Крушение парадоксов - Ирина Радунская

Великие математики — Лаплас и Пуассон, а также некоторые физики считали инженера Френеля дилетантом и в математике. Первые статьи Френеля о дифракции подверглись их критике за отсутствие математической строгости.

Через несколько лет Френель заново формулирует свои результаты и представляет их на конкурс Парижской академии наук. Работу рассматривает специальная комиссия — Лаплас, Пуассон, Араго, Био, Гей-Люссак. Трое первых — убежденные ньютонианцы, сторонники корпускулярной теории света. Араго склонялся к волновой теории света, но, как экспериментатор, не мог противостоять безупречной математической логике Лапласа и Пуассона. Гей-Люссак занимался исследованием свойств газов, химией и изучением множества частных вопросов, ни один из которых не имел отношения к оптике. Академики понимали, что Гей-Люссак не может являться авторитетом по существу работы Френеля, но, по-видимому, ввели его в комиссию в расчете на его беспристрастие и безупречную честность. Впрочем, научная добросовестность всех членов комиссии была выше всяких подозрений.

Пуассон столь глубоко изучил мемуар Френеля (в то время термин «мемуар» имел значение современного термина «монография»), что сумел обнаружить удивительный вывод, следующий из расчетов Френеля. Из расчетов следовало, что в центре тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно быть светлое пятно. Пятна должны исчезать и появляться вновь по мере отодвигания от диска экрана, на котором наблюдается это явление.

Более того, на оси, соединяющей точечный источник света с небольшим отверстием, тоже должны наблюдаться чередования света и тени. Согласовать такой парадокс с представлением о корпускулах, летящих вдоль луча света, было невозможно.

Комиссия согласилась с мнением Пуассона о том, что это противоречит здравому смыслу, и предложила Френелю подтвердить свою теорию опытом. Комиссия считала, что такой опыт решит давний спор между волновой и корпускулярной теориями.

Араго помог Френелю выполнить решающий эксперимент. «Здравый смысл» был посрамлен, Френель получил премию, волновая теория света, казалось, восторжествовала навсегда. Однако в это время из пучин научного океана выглянула скала, грозившая потопить прекрасный корабль волновой теории Френеля.

Мало известный теперь физик Малюс обнаружил, что свет поляризуется не только при прохождении через исландский шпат, но и при простом отражении или преломлении на границе двух сред. Открытие Малюса легко объяснялось свойствами корпускул света, которым Ньютон приписывал асимметрию или полярность. По его выражению, каждый луч света имеет две стороны. Поэтому явления поляризации света считались в то время сильнейшим аргументом в пользу корпускулярной теории.

Блестящая интуиция Френеля заставила его пренебречь авторитетом Ньютона. Он пошел по пути Гюйгенса, от которого он заимствовал аналогию световых волн с акустическими. Он понимал, что волновая теория не способна объяснить опыты Малюса и все известное людям до и после него о поляризации света, если не считать волны света поперечными, подобными тем, что каждый видел на поверхности воды. Такое предположение выдвигали еще Гримальди и Гук, но в остальном их представления о световых волнах были наивными и туманными. Но во времена Френеля о поперечности световых волн уже не думал никто. Не помышлял о поперечности световых волн и Френель. Из его ранних статей, докладов и писем неясно, пытался ли он, оставаясь в рамках гипотезы продольных волн, справиться с проблемой поляризации или просто пренебрег этой трудностью во имя объяснения всех остальных известных ему свойств света. Ясно одно. Френель убежден в несостоятельности корпускулярной теории. Ньютоновское объяснение поляризации казалось ему столь неубедительным, что он считал его несуществующим. А если так, то единственный грех волновой теории он не считал смертным грехом.

Известно, что Био и Араго тоже провели ряд замечательных исследований в области поляризации света. Работы Био чрезвычайно укрепили его уверенность в справедливости корпускулярной природы света. Араго открыл поляризацию рассеянного света неба и обнаружил хроматическую поляризацию, но, считая важным лишь обнаружение новых фактов, в надежде на то, что со временем они улягутся в рамки будущей теории, он предпочитал не задумываться над трудностями, казавшимися ему непреодолимыми. Араго вместе с Френелем систематически изучал интерференцию поляризованных лучей. В ходе работ они совместно установили, что два луча света, поляризованные в параллельных плоскостях, способны интерферировать между собой, в то время как лучи, поляризованные перпендикулярно, не гасят друг друга никогда!

Для того чтобы осознать весь драматизм возникшей ситуации, необходимо встать на точку зрения ученых первой четверти прошлого века. Ведь, отказываясь от корпускулярной теории света, они имели только один путь — считать свет волнами эфира. О свойствах эфира в то время предпочитали не говорить. Давно прошли времена, когда можно было обсуждать размер и форму частиц эфира и спорить о том, состоит ли он из частиц или является плотной жидкостью. Опыт, этот кумир нового времени, не давал для таких суждений никаких оснований. Ученые поклонялись фактам. Известно лишь, что эфир не препятствует движению тел. Ни вечному вращению планет, ни движению малых тел, ускорения и скорости которых можно изменять и измерять в ходе опытов.

Из аналогии с акустикой было понятно, что эфир, эта тончайшая невесомая среда способна к передаче того процесса, который мы воспринимаем как свет. Знаменитый Ампер, один из основоположников учения об электричестве, еще в 1815 году сказал Френелю, что явления поляризации можно понять, предположив, что световые колебания эфира поперечны, в отличие от звуковых волн в воздухе, частицы которого колеблются вдоль направления распространения звука. Френелю такая мысль показалась совершенно дикой. Ведь поперечные колебания возможны только в твердых телах!

Юнг, узнавший об опытах Араго и Френеля с поляризованным светом, тоже подумал о поперечных колебаниях эфира, но писал лишь о «воображаемом поперечном движении». Был ли он еще напуган приемом, оказанным его соотечественниками теории интерференции, или ему самому мысль о поперечных колебаниях эфира казалась слишком фантастической, нельзя установить ни из его статей, ни из писем. Несколько лет сторонники волновой теории чувствовали свое бессилие перед загадкой поляризации света и старались обходить тупик стороной. Сторонники корпускулярной теории торжествовали.

Нужно было иметь величайшее мужество, чтобы в таких условиях сделать шаг, совершенный Френелем. Он решился на это лишь в 1821 году, после многих лет безуспешных попыток.

Свет является поперечными колебаниями эфира, писал Френель. Араго, друг и сотрудник Френеля, отказался присоединиться к такой гипотезе и не захотел быть его соавтором в этой крамольной статье. Ведь, признав поперечность света, он должен был принять и то, что эфир, невесомый и всепроникающий эфир, тверже стали! Тверже стали, но свободно проникает сквозь все тела или свободно пропускает их сквозь себя! Такое казалось невозможным в то время, время абсолютного господства механики. Френелю противостоял объединенный фронт ньютонианцев и сторонников его собственной волновой теории. За последующие несколько лет Френель, работая в полном одиночестве, более того, встречая иногда открытое неодобрение, полностью перестроил свою волновую теорию света.

Теперь, когда в уравнения введены изменения, отражающие поперечный характер световых волн, из них, как следствия, получались описания всех известных явлений, связанных с поляризацией света. Были, конечно, и трудности. Трудности, связанные с эфиром. Для их преодоления Френель ввел одну-единственную гипотезу. Это было огромным скачком по сравнению со всеми вариантами корпускулярной теории света, где приходилось вводить массу дополнительных гипотез, специфических чуть ли не для каждого нового явления, частично противоречащих одна другой и, несмотря ни на что, обеспечивавших во многих случаях лишь очень приближенные совпадения с опытом.

Единственная гипотеза Френеля состояла в том, что, хотя эфир никак не влияет на движения материальных тел, тела, в которые он проникает, изменяют механические свойства эфира. Чем плотнее тело, тем меньше скорость поперечных колебаний эфира внутри его. Основываясь на такой гипотезе, Френель построил математическую теорию, объяснившую, в частности, многовековую тайну преломления света. Световая волна, переходящая из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, частично поворачивает обратно и лишь частично проникает внутрь. Если волна падает на границу вещества под углом, то ее отраженная часть уходит от поверхности под тем же углом (Эвклид), а та часть, которая идет внутрь вещества, преломляется в соответствии с законом Декарта — Снеллиуса.