгущения и разрежения волн звука), так что Френель предпочитал до поры не выдвигать ги-потез. Однако в январе 1817 года Юнг в письме, адре-сованном Араго, сообщил о том, что поляризацию волн можно объяснить, если встать па точку зрения поперечности световых колебаний (как поперечны водяные волны). В этом случае слово «поляризация» будет озна-чать, что плоскость, в которой колеблются волны, повер-нута так или иначе. (Водяные волны будут обладать вертикальной поляризацией, а, скажем, ползущая змея — горизонтально поляризованными извивами.) Исланд-ский шпат как бы вырезает из солнечных лучей со все-возможными поляризациями два вида колебаний, и от-того они так разнятся.

Увы, частное письмо — не научный трактат. Араго вспомнил о письме Юнга только четыре года спустя, ко-гда Френель все-таки решился настоять на своем и объ-явил, что волны света — это поперечные колебания эфи-ра. «Эта гипотеза находилась в таком противоречии с общепризнанными представлениями о природе колеба-ний упругих жидкостей (так в то время представляли эфир.— В. Д.), что я долго не решался ее принять...— писал Френель.— Будучи смелее в своих предположениях и меньше доверяя взглядам математиков, г-н Юнг опу-бликовал эту гипотезу раньше меня (хотя, быть может, открыл ее и позднее)».

Что же касается дифракции, то она прямо вытекала из принципа Гюйгенса—Френеля. Край непрозрачного экрана — источник элементарных волн. Проходящий ми-мо него свет — также источник аналогичных волн. От-сюда  с железной необходимостью вытекает следствие: в зону тени от экрана будут распространяться волны, образованные этими элементарными источниками. Ины-ми словами, тень принципиально не способна быть рез-кой, свет как бы загибается за экран и образует полу-тень. А из-за интерференции волн в зоне тени возникнут чередующиеся светлые и темные полосы. Точно так же волны будут заходить в тень от палки (как было в опы-тах Гримальди) и интерферировать "там, делая тень полосатой.

Не кажется ли вам, что я несколько запутанно пы-таюсь объяснить разницу между интерференцией и дифракцией? Каюсь, так оно и есть. Потому что, как сказал один из замечательнейших физиков нашего вре-мени Ричард Фейнман, «до сих пор никому не удалось удовлетворительным образом определить разницу между дифракцией и интерференцией. Дело здесь только в при-вычке, а существенного физического различия... нет. Единственное, что можно сказать по этому поводу,— это следующее: когда источников мало, например два, то результат их совместного действия называют интерфе-ренцией, а если источников много, то чаще говорят о дифракции».

Френель сделал еще одно открытие. Он, как об этом писал Араго, продемонстрировал интерференционную картину не только на экране: «Они (чередования свет-лых и темных полос.— В. Д.) ясно образуются в про-странстве, где можно за ними следовать астрономиче-ским микрометром с сильным увеличением». По сути, Френель увидел, а за ним и все остальные, нечто очень близкое к голографической картине, но было еще совсем не то время, когда могла прийти мысль о подобном явле-нии...

Личность Френеля восхищает. Начав буквально с нуля, ничего не зная о предмете своих будущих исследо-ваний, он спустя два года становится академиком Фран-ции, спустя еще два года — членом Королевского общества, с такой дотошностью и осторожностью выби-рающего своих иностранных членов, а еще через два го-да — лауреатом высшей награды этого общества: медали Румфорда.

Увы, быть ученым в то время не означало материальной обеспеченности. Френель вынужден тру-диться для заработка, надрывая силы. У него открылся туберкулез, и в июле 1827 года создатель математиче-ской теории интерференции и дифракции скончался.
Спустя два года умер Юнг, соотечественники которо-го — члены палаты общин — буквально затравили уче-ного, выискивая опечатки в «Навигационном альмана-хе», который тот редактировал.

Но толчок, который эти два знаменитых исследова-теля дали теории света, был колоссальным. Уже начиная примерно с 1830 года у корпускулярной гипотезы не осталось серьезных защитников, а явления интерферен-ции и дифракции стали использоваться в самых раз-нообразных научных приборах.

Свет равен электричеству?
Надо, впрочем, ясно представлять, что Юнг и Френель подходили к свету с позиций обычной механики. Их вол-ны, какими бы странными ни казались современни-кам, выглядели лишь простыми упругими колебаниями удивительного по своим свойствам эфира.

Фантастич-ность его превосходила всякое вероятие: необыкновенно разряженный, чтобы не оказывать сопротивления дви-жению небесных тел, эфир обладал упругостью, в сравнении с которой крепчайшая сталь выглядела чуть ли не пластилином. Правда, физики уже стали по-степенно привыкать, что свойства природы не обязаны соответствовать обыденным представлениям, однако да-же самым ярым вольнодумцам такие характеристики эфира представлялись (как потом выяснилось, совер-шенно справедливо) чем-то из ряда вон выходящим и нереальным.

Особенно сильно подверглась сомнению гипотеза эфи-ра в трудах шотландца Джеймса Клерка Максвелла, чье имя стоит в одном ряду с такими гигантами, как Га-лилей, Ньютон, Эйнштейн. Ибо Максвелл создал свои знаменитые уравнения, которые объединили в неразрыв-ное целое явления электричества и магнетизма. Из них вытекало, что должны существовать электромагнитные волны, движущиеся со скоростью света.

А самое главное, пожалуй: они, эти уравнения, говорили, что свет есть, по-видимому, не что иное, как электромагнитное поле, а потому оптические характеристики веществ должны быть связаны с электрическими. Как заметил Ричард Фейнман, «движение атомов далекой звезды... возбужда-ет электроны нашего глаза, и мы узнаём о звездах»,— вот такое единство Вселенной вскрыто уравнениями Мак-свелла.

Максвелл родился через два года после смерти Юнга. Образование он получил сначала в Эдинбургском, а за-тем в Кембриджском университете (в том самом Тринити-колледже, где учился «недостаточный студент» Ньютон) при полном господстве уже волновой теории света. И естественно — представлений об эфире как но-сителе этих колебании.

Но был тогда в Шотландии мо-лодой профессор Уильям Томсон: будущий знаменитый лорд Кельвин, состоявшим и приятельских отношениях с мужем сестры Максвелла, и занимался он теорией электричества и магнетизма с несколько иных, нежели обычно, позиции.

Поэтому нет ничего удивительного, что он в 1854 году получил письмо от юного бакалавра Максвелла, уже ведущего самостоятельно занятия со студентами Тринити-колледжа:
«Дорогой Томсон!
...Представьте себе человека, имеющего популярные сведения о демонстрационных электрических экспери-ментах и небольшую антипатию к учебнику по электри-честву Морфи,— как должен он читать и работать, что-бы приобрести хотя бы небольшое понимание сущности предметов, которое могло бы пригодиться при дальней-шем чтении?
Если бы он захотел читать Ампера, Фарадея и дру-гих, как ему это сделать, и на какой стадии и в какой последовательности он мог бы читать Ваши статьи в кембриджском журнале?»

Томсон не замедлил с ответом. Он дал список книг, порекомендовал, что изучать сначала, а что потом. Он был прекрасным методистом (как, впрочем, и практи-ком, что успешно продемонстрировал на прокладке транс-атлантического телеграфа: это сооружение и принесло ему титул лорда), а Максвеллу только оставалось сле-довать его советам.

Зерна пали па благодатную почву. Уже через год Джеймс Клерк намеревается соперничать со своим учи-телем:
«Я много почерпнул из Ваших работ по электриче-ству...
Я не знаю Правил Игры и Патентных Законов пауки. Возможно,   ассоциация    (Британская   ассоциация   ученых.— В. Д.) сможет сделать что-нибудь, чтобы зафик-сировать их, но я, несомненно, намереваюсь сейчас бра-коньерствовать среди Ваших электрических символов...»

Таково начало работы над теорией связи между элек-тричеством и магнетизмом, завершившейся через восем-надцать лет «Трактатом по электричеству и магнетизму». В нем были напечатаны знаменитые уравнения, но преж-де чем это произошло, Максвелл опубликовал еще не-мало других работ — ступеней к новому величественному зданию. Одна из статей называлась «О фарадеевских силовых линиях», и в ней был намечен подход к фунда-ментальному свойству электромагнитного поля: изменяю-щееся магнитное поле вызывает появление поля элек-трического, а изменяющееся электрическое порождает магнитное.

Первое явление было известно как эффект Фарадея, второе обнаружил Максвелл. В октябре 1861 года он сообщает Фарадею еще об одном наблюде-нии: существует несомненная связь между электриче-ством, магнетизмом и скоростью света. Разделив друг на друга электромагнитную и электростатическую еди-ницы электричества, можно получить скорость света, и это совпадение вряд ли случайно.

Но семидесятилетний Фарадей, который всего четыре года назад прислал такое любезное письмо в ответ на статью о линиях его имени, который написал, что рабо-та Максвелла дает ему «стимул к дальнейшим размыш-лениям», патриарх всех ученых, исследовавших электри-чество,— Фарадей не ответил на этот раз. Он угасал. Он прекратил чтение лекций, отказался от профессуры. Он уже не был в состоянии понять то, что сообщал ему о связи электричества и магнетизма тридцатилетний профессор. Должно быть, только поэтому Фарадей и не попросил вскрыть, наконец, тот конверт, который лежал в архиве Королевского общества...

А в этом запечатанном конверте, который Фарадей сам привез в архив, когда годовалый Джеймс Клерк Максвелл только начинал постигать своими карими гла-зами мир,— в этом запечатанном конверте па листке бумаги было написано следующее:

«Я пришел к заключению, что на распространение магнитного воздействия требуется, время, которое, оче-видно, окажется весьма незначительным. Я полагаю, также, что электрическая индукция распространяется точно таким же образом. Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса похоже на колебание взволнованной водной поверхности... По ана-логии я считаю возможным применить теорию колебаний к распространению электрической индукции».

Эти замечательные мысли были обнародованы толь-ко в 1938 году!.. Прозорливость Фарадея потрясала, но к изумлению примешивалась горечь от сознания того, что даже самые великие исследователи не свободны от стра-ха быть осужденными своими собратьями.

«В настоя-щее время,— продолжал Фарадей,— насколько мне из-вестно, никто из ученых, кроме меня, не имеет подобных взглядов...» Он не сомневался в своей правоте. Он не желал вызывать на себя огонь критики тех, кому потре-буется еще много-много времени, чтобы вникнуть в глу-бины высказанных идей. Как жаль, что научный мир узнал о связи мыслей Фарадея с мыслями Юнга и Фре-неля так поздно! Пусть один говорил об электрических и магнитных полях, а двое других о свете,— вполне воз-можно, что кто-то четвертый, а может быть, и один из них взял бы на себя смелость высказать еще одну идею -о связи электричества, магнетизма и света.

И пришлось ждать до 1873 года, когда вышел «Трактат но электричеству и магнетизму». В нем было без обиняков сказано, что свет есть электромагнитное поле, и как всякое поле, оно способно производить работу. «В ясную погоду солнечный свет, поглощаемый одним квадратным метром, дает 123,1 килограммометра энер-гии в секунду, он давит на эту поверхность в направлен нии своего падения с силой 0,41  миллиграмма».

Далеко не все физики были подготовлены к восприя-тию электромагнитных полей Максвелла. Кое-кто считал, что уравнения — это просто некие упражнения в мате-матике, не связанные с реальностью. Но нашлись и та-кие ученые — к счастью, их было немало,— которые по достоинству оценили всю работоспособность необычных формул.

Один из них, молодой голландский физик Гендрик Антон Лоренц, будущий Нобелевский лауреат, вспоминал много лет спустя: «...Толкование света как электромагнитного явления по своей смелости превзо-шло все, что я до сих пор знал». Лоренц создал элек-тронную теорию строения атома и электронную теорию взаимодействия поля и вещества, опираясь на уравне-ния Максвелла. Это случилось в 1900 году, двенадцать, лет спустя после того, как Генрих Герц получил электромагнитные волны — «лучи электрической силы», «све-товые лучи с очень большой длиной волны», как назы-вал их немецкий физик, заявивший, что «...описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения».

И в том же году, когда Лоренц защитил свою докторскую диссертацию, на Международном конгрессе физиков в Париже рассказал об экспериментальной проверке дав-ления света русский физик Петр Николаевич Лебедев. Его прибор улавливал силу в три стотысячные доли мил-лиграмма. Прослушав доклад, лорд Кельвин сказал: «...Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавал его светового давления, и вот... Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Оставалось всего каких-то пять лет до самого вели-кого переворота в умах—возникновения теории относи-тельности.

Свет, относительность, кванты
Электромагнитная теория света не покончила, как можно было ожидать, с представлением об эфире. Наоборот, на какое-то время интерес к нему даже возродился. Лорд Кельвин, переживший своего друга Максвелла на целых двадцать восемь лет, предложил такую модель: эфир есть несжимаемая жидкость с нулевой вязкостью, в которой бесконечно вертятся маленькие вихри. Они объясняют, почему эфир не оказывает сопротивления движению планет,— это вытекало из присущих ему внутренних свойств. Становились в какой-то мере понят-ными и другие особенности этой жидкости, кроме одной: существует ли она на самом деле?

Казалось, ответ можно получить немедленно, стоит только измерить скорость света вначале, чтобы она по направлению совпадала со скоростью полета Земли во-круг Солнца, а потом чтобы скорости были противопо-ложны. Если эфир существует, разница скоростей в том и другом случае должна была бы составить шестьдесят километров в секунду — удвоенную скорость движения Земли. Техническое воплощение такого мысленного экс-перимента наталкивается, однако, на массу сложностей.

И потому американский физик Альберт Абрахам Майкельсон решил провести измерения по-иному: сравнить не просто скорости света в направлении «вдоль по орби-те», но и сопоставить их со скоростью света, идущего перпендикулярно полету Земли. Тогда появился бы эта-лон, поскольку свет, идущий поперек пути планеты, не изменял бы своей скорости. Однако как ни старался Майкельсон, прибор его показывал одно и то же: нуль.

Получалось, что если эфир существует, он не оказы-вает никакого влияния на скорость света. Схема сложе-ния скоростей, известная каждому школьнику, почему-то не срабатывала. Почему же?

Предлагалось довольно много объяснений, пока Аль-берт Эйнштейн в 1905 году, проанализировав результаты, полученные Майкельсоном, Лоренцом и другими фи-зиками, не предложил решение простое, изящное, но «сумасшедшее»: скорость света в пустоте всегда посто-янна, как бы мы ее не измеряли.

Электромагнитное поле — вполне материальный объ-ект, существующий потому, что такова его природа. (А что поле — особый вид материи, легко удостоверится каждый, положив кусок мяса в электромагнитную мик-роволновую печь: за считанные минуты оно насквозь прожарится без огня и пламени.) Постоянство же ско-рости света следовало из того, что в пространстве нет «абсолютно неподвижной» точки, относительно которой можно было бы пчмерятг. скорости. Все точки пространства равноправны. Кроме того, во время движения всё, что движется, слегка сплющивается, а насколько — это зависит от соотношения скорости объекта и скорости све-та. Сокращаются все предметы и в том числе все измерительные линейки. И как бы быстро ни двигался объ-ект, измеренная скорость света всегда останется одной и той же. Уж так устроена природа.

Как видите, в этой картине, нарисованной Эйнштей-ном, эфиру просто нет места, он оказался ненужным, лишним.

Справившись со скоростью света, физика тут же вспомнила, что свет подбросил ей еще один твердый орешек — «ультрафиолетовую катастрофу». Существова-ло несколько довольно точно сформулированных законов излучения и поглощения электромагнитных волн, но когда их соединяли вместе, получалось, что нагретый предмет должен излучать в ультрафиолетовой области спектра бесконечно большую энергию. Это явно противо-речило опыту, а потому и получило столь отчаянное на-именование.

Вот в таком положении находилась теория излучения, когда к тупику присмотрелся профессор берлин-ского Института теоретической физики, блестящий пиа-нист и знаток классической музыки Макс Карл Эрнест Людвиг Планк. Предчувствуя грядущие открытия, это о нем и о физиках нового времени, еще не зная их имен (и так никогда и не узнав, ибо физики на рубеже XX ве-ка еще не пользовались громкой известностью), писал Верхарн:
Вооруженный взгляд, не знающий преград,
Идет в глубины — к атомам, к светилам,
К началам всем...
И дальше:
О, эта истина, затерянная в безднах,—
Нас ожидает издавна она!
Так выхватим ее из тесных ножен!
Путь отступления отныне невозможен.
Отыщем слово, что из горных скал
Выводит, наконец, на перевал,
Откуда взору
Широкие откроются просторы.
Отправной точкой рассуждений Планка был вопрос почему тела испускают тепловые лучи — электромагнит-ные волны? После опытов Герца было ясно, что тут не обойтись без каких-то излучателей. А так как все тела состоят из атомов, то именно атомы, беспрерывно колеблясь, и должны играть эту роль. Почему же тепло поглощается? Опять понятно: тепловые волны отдают свою энергию колеблющимся атомам, еще более разго-няя амплитуду их колебаний. Процесс такой возможен лишь тогда, когда частоты колебаний атома и волны одинаковы, то есть когда имеет место резонанс.

Однако одного этого условия еще мало. И вот вто-рое — более важное — сформулировал Планк. Он предположил, что атом испускает и поглощает энергию «скачкообразно, порциями, кратными элементу энергии», а элемент зависит от частоты колебаний и некоего коэф-фициента, именуемого с тех пор «постоянной Планка».

Так началась эра квантов (по-немецки «квантум» — количество). Конечно, всё было уже подготовлено преды-дущим развитием науки. В 1897 году Джозеф Джон Томсон, профессор экспериментальной физики в Тринити-колледже (не лорд Кельвин, а его однофамилец), выска-зал знаменитую гипотезу электрона — носителя элементарного заряда — и год спустя доказал эксперименталь-но, что такие частицы существуют.

На сцену выходили «кирпичики», из которых складывались, пока еще не-явно, законы взаимодействия поля и вещества. Макс Планк выразил то, что уже носилось в воздухе. «Подоб-ные счастливые догадки есть удел тех, кто заслужил их тяжелой работой и глубокими размышлениями»,— сказал Лоренц.

По словам сына Планка, его отец понимал грандиоз-ность того, что сделал: «Или то, чем я занимаюсь те-перь, есть совершенная бессмыслица, или речь идет, быть может, о самом большом открытии в физике со времен Ньютона». Биографы Планка отмечают, что публично таких мыслей ученый никогда по высказывал. Он оставался сдержанным и скромным, более того, вы-глядел порой растерянным. Постоянная Планка оказа-лась не просто коэффициентом, каких в физике множе-ство. Этот коэффициент выглядел, как «таинственный посол из реального мира, который... требовал себе места в физической картине мира, но вместе с тем так мало подходил к этой картине, что в конце концов сломал оказавшиеся слишком тесными рамки...» (слова Планка).

О том, насколько идея квантов была вне мышле-ния многих физиком начала века, свидетельствуют замечания, которыми они обменивались после выступлений Планка, излагавшего свою теорию. «Дискретности энер-гии... нам кажутся чуждыми»,— говорил один уважаемый ученый. «Мне кажется, что гипотезу испускания кван-тами... нужно рассматривать скорее как форму изложе-ния, чем как выражение физической реальности»,— утверждал второй.

Эйнштейн выразился иначе: «Интеллектуал всегда рассматривает действительность в микроскоп». И дей-ствительно, квант действия, постоянная Планка исчезающе мала: 6,63 х 10-34 джоуля в секунду. Но эта ма-лость довольно крупна на уровне электрона, масса покоя которого 0,9 х 1027 грамма. А электроны вместе с посто-янной Планка имеют самое прямое отношение к свету. И нашел эту связь именно Эйнштейн. 
      ,
В статье «Об одной эвристической точке зрения, ка-сающейся возникновения и превращения света», напе-чатанной в 1905 году журналом «Аннален дер Физик», выходившим под редакцией Планка, создатель теории относительности  (статья о так называемой частной теории относительности была напечатана в том же журнале и в том же году) предложил рассматривать свет как по-ток элементарных порций света — фотонов, квантов све-товой энергии.

Такой подход сразу сделал понятным сущность фотоэффекта, при котором свет вырывает из металла электроны,— эффекта, не получавшего объяс-нения с других точек зрения (в 1921 году за открытие законов фотоэффекта Эйнштейну была присуждена Но-белевская премия). Но тут же возник другой вопрос: физика только что освободилась от ньютоновского кор-пускулярного подхода, прочно перешла на волновые позиции, а кванты, выходит, возвращают теорию света на прежнюю, признанную тупиковой, дорогу?

Даже Планк почувствовал себя неуверенно. «Лучше бы вы придумали, как понять факты, приведенные Эйн-штейном, в рамках классической теории»,— говорил он русскрму ученому Абраму Федоровичу Иоффе, когда тот приехал к Планку поделиться своими мыслями по поводу теории лучистой энергии. Но спустя семнадцать лет после появления статьи Эйнштейна было доказано на опыте, что фотоны сталкиваются с электронами, словно упругие шарики. Корпускулярность света не подлежала сомнению, одна-ко «шарики» оказались с сюрпризом: они не имели массы покоя!

Летящие частицы света обладают массой, они способны даже двигать космические корабли (фотон-ные ракеты вполне серьезно рассматриваются космонав-тикой, инженеры создают проекты «межзвездных парус-ников»), но едва фотон останавливается, он исчезает, переходит в энергию. Исчезновением фотона разрешился вопрос, которым противники корпускулярной теории све-та всегда доказывали ее несостоятельность: «Куда де-ваются корпускулы, прилетающие от Солнца к Земле?»

А они просто греют планету.

Эксперименты свидетельствовали, что свет двойствен. Интерференции и дифракции говорили, что это волна, а упругое рассеивание — что это частица. Мо-жет ли так быть? Обычная логика не допускала двой-ственности, она говорила: «Или — или!» Но эра такой логики с приходом квантов кончилась. Наука, обретя горы фактов, переходила на новую, более высокую сту-пень развития.

Вместо «или—или» приходила новая реальностью «и — и». В одних условиях свет ведет себя как волна, в других — как частица. Одно не противоречит другому. Свет двулик, словно Янус. Все зависит от того, как поставить опыт.

Кто-нибудь может спросить: «А что же тогда свет, на самом деле?» Такой вопрос лишен смысла. Занявшись сущностью света, мы входим в микромир с его особыми законами, не похожими на законы макромира. Изучить эти новые законы мы можем, только переведя их на язык законов макромира, единственно доступных нашим органам чувств. Таким переводом занимаются приборы, которыми оперирует физик.

Одни приборы способны, войдя в соприкосновение с микромиром, вы-сказываться на волновом языке, другие — на корпускул лярном. А вот слить вместе эти взаимоисключающие свой-ства наши лабораторные установки не могут, потому что свойства эти действительно исключают друг друга на языке макромира, на котором только и может нам что-то сказать прибор! Раздельно — пожалуйста, вместе — нет. Академик А. Ф. Иоффе, тот самый, который для мно-гих представителей первого поколения советских физиков был «папой Иоффе», по этому поводу выразился с ис-черпывающей ясностью: «Фотоны и электромагнитные полны нераздельны в свете, но обнаруживаются различ-ными способами».

Однако такое ограничение вовсе не означает, что мы ли-шены возможности узнавать природу света все глубже и глубже. Квантовая теория помогла объяснить, откуда берется свет. Датский физик Нильс Бор поразил в 1913 го-ду мир своей исключительно логичной и понятной тео-рией атома, опираясь на планетарную модель, пред-ложенную Резерфордом, и на квантовые представления: в центре, подобно Солнцу, тяжелое ядро, а вокруг, слов-но планеты, крутятся электроны.

Но, в отличие от планет, они способны перескакивать с орбиты на орбиту. Перескок происходит «мгновенно», в межорбитном пространстве электрону находиться запрещено, а вполне понятно, что на более высокой орбите он обладает большей энергией, нежели на низкой. Куда девается энергия? Она излуча-ется в виде фотона — кванта света. А энергия и частота излучения связаны через постоянную Планка. Малень-кий прыжок — длинноволновые инфракрасные лучи, прыжок с более высокого «этажа» — видимый свет вовсех его оттенках (тонкие различия отражают тонкие подробности строения атома!), а там — ультрафиолето-вые, рентгеновские лучи...

Двойственность света заставила задуматься, а нет ли двойственных свойств у электрона? Па этот вопрос ответил спустя одиннадцать лет после Бора французский физик Луи де Бройль. И ответил вполне определенно: «Да!» Теоретический вывод де Бройля в 1927 году Дэвиссон и независимо от него Томсон, сын Джозефа Дж. Томсона, подтвердили экспериментально.

Был сде-лан один из самых значительных, пожалуй, шагов в сто-рону новой механики — волновой или, как она стала потом называться, квантовой, а затем и в сторону кван-товой теории поля. Началось проникновение в самые сокровенные тайны мироздания — от мельчайших частиц до Вселенной, ибо выяснилось, что при определенных условиях целая галактика может выглядеть «снаружи» объектом размером с элементарную частицу.

Прав, прав был в своем оптимизме академик Алек-сандр Веллапский! Внимание к свету стало мощным толчком для изучения самых различных вещей, про-никновения в их сущность. И это внимание понятно: ведь именно зрение доставляет нам девяносто процентов информации об окружающем мире, а зрение — продукт света, продукт тех квантовых процессов, которые совер-шаются в сетчатке.

А кванты... Они, эти мельчайшие пор-ции энергии, дали возможность людям создать такой свет, который недоступен природе самой по себе.

Но об этом — следующая глава.