Девять цветов радуги

5. Господство волновой теории.

В начале 1800-х годов волновая теория одерживает полную победу, объяснив явления интерференции и дифракции. Существование эфира везде признано, хотя ученые не смогли поставить ни одного опыта, который позволял бы непосредственно обнаружить эфир. Главным свидетельством в пользу эфира являлся факт распространения световых волн.

Последние десятилетия XIX и начало XX столетия были отмечены целым рядом важнейших открытий в физике, в частности в оптике.

Теоретические труды Максвелла и опыты Герца позволили установить электромагнитную природу световых волн. Столетов сформулировал законы фотоэффекта. Планк, объясняя законы излучения черного тела, пришел к выводу, что энергия света не излучается непрерывно, а только определенными порциями, зависящими от длины волны излучения. Эти порции он назвал квантами. Дальнейшее изучение фотоэффекта привело к неожиданному открытию: энергия (скорость) фотоэлектрона, выбитого светом из металла, не зависит от интенсивности света, а только от длины волны падающего на фотокатод света. Чем короче волна падающего света, тем больше энергия (скорость) электрона.

Последнее открытие противоречило волновой теории света.

После кризиса

В конце прошлого и начале нашего столетия были сделаны не только перечисленные открытия. В эти годы количество новых фактов, собранных физиками, было особенно велико. Многие новые факты имели не только частное значение, а затрагивали основы наук.

Здесь не стоит перечислять открытия тех времен. Достаточно лишь сказать, что они положили начало современному расцвету физики. Казалось бы, эти открытия должны были вдохновлять ученых на новые, еще более энергичные поиски. И, конечно, так оно и было. Но в то же время все оказывалось очень трудным и сложным.

Новые открытия не укладывались в рамки детально разработанных, проверенных жизнью, признанных всеми теорий — тех теорий, которые многие ученые считали незыблемыми и даже абсолютно верными. И вот на их глазах эти теории рушились. Многие ученые считали, что новые факты не оставляют камня на камне даже от величественного здания классической механики. И некоторые из ученых, видя происходящее, но не умея правильно объяснить его, высказывали даже мнение, что верную теорию вообще невозможно создать, что все и всяческие теории, как бы хороши они ни были, не что иное, как порождение нашего ума, и совершенно не отражают и принципиально не могут правильно отражать явления окружающего нас мира.

Это было «смутное время», и его принято называть кризисом физики.

Когда вы будете изучать книгу В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» и особенно главу «Новейшая революция в естествознании и философский идеализм», вы увидите, сколь глубоким был этот кризис, какой болезненной оказалась ломка старых представлений в сознании многих физиков.

К счастью, все выдающиеся ученые обладают очень важным свойством; его можно назвать одним словом — бесстрашием. Бесстрашием перед фактами, каковы бы они ни были. И это свойство неизбежно приводило большинство из них к правильным выводам, которые помогали им выходить из самых трудных положений и развивать науку. При этом они сознательно, а иногда не отдавая себе отчета, принимали единственно верную философскую основу науки — материализм.

Именно поэтому было преодолено временное смятение, постигшее физиков во время кризиса. И, когда оно осталось позади, стало ясно, что в физике совершилась подлинная революция.

Максвелл закончил свой знаменитый «Трактат» в 1873 году. В нем он доказал, что свет представляет собой электромагнитное явление. Но это было далеко не все. Хотя сам Максвелл, создавая свою теорию, исходил из того, что эфир существует, эта теория не являлась доказательством его существования. Она оставалась справедливой и в том случае, если считать, что для распространения света не требуется никакой промежуточной среды, потому что одним из свойств электромагнитных колебаний является их способность поддерживать самих себя и благодаря этому распространяться в абсолютной пустоте. Иными словами, можно было отказаться от гипотезы о существовании эфира. Однако даже самому Максвеллу эта сторона его теории была не вполне ясна.

Теоретические положения Максвелла удалось подтвердить прямым экспериментом только в 1888 году. Но уже гораздо ранее, в 1881 году, гипотезе о существовании эфира был нанесен первый сокрушительный удар.

То, что теория Максвелла остается справедливой и при отказе от эфира, физики поняли не сразу и продолжали верить в существование эфира. В числе их были голландский физик Гендрик Антон Лоренц (1853–1928) и Герц. Тот самый Герц, которому суждено было через несколько лет первым подтвердить правильность электродинамики Максвелла. И Герц и Лоренц создали свои теории, объяснявшие взаимодействие электромагнитных колебаний и эфира. Основным различием этих теорий было следующее: Герц считал, что движущиеся материальные тела увлекают за собой эфир, а Лоренц был сторонником неподвижного, неувлекаемого эфира.

Теория Герца не получила широкого распространения, потому что к моменту ее создания были известны уже проверенные опытные данные, опровергавшие ее. Что же касается теории Лоренца, то она была более совершенной и не расходилась с известными в то время опытными данными. Однако ее следовало проверить в самом главном. Она утверждала, что скорость света будет различной в случае, если свет излучается в направлении, совпадающем с движением Земли в пространстве, и в случае, когда направление света перпендикулярно этому движению.

Но провести такой опыт было куда труднее, чем Левше из рассказа Лескова подковать знаменитую «аглицкую» блоху. Точность, требовавшаяся от эксперимента, была необыкновенно высокой. Это объясняется тем, что скорость Земли в пространстве составляет всего лишь одну десятитысячную долю от скорости света. И все же необходимый эксперимент был проведен. Впервые это удалось американскому профессору физики Альберту Абрахаму Майкельсону (1852–1931). Результаты опыта показали, что скорость света не зависит от направления движения и скорости источника света.

Опыт Майкельсона явился смертным приговором гипотезам о существовании эфира.

Если бы последствия этого опыта ограничились только такими выводами, то и тогда их можно было бы считать крайне значительными для науки. Однако последствия были куда более важными: факт, установленный Майкельсоном, привел к пересмотру всей классической механики, законы которой, как выяснилось, справедливы только при малых скоростях тел.

И недаром в 1887 году Майкельсон совместно с физиком Морли вновь повторил эксперимент, а затем в течение долгих лет его снова и снова со все возрастающей точностью проводили многие ученые. Некоторые из них, быть может, проводили его с тайной надеждой опровергнуть полученные результаты. Но постоянство скорости света неизменно подтверждалось.

Ученые понимали, какие серьезные последствия мог повлечь за собой этот факт. Они видели, что он подрывает не только теории сами по себе, но и основы мировоззрения, складывавшиеся веками.

Выход из создавшегося положения нашел ученый Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал свою революционную теорию относительности. За основными постулатами и формулами этой теории возникала необыкновенная картина окружающего нас мира.

Это был мир, в котором время уже не являлось универсальным пульсом беспредельной Вселенной. Часы в нем меняли свой темп в зависимости от скорости перемещения. В этом мире не было постоянных размеров: одно и то же движущееся тело имело различные размеры для разных наблюдателей. И даже масса — нечто, всегда казавшееся прочным, неизменным и неисчезающим, — приобретала новые неожиданные свойства: она тоже зависела от скорости движения тела. И, что не менее важно, масса таила в себе колоссальные запасы энергии. Массу и энергию уже нельзя было рассматривать независимо друг от друга, потому что между ними была обнаружена непосредственная связь.