Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

Эта проблема обсуждается знакомыми нам Сальвиати, Сагредо и Симпличио на страницах «Бесед» — последней и самой замечательной работы Галилея.

Симпличио пробует заметить, что повседневный опыт убеждает в мгновенном распространении света.

«Если вы наблюдаете с большого расстояния действие артиллерии, то свет от пламени выстрелов без всякой потери времени запечатлевается в нашем глазу в противоположность звуку, который доходит до уха через значительный промежуток времени».

Но подобные соображения не стоит высказывать такому физику, как Галилео Галилей. И Сагредо (Галилей) тут же снисходительно объясняет:

«Ну, синьор Симпличио, из этого общеизвестного опыта я не могу вывести никакого другого заключения, кроме того, что звук доходит до нашего слуха через большие промежутки времени, нежели свет; но это нисколько не убеждает меня в том, что распространение света происходит мгновенно и не требует известного, хотя и малого, времени. Не более того дает мне и другое наблюдение, которое выражают так: „Как только Солнце поднимается на горизонте, блеск его тотчас же достигает наших очей“.

В самом деле, кто может доказать мне, что лучи его не появились на горизонте ранее, нежели дошли до наших глаз?»

И далее Сальвиати рассказывает об опыте, который, очевидно, проделал Галилей, пытаясь определить скорость света, но не получил никакого результата. Схема опыта Галилея в принципе предугадывает схемы всех опытов по определению скорости света в земных условиях.

Галилей пытается определить скорость света.

Два наблюдателя находятся на значительном расстоянии друг от друга (несколько километров). Они снабжены фонарями с заслонками. Первый в момент t0 открывает заслонку, и через некоторое время свет достигает второго участника опыта. Последний сразу открывает свой фонарь, и первый наблюдатель фиксирует тот момент времени t1, когда он увидел свет от фонаря второго наблюдателя.

Считая, что свет по всем направлениям распространяется с одной и той же скоростью, и зная расстояние между участниками — r, находим скорость света:

C = 2r/(t1 – t0).

Нам-то понятно, что такой опыт в лучшем случае позволит определить скорость реакции наблюдателей, но не скорость света. Но Галилей еще не представлял себе, как исключительно велика скорость распространения световых волн.

Естественно, у Галилея не возникает вопроса: как меняется скорость света при переходе от одной системы отсчета к другой? Вопроса, который затем мучил физиков два с лишним столетия. Но этого и нельзя ожидать. Достаточно и того, что в оптике Галилей первым подошел к изучению проблемы как физик. Сначала точный эксперимент, и только на его основе — теория.

После Галилея надо назвать его соотечественника Франческо Мария Гримальди (1618–1663). Учитель риторики, а затем математики в иезуитских коллегиях Болоньи, он всю жизнь посвятил изучению оптических явлений.

Гримальди очень не повезло в истории науки. Он не был способен к большим теоретическим обобщениям и не мог толково объяснить собственных наблюдений. Может быть, в подобной ограниченности значительную роль сыграло то обстоятельство, что он был примерным членом иезуитского ордена и всю свою жизнь боролся против идей Коперника и Галилея.

Но экспериментатор Гримальди был выдающийся. Достаточно сказать, что он открыл интерференцию, дифракцию и разложение солнечного света в спектр при помощи призмы (дисперсию света). В его теоретических представлениях уже содержатся некие элементы волновой теории света. Однако (и это не вина, но беда Гримальди) работы Ньютона были посвящены тем же вопросам и настолько превосходили труды Гримальди, что довольно понятно, почему после появления «Оптики» он был основательно забыт.

До Ньютона теорией световых явлений много занимались и Декарт и особенно Гук. Однако Декарт в большей степени был математик и философ, чем физик, а Гук, как обычно, не доводил ничего до конца и в основном бросал идеи (правда, идеи замечательные).

«Частицы» или «волны»?

Первая теория световых явлений, заслуживающая этого названия, дана Ньютоном. Как помните, даже в механике он не обошелся без гипотез. Но там они скрыты, завуалированы.

В оптике гипотезы необходимы. Слишком разнообразны по своей природе оптические явления, чтобы можно было установить несколько единых принципов. Необходимо объединяющее все эти факты предположение — гипотеза.

Весь известный во времена Ньютона материал показывал, что конкурировать могут только две гипотезы:

корпускулярная: свет — поток частиц;

волновая: свет — это волновое движение.

Ньютон скорее склонялся к первой идее, а Гюйгенс последовательно развивал вторую.

К началу XIX столетия спор как будто был окончательно решен в пользу Гюйгенса. Не оставалось никаких сомнений в том, что свет — это волны.

Впрочем, физика XX века реабилитировала Ньютона и в этом пункте.

Пожалуй, стоит несколько напомнить, что такое волновое движение, поскольку в данном случае неглубокие повседневные наблюдения могут основательно затруднить правильное понимание.

Бросив в воду камень и наблюдая, по совету Козьмы Пруткова, разбегающиеся волны, мы обычно вполне удовлетворяемся фразой: «Волны распространяются с такой-то скоростью». Мы можем даже измерить эту скорость, не очень задумываясь, что же в действительности переносится в процессе волнового движения, каким образом ведут себя частицы той среды, в которой распространяется волна.

Волновое движение — это процесс передачи энергии, происходящий в какой-то среде. Частицы среды при этом колеблются около равновесных положений.

Нечто вроде определения!

Распространение волны заключается в том, что все новые и новые частицы среды начинают колебаться. Причем они могут смещаться совсем не в направлении распространения волны…

Игра в «испорченный телефон» неплохо иллюстрирует так называемую продольную волну. Какая-то фраза передается с одного конца цепочки участников игры на другой, но не непосредственно, а каждый говорит на ухо лишь ближайшему соседу.

Вообще говоря, «испорченный телефон» — аналог волнового движения в поглощающей и искажающей волны среде.

Еще более точная аналогия — сигнальная эстафетная служба, широко распространенная у древних. Есть несколько десятков курьеров. Получив сведения, первый бежит на соседний пост, сообщает другому и возвращается назад; второй бежит к третьему и т. д. Такая эстафета воспроизводит продольную волну; «передаваемой энергией» является сообщение, а «частицами среды» — курьеры.

В продольной волне смещения частиц происходят в направлении движения волны.

Нетрудно подыскать житейскую аналогию для поперечной волны. В ней частицы среды смещаются перпендикулярно распространению волны.

Если в большой стае птиц, сидящих рядком на проводе, крайнюю взволнует какая-то ложная тревога, она взлетит, а потом, убедившись, что все спокойно, сядет на место. Ее соседки проделают то же самое, но с некоторым запаздыванием во времени. Беспокойство постепенно распространится по всей стае, и когда на одном конце все уже успокоится, на другом волнение может оказаться в полном разгаре.

Как почти любая аналогия, приведенный пример очень грубо и неточно иллюстрирует волновое движение.

Здесь передается тревога («энергия»!), а птицы («частицы среды») двигаются перпендикулярно к направлению распространения сигнала.

Итак, частицы среды, в которой распространяется волна, только колеблются около положения равновесия. Если начальное возбуждение имеется в одном месте, то волна может распространяться только при условии, что частицы среды связаны между собой. Это совершенно понятно.

Менее тривиально такое замечание: волна будет распространяться без всяких искажений и потерь только в том случае, когда силы связи между частицами среды имеют совершенно определенный характер — так называемые упругие силы. Такая среда называется идеально упругой и вообще-то представляет собой некоторую идеализацию. Но известно много тел, в которых волны распространяются с очень малыми потерями энергии. Между прочим, эти тела и среды могут быть совершенно различны по своим прочим свойствам. Например, стальной стержень и воздух.

Что упругие свойства воздуха в известном смысле очень хороши, убеждает, например, то, что, разговаривая, мы слышим друг друга на расстоянии нескольких десятков метров. Чрезвычайно малой энергии колебаний голосовых связок достаточно (если бы все люди на Земле подняли крик, они развили бы мощность всего лишь 10 л. с.), чтобы звуковая волна распространилась на десятки метров, прежде чем она поглотится средой.