Очевидное? Нет, еще неизведанное… - Вольдемар Смилга

К сожалению, есть только один способ передать изумительную гибкость и изобретательность его мысли — подробно изложить эти гипотезы. А как раз это мы не в состоянии проделать.

Можно привести только один любопытный факт. Менделеев в конце XIX столетия (!) рассуждал об эфире совершенно в плане идей Ньютона. Его уверенность в существовании эфира была так велика, что в периодической таблице он оставил нулевое место для химического элемента «ньютония» — эфира. То, что эфир Ньютона двести лет спустя привлек такого ученого, как Менделеев, уже одно может служить рекомендацией.

Свойства эфира представляли различным образом, но эфир Менделеева и эфир Ньютона — близнецы.

А вот как расценивал сам Ньютон эту группу своих работ. Знаменитое письмо об эфире к Роберту Бойлю заканчивается неожиданной, если не знать Ньютона, фразой:

«Что касается меня, то я имею столь мало вкуса к вещам такого рода, что без поощрения вашего, побудившего меня, я никогда бы, полагаю, не взялся за перо для такого рода дел».

Это сказано в заключение нескольких страниц, с которых блещет такой фейерверк остроумнейших и тончайших гипотез, что, право, идей одного этого письма хватило бы, чтобы оставить свое имя в истории науки.

Конечно, могут быть различные мнения по поводу отношения Ньютона к гипотезам как к методу научной работы. Но думаю, бесспорно, что в данном случае иронически-пренебрежительное отношение Ньютона к своим собственным результатам, продиктованное беспощадной требовательностью, пробуждает чувство глубокого преклонения перед ученым и человеком.

Скепсис Ньютона был забыт последующими поколениями. И произошло это не случайно.

В начале XIX столетия волновая теория света могла, наконец, торжествовать триумф.

До конца XVIII века, отчасти под влиянием авторитета Ньютона, а главным образом ввиду недостатков волновой теории, большинство физиков считало, что свет — это поток корпускул, а не волны. Корпускулярную теорию в первую очередь защищала наиболее передовая и сильная научная школа того времени, объединенная Французской академией наук.

Краткий экскурс в историю создания волновой теории света.

Первый чувствительный удар корпускулярной теории был нанесен в 1801 году. Роберт Юнг объяснил интерференцию световых волн с точки зрения волновой теории. Цвета тонких пластин и кольца Ньютона[33] в волновой схеме Юнга получили хорошее теоретическое объяснение.

Но сторонников корпускулярной теории это не убедило. У них тоже были свои достижения. Например, Лаплас успешно объяснил с точки зрения корпускулярной теории явление двойного лучепреломления. И вопрос оставался открытым.

Снова упоминается двойное лучепреломление, хотя снова не говорится о том, что же это такое.

В 1818 году Французская академия наук предлагает премиальную тему: «Теоретическое объяснение дифракции». При этом рассчитывали, что появится работа, объясняющая дифракцию с корпускулярной точки зрения. Но увы, надежды так часто не сбываются. На конкурсную комиссию было подано сочинение, в котором все явления дифракции объяснялись с волновой точки зрения. Автором работы был еще сравнительно молодой физик Огюст Жан Френель. Он, по существу, и есть творец волновой теории света.

Работу признали неохотно, поскольку почти все члены комиссии придерживались корпускулярной теории. Но в комиссии были настоящие ученые, и труд Френеля в конце концов получил блестящий отзыв.

При обсуждении произошел очень поучительный эпизод. Один из крупнейших математиков XIX столетия, Пуассон, не понимал и не принимал идей Френеля. Он и обратил внимание на такой «нелепый» вывод волновой теории. При определенных размерах препятствия в центре тени должно было образоваться светлое пятно.

Проделали опыт. Оказалось, что светлое пятно действительно находится в той точке, где предписывала теория. «Опровержение» Пуассона обернулось блестящим доказательством волновой природы света.

История весьма «дидактична». Трудно найти лучший пример «настоящего» непонимания.

После Френеля не оставалось никаких сомнений в том, что свет — волны; не оставалось сомнений и в существовании эфира.

А эфир по-прежнему представлял для физиков камень преткновения. Более того, как раз работы Френеля, убедив в существовании эфира, с одной стороны, с другой — очень и очень запутали положение.

Трудности, связанные с гипотезой эфира.

Как только появилась гипотеза эфира, возник вопрос: «Почему же планеты, да и вообще все тела не испытывают сопротивления, двигаясь через эфир?» Единственное удовлетворительное объяснение можно дать, считая эфир каким-то исключительно разреженным газом мельчайших частиц. В этом случае еще можно как-то говорить, что трение об эфир ничтожно и потому экспериментально не выявляется.

Но если эфир — газообразная субстанция, «некий тончайший спиритус, проникающий во все тела…», как говорил Ньютон, то в нем могут осуществляться только продольные волны. В газах поперечных волн не бывает. Следовательно, световые волны должны быть продольными.

И вот тот же Френель показал, что свет — это поперечные волны.

Первая неприятность!

Естественно заинтересоваться: как вообще установили — продольные или поперечные световые колебания, если не было возможности наблюдать частицы той среды (эфира), в которой распространяется свет? Ведь никто не видел, что именно колеблется в световой волне?

Продольны или поперечны световые волны?

И тем не менее поперечный характер колебаний эфира был установлен совершенно безупречно. При доказательстве использовали очень элегантный прием — соображения симметрии.

Рассмотрим световой луч. Согласно волновой теории, он обусловлен колебаниями эфира. А та область, в которой эфир колеблется, представляет собой узкую «трубку», центральная ось которой и есть ось светового луча.

Если в цилиндре колебания эфира продольны (направлены вдоль оси) и если свойства эфира во всех направлениях одинаковы (изотропность эфира!), можно утверждать, что физические свойства луча света должны обладать осевой симметрией.

Предыдущая фраза может показаться непонятной и потому стоит пояснения.

Что означают слова «изотропность эфира»? Только то, что в эфире нет выделенного по своим физическим свойствам направления. В этом убедились на опыте. Если, например, произвести вспышку света, то световая волна абсолютно одинаково распространится во всех направлениях.

Важнейшее физическое понятие «изотропность».

Точно так же для лыжника в ровном поле на нетронутом снегу в смысле трудности пути все направления равноценны. Но если на поле проложены лыжни или если он стоит на склоне горы, изотропность нарушена — есть более и менее благоприятные направления.

Осевая симметрия всех свойств луча означает, что в световом луче совершенно равноправны все направления, перпендикулярные оси. Если мы повернем световой луч вокруг его оси, ничего не изменится. Вся физическая картина останется прежней. Обычные световые лучи действительно обладают такой симметрией. И ни один опыт не показывает, что какое-то из направлений, перпендикулярных к оси, выделяется по своим свойствам.

Казалось бы, все это подтверждает гипотезу о продольных колебаниях эфира.

Впрочем, не будем торопиться с выводами…

В 1670 году Гюйгенс обнаружил, что если пропустить через кристалл исландского шпата луч света, то на выходе из кристалла он раздвоится!

Факт предельно удивительный. Правда, Гюйгенсу удалось формально (математически) объяснить двойное лучепреломление, но физику явления он не понял и не нашел ничего лучшего, как выдвинуть гипотезу о существовании двух эфиров (!) в исландском шпате.

Вот оно — двойное лучепреломление, доказывающее поперечность световых волн!

Естественно, Ньютон жестоко критиковал Гюйгенса за эти построения. Сэру Исааку с лихвой хватало одного эфира, а уж примириться с двумя он никак не мог.

Несколько отвлекаясь, заметим, что вообще наблюдается, казалось бы, мистический факт. Чем более искусственны предположения, чем сложнее гипотеза, тем меньше вероятия, что она оправдается. Впрочем, это довольно естественно, потому что для сохранения правильной гипотезы по мере накопления противоречащих фактов приходится добавлять все новые искусственные предположения.

Но двойное лучепреломление таило в себе еще одну неприятность.

Если взять два одинаковых кристалла исландского шпата и через оба пропустить луч света, то на выходе мы увидим четыре луча.