Удивительная физика

Этого вопроса мы еще коснемся, когда будем говорить о свете и цвете. Просто автор, забегая вперед, упомянул об эффекте Доплера касательно света для того, чтобы рассказать об анекдотичном случае, происшедшем с уже известным нам Робертом Вудом.

Однажды полицейский остановил автомобиль Вуда за езду на красный свет светофора. Вуд же, пытаясь оправдаться, рассказал полицейскому, что при движении навстречу источнику красного цвета из-за эффекта Доплера этот цвет вполне мог показаться ему зеленым. Но полицейский все-таки оштрафовал Вуда, не за езду на красный свет, а… за превышение дозволенной скорости. Еще бы – для того, чтобы принять красный свет за зеленый, Вуд на своем автомобиле должен был мчаться навстречу светофору с фантастической скоростью в 135 млн км/ч!

Но шутка-шуткой, а ведь именно эффект Доплера позволил ученым на основании наблюдаемого «красного смещения» сделать вывод о расширении Вселенной и о том, что когда-то она была сжата «в точку».

О чем спорили Исаак Ньютон с Христианом Гюйгенсом?

А заспорили они о том, что же такое свет? Древние ученые очень уж мистически его представляли себе. Считалось, что из глаз человека, животных и других существ выходят особые тонкие щупальца и при ощупывании ими предметов глаз их видит. Ну до этого только ученые и могли додуматься! Во-первых, как быть с «ощупыванием» далеких и горячих предметов? Как этим щупальцам дотянуться, например, до Солнца? Да и сгорят они там, из чего бы ни были сделаны.

Или если покажут что-нибудь интересненькое, то каждый свои щупальца туда и потянет. Перепутаются они там, да и мест для ощупывания на этом «интересненьком» не хватит, если смотрит на это много народа.

Более правдоподобную гипотезу о природе света выдвинул 2 500 лет назад греческий математик Пифагор (тот, чьи «штаны во все стороны равны»). Он считал, что каждый предмет постоянно испускает во все стороны потоки мелких частиц, которые, попадая в глаза, вызывают ощущения либо света, либо очертаний предметов.

Но по-настоящему научный спор возник в XVII в. между так называемой корпускулярной и волновой теориями природы света. Первая связана с именем Исаака Ньютона, а вторая – Христиана Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц (или по латыни «корпускул»), идущих от источника света во все стороны. Почти как в хорошо забытой теории Пифагора. Ясно, что это связано с переносом вещества, т. е. частиц, которые, как пули из пулемета, постоянно разлетаются от светящегося предмета, и если на их пути попадается глаз, то последний ощущает эти частицы как свет.

Согласно же представлениям Гюйгенса свет – это поток волн, распределяющихся в неведомой, гипотетической среде – эфире (не путать с сильно пахнущей легкой жидкостью, которую используют для наркоза!), заполняющем все и вся вокруг. Этот эфир проникает и внутрь предметов – воздуха, стекла, воды, и, уж безусловно, он заполняет все громадное космическое пространство между звездами, планетами и прочими небесными телами. Ибо свет идет и в воздухе, и в прозрачных телах, и в космическом пространстве. Представить себе волны без упругой среды, в которой эти волны могли бы распространяться в виде механических колебаний, Гюйгенс в то время, конечно же, не мог.

Такое действие, когда само вещество не переносится, а изменяется состояние среды между телами (того же эфира), и называют в науке волновым процессом.

Обе эти теории или гипотезы существовали параллельно, и ни одна из них не могла одержать решающей победы. Ситуация, как говорят, была патовая. Известные в то время из опыта законы распространения света с бо2льшим или меньшим успехом объяснялись обеими теориями.

Но Ньютон, как самый большой авторитет в науке, сумел-таки склонить большинство ученых на свою сторону. Еще бы – открытый им закон инерции прекрасно объяснял прямолинейный полет «световых» частиц движением их по инерции. Отражение света от зеркал вполне соответствовало отскоку упругих шаров при их ударе о плоскость. Но Ньютон никак не мог объяснить, почему эти частицы не сталкиваются в пространстве, если световые пучки пересекаются. При такой плотности «стрельбы» частицами, они нет-нет да и столкнутся, отскочат в сторону, рассеются. Но этого не происходило.

Волновая же теория прекрасно объясняла этот факт. Волны, хотя бы на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, дающее резкие, четко очерченные тени, трудно объяснить волновой теорией. А корпускулярная объясняла это прямолинейным полетом частиц по инерции.

И, как люди деликатные, Ньютон и Гюйгенс где-то уступали друг другу. Интерференцию света, которую сам же Ньютон получил в своих опытах с линзами, можно было объяснить только волновой теорией. Но Ньютон «допустил» существование и волновой теории, отдавая предпочтение все-таки корпускулярной. Ну а Гюйгенс «допустил», что волны в его теории излучаются не непрерывно, а импульсами, порциями. Вроде как частицы, но частицы все-таки волн. Вообще, эти ученые выражались очень осторожно, особенно Ньютон.

Вот вам «образчик» его «принципиального» признания «телесности» (корпускулярности) природы света: «Справедливо, что я заключаю из моей теории о телесности света, но я делаю это безо всякой абсолютной определенности…»

Да, сэр Исаак Ньютон был настоящим джентльменом, ничего не скажешь!

Такое неопределенное, двойственное положение в воззрениях на природу света длилось до XIX в., когда, казалось бы, неопровержимые данные по теории волновых процессов, заставили ученых того времени признать, что свет ведет себя как волна. Особенно постарался в этом шотландский ученый – сторонник Гюйгенса, великий физик Дж. К. Максвелл (1831—1879). Он неопровержимо доказал, что свет – это электромагнитные колебания, которые, кстати, прекрасно распространяются и в пустоте, так что никакого «эфира» и не понадобится. К концу XIX в. у физиков не осталось ни тени сомнения, что свет – это волновой процесс, и свой спор Ньютон проиграл Гюйгенсу.

Но… наука все время будет повторять и повторять это «но», не отдавая явного предпочтения ни одному «окончательному», «бесповоротному» мнению. Итак, к самому концу XIX в., когда сторонники электромагнитной волновой теории света праздновали, казалось бы, окончательную победу, их торжество смутили некоторые, на первый взгляд, незначительные сомнения, «легкие облака» на горизонте волновой физики.

Сомнения эти были вызваны изобретением фотографии, или способности света расщеплять молекулы солей серебра, а также фотоэффекта – способности света «вырывать» из металла особые неведомые тогда частицы – электроны. А далее были сделаны и новые открытия, которые превратили «легкие облака» в грозовые тучи, смешавшие все, казалось бы, незыблемые представления о природе света.

Смертельный удар по электромагнитной волновой теории света нанесла в самом конце XIX в. так называемая «ультрафиолетовая катастрофа». Дело в том, что согласно этой теории любое тело должно постоянно излучать в пространство волновую энергию, а следовательно, терять ее и охлаждаться. Причем вплоть до абсолютного нуля. А так как излучаются все частоты, включая очень энергоемкие – ультрафиолетовые, то и катастрофа «глобального» охлаждения всех тел была названа «ультрафиолетовой».

Но если этого в природе не происходит, то, следовательно, волновая электромагнитная природа света бессмысленна. Выход из «ультрафиолетового» тупика был найден немецким физиком Максом Планком (1858—1942). Он предположил, что энергия электромагнитного излучения выделяется не непрерывно, а порциями, называемыми квантами (вспомним старого «хорошо забытого» Гюйгенса!). И оказалось, что при больших частотах (т. е. хотя бы для того же ультрафиолетового диапазона) эти кванты настолько велики, и на их создание затрачивается такая большая энергия, что на излучение ее уже и не хватает. Вывод Планка был таков – при больших частотах энергия излучения практически равна нулю, и никакая «ультрафиолетовая катастрофа» нам не угрожает.