Альберт Эйнштейн, Леопольд Инфельд : Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов

• Предисловие
• I. Расцвет механистического воззрения
• II. Упадок механистического воззрения
• III. Поле и относительность
• IV. Кванты

II. Упадок механистического воззрения

Две электрические жидкости

Последующие страницы содержат скучный отчет о некоторых очень простых экспериментах. Отчет будет скучным не только потому, что описание экспериментов неинтересно по сравнению с самим осуществлением их, но и потому, что самый смысл экспериментов не очевиден до тех пор, пока его не выяснит теория. Наша цель состоит в том, чтобы показать яркий пример, характеризующий роль теории в физике.

1. Пусть металлический стержень укреплен на стеклянной подставке, а концы стержня связаны с помощью металлических проводников с электроскопом. Что такое электроскоп? Это простой прибор, который в основном состоит из двух листочков золотой фольги, подвешенных на конце короткого металлического стержня. Они заключены в стеклянную банку или бутылку, так что металл находится в контакте только с неметаллическими телами, называемыми изоляторами. Кроме электроскопа и металлического стержня в нашем распоряжении имеются твердая эбонитовая палочка и кусок шерстяной ткани.

До осуществления эксперимента обратим внимание на то, висят ли листочки сомкнутыми вместе, ибо это их нормальное положение, или нет. Если они случайно не сомкнуты, то прикосновение пальца к металлическому стержню сведет их вместе. После того как эти предварительные действия проделаны, эбонитовая палочка энергично натирается шерстяной тканью и приводится в соприкосновение с металлом. Листочки сразу же отойдут друг от друга. Они остаются в таком положении даже после того, как эбонитовая палочка будет отодвинута в сторону (рис. 27).

2. Проделаем другой эксперимент, используя те же приборы, что и раньше, но предварительно приведя листочки электроскопа в прежнее положение, в котором они свободно висят, касаясь друг друга. Сейчас мы не будем касаться эбонитовой палочкой металлического стержня, а только поднесем ее близко к металлу. Листочки электроскопа опять разойдутся. Но сейчас это разделение оказывается иным. Когда эбонитовая палочка удаляется, совсем не коснувшись металла, листочки, вместо того чтобы оставаться разделенными, немедленно спадают, возвращаясь к своему нормальному положению.

3. Для третьего эксперимента слегка изменим приборы. Предположим, что металлический стержень состоит из двух кусков, соединенных вместе. Мы натираем эбонитовую палочку шерстяной тканью и снова подносим ее близко к металлу. Происходит то же явление: листочки разделяются. Но теперь мы сначала отделим части металлического стержня друг от друга и только после этого удалим эбонитовую палочку. Мы замечаем, что в этом случае листочки остаются разделенными, а не спадают от своего нормального положения, как это было во втором эксперименте (рис. 28).

Едва ли эти простые и наивные эксперименты могут возбудить живейший интерес или энтузиазм. В Средние века тот, кто их осуществлял, был бы, вероятно, осужден; нам они кажутся и скучными, и нелогичными. Было бы очень трудно, не смущаясь, повторить их после чтения сухого отчета об их выполнении. Некоторые теоретические рассуждения, однако, делают их понятными. Мы могли бы сказать больше: едва ли возможно представить себе такие эксперименты как осуществление случайной игры воображения, без предварительно существовавших более или менее определенных идей об их значении.

Теперь мы укажем идеи, лежавшие в основе очень простой и наивной теории, объясняющей все описанные факты.

Существуют две электрические жидкости, одна называется положительной (+), а другая — отрицательной (–). Они подобны субстанции в уже разъясненном смысле: ее величина может возрастать или убывать, но общая сумма сохраняется в любой изолированной системе. Имеется, однако, существенное отличие между этим случаем и случаем с теплотой, веществом или энергией. Мы имеем две электрические субстанции. Здесь невозможно применение предыдущей аналогии с деньгами, если не сделать некоторого обобщения. Тело электрически нейтрально, если положительная и отрицательная электрические жидкости полностью уничтожают друг друга. Человек ничего не имеет или потому, что у него действительно ничего нет, или потому, что сумма денег, отложенных в его сейфе, в точности равна сумме его долгов. С двумя родами электрических жидкостей мы можем сравнить дебет и кредит в бухгалтерских книгах.

Далее, теория полагает, что обе электрические жидкости одинакового рода отталкивают друг друга, в то время как обе жидкости противоположного рода притягивают. Это можно представить графически так, как это сделано на рис. 29.

Необходимо последнее теоретическое предположение. Имеется два вида тел: тела, в которых эти жидкости могут двигаться свободно, — так называемые проводники — и тела, в которых они не могут двигаться, — так называемые изоляторы. Как всегда бывает в таких случаях, это деление тел на два вида нельзя рассматривать слишком строго. Идеальный проводник, как и идеальный изолятор, — это абстракции, которые никогда не могут быть реализованы. Металлы, земля, человеческое тело — все это примеры проводников, хотя и неодинакового качества. Стекло, резина, фарфор и им подобные тела — это изоляторы. Воздух не всегда является изолятором, как это знает тот, кто видел описанные эксперименты. Плохие результаты электростатических экспериментов часто объясняются влажностью воздуха, увеличивающей его проводимость.

Эти теоретические положения достаточны для объяснения трех описанных экспериментов. Мы рассмотрим их еще раз в том же порядке, как и раньше, но в свете теории электрических жидкостей.

1. Эбонитовая палочка, как и все другие тела при нормальных условиях, электрически нейтральна. Она содержит обе жидкости, положительную и отрицательную, в равных количествах. Трением о шерсть мы разделяем их. Это утверждение чисто условно, ибо это есть приложение терминологии, созданной теорией, к описанию процесса трения. Тот вид электричества, который эбонитовая палочка имеет в избытке, впоследствии был назван отрицательным, — название, которое, конечно, является лишь делом соглашения. Если бы эксперименты были осуществлены со стеклянной палочкой, натертой кошачьим мехом, мы должны были бы назвать избыток электричества на ней положительным, чтобы не противоречить уже принятым положениям. Но продолжим рассказ. Мы передаем электрическую жидкость металлическому проводнику, касаясь его эбонитом. В этом проводнике она движется свободно, распространяясь по всему металлу, включая и золотые листочки. Так как отрицательные жидкости взаимно отталкиваются, то оба листочка стремятся удалиться друг от друга, насколько это возможно, в результате чего и наблюдается их разделение. Металл покоится на стеклянной подставке или каком-либо ином изоляторе, так что электрическая жидкость остается на проводнике, насколько это допускает слабая проводимость воздуха. Теперь мы понимаем, почему должны коснуться металла пальцем в начале эксперимента. В этом случае металл, человеческое тело и земля составляют один большой проводник, по которому электрическая жидкость разливается так, что практически на электроскопе ничего не остается.

2. Второй эксперимент начинается так же, как и первый. Но теперь эбонит не касается металла, а лишь подносится к нему. Обе жидкости в проводнике, имея возможность свободно двигаться, разделяются; одна притягивается к палочке, а другая отталкивается. Они вновь смешиваются, когда эбонитовая палочка удаляется, так как жидкости противоположного рода притягивают друг друга.

3. Затем в присутствии натертой эбонитовой палочки мы разделяем металлический стержень на две части и, наконец, удаляем палочку. В этом случае после удаления эбонитовой палочки обе жидкости не смешиваются, так что золотые листочки сохраняют избыток одной электрической жидкости и остаются разделенными.

В свете этой простой теории все упомянутые здесь факты кажутся понятными. Та же теория дает больше, позволяя нам понять не только эти, но и многие другие «факты» в области «электростатики». Цель всякой теории — вести нас к новым фактам, наводить на мысль о новых экспериментах и приводить к открытию новых явлений и новых законов. Пример сделает это ясным. Представим себе изменение во втором эксперименте. Предположим, что я оставляю эбонитовую палочку возле металла и в то же время касаюсь металла своим пальцем (рис. 30). Что теперь случится? Теория дает ответ: отталкиваемая палочкой отрицательная (–) жидкость теперь может удалиться через мое тело, так что в результате в металлическом стержне остается только одна жидкость, положительная (+). Листочки электроскопа остаются разделенными. И действительно, эксперимент подтверждает это предсказание.

Теория, о которой мы сейчас рассказываем, конечно, наивна и не совпадает с точкой зрения современной физики. Тем не менее это хороший пример, показывающий характерные черты всякой физической теории.

В науке нет вечных теорий. Всегда происходит так, что некоторые предсказания теории опровергаются экспериментом. Всякая теория имеет свой период постепенного развития и триумфа, после которого она может испытать быстрый упадок. Подъем и падение субстанциональной теории теплоты, уже обсуждавшиеся здесь, являются одним из многих возможных примеров. Другие примеры, более глубокие и важные, будут обсуждаться позднее. Почти всякий большой успех в науке возникает из кризиса старой теории как результат попытки найти выход из создавшихся трудностей. Мы должны проверять старые идеи, старые теории, хотя они и принадлежат прошлому, ибо это единственное средство понять значительность новых идей и пределы их справедливости.

На первых страницах нашей книги мы сравнивали роль исследователя с ролью детектива, который, собрав необходимые факты, находит правильное решение посредством чистого мышления. В одном весьма существенном отношении это сравнение следует считать чрезвычайно поверхностным. И в жизни, и в детективных новеллах преступление дано. Детектив должен просмотреть письма, отпечатки пальцев, пули, ружья, но, по крайней мере, он знает, что убийство совершилось. Для ученого дело обстоит не так. Было бы нетрудно представить себе человека, который абсолютно ничего не знает об электричестве; все древние довольно счастливо жили, ничего не зная о нем. Пусть этому человеку дан металл, золотой листок, бутылки, эбонитовая палочка, шерстяная тряпочка — словом, все материалы, необходимые для осуществления трех наших экспериментов. Он может быть очень культурным лицом, но он, вероятно, нальет в бутылки вино, использует тряпочку для чистки и никогда не проникнется вдруг идеей о том, чтобы проделать те эксперименты, которые мы описали. Для детектива факт преступления дан и задача формулируется так: кто убил Кука Робина? Ученый должен, по крайней мере отчасти, сам совершить преступление, затем довести до конца исследование. Более того, его задача состоит в том, чтобы объяснить не один только данный случай, а все связанные с ним явления, которые происходили или могут еще произойти.

В факте введения понятия жидкостей мы видим влияние тех механистических идей, которые стремятся все объяснить с помощью субстанций и простых сил, действующих между ними. Чтобы увидеть, можно ли механистическую точку зрения применить к описанию электрических явлений, мы должны рассмотреть следующую проблему. Пусть даны два небольших шара, имеющих электрический заряд, т. е. несущих избыток какой-то одной электрической жидкости. Мы знаем, что шары будут либо притягивать, либо отталкивать друг друга. Но зависит ли сила только от расстояния и если да, то как? Самым простым будет предположение, что эта сила зависит от расстояния так же, как и сила тяготения, которая уменьшается, скажем, до одной девятой своей первоначальной величины, если расстояние увеличивается в три раза. Эксперименты, проделанные Кулоном, показали, что этот закон действительно справедлив. Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать.

Здесь возникает тот же самый вопрос, который мы рассматривали в связи с теплотой. Являются ли электрические жидкости невесомыми субстанциями или нет? Другими словами, будет ли вес куска металла одинаков, когда он нейтрален и когда он заряжен? Весы никакого различия не обнаруживают. Мы заключаем, что электрические жидкости тоже являются членами семейства невесомых субстанций.

Дальнейший прогресс в теории электричества требует введения двух понятий. Мы опять будем избегать строгих определений, используя вместо них аналогии с уже известными понятиями. Мы помним, как существенно было для понимания тепловых явлений различие между самой теплотой и температурой. Равным образом и здесь важно различать электрический потенциал и электрический заряд. Различие между обоими понятиями станет ясным из следующей аналогии:

Электрический потенциал ↔ Температура

Электрический заряд ↔ Теплота

Два проводника, например два шара различной величины, могут иметь одинаковый заряд, т. е. одинаковый избыток электрической жидкости, но потенциал будет различным в обоих случаях, а именно: он выше для меньшего шара и ниже для большего. Электрическая жидкость будет иметь большую плотность и, стало быть, будет более сжата в малом проводнике. Так как отталкивательные силы должны с плотностью возрастать, то тенденция заряда улетучиваться будет больше в меньшем шаре, чем в большем. Эта тенденция заряда уходить с проводника есть непосредственное выражение его потенциала. Чтобы ясно показать различие между зарядом и потенциалом, мы сформулируем несколько предложений, описывающих поведение нагретых тел, и соответствующие им предложения, касающиеся заряженных проводников.

Но такую аналогию нельзя продолжать слишком далеко. Следующий пример показывает как сходство, так и различие. Если горячее тело приведено в контакт с холодным, то теплота течет от горячего к холодному телу. Предположим, с другой стороны, что мы имеем два изолированных проводника, имеющих равные, но противоположные заряды, положительный и отрицательный. Оба — при разных потенциалах. Согласились считать потенциал, соответствующий отрицательному заряду, более низким, чем потенциал, соответствующий положительному. Если оба проводника сдвинуты до соприкосновения друг с другом или соединены проволокой, то из теории электрических жидкостей следует, что они не покажут никакого заряда, а это означает, что никакой разности электрических потенциалов нет вовсе. Мы должны представить себе, что «течение» электрического заряда от одного проводника к другому совершается за очень короткое время, в течение которого разность потенциалов исчезает. Но как это происходит? Течет ли положительная жидкость к отрицательно заряженному телу или отрицательная — к положительно заряженному?

В фактах, которые здесь разбирались, мы не видели никакого основания для решения этого вопроса. Мы можем предположить осуществляющейся либо одну из этих возможностей, либо и ту и другую, считая, что течение электричества совершается одновременно в обоих направлениях. Это лишь вопрос соглашения, которое мы принимаем, и нельзя придавать значения выбору, ибо мы знаем, что нет никакой возможности экспериментально решить этот вопрос. Дальнейшее развитие, ведущее к гораздо более глубокой теории электричества, дало разрешение этой проблемы, которая совершенно бессмысленна, пока она сформулирована в пределах примитивной теории электрических жидкостей. В дальнейшем мы будем придерживаться следующего способа выражения: электрические жидкости текут от проводника с более высоким потенциалом к проводнику с более низким потенциалом. Таким образом, в случае наших двух проводников электричество течет от положительно заряженного проводника к отрицательно заряженному (рис. 31). Это выражение — исключительно дело соглашения и с этой точки зрения совершенно произвольно.

Все эти затруднения показывают, что аналогия между теплотой и электричеством ни в коем случае не является полной.

Мы видели, какова возможность приспособления механистического воззрения к описанию элементарных фактов электростатики. То же самое возможно и в отношении магнитных явлений.

Магнитные жидкости

Мы будем поступать здесь так же, как и раньше: начинать с очень простых фактов, а затем отыскивать их теоретическое объяснение.

1. Пусть у нас имеются два длинных магнита; один из них уравновешен так, что он занимает горизонтальное положение, а другой мы возьмем в руку. Если концы обоих магнитов поднести друг к другу, между ними обнаруживается сильное притяжение (рис. 32). Этого всегда можно достигнуть. Если притяжения нет, мы должны повернуть магнит и попробовать другой конец. Концы магнитов называются их полюсами. Продолжая эксперимент, мы двигаем полюс магнита, который держим в руке, вдоль другого магнита. При этом наблюдается уменьшение притяжения, а когда полюс достигает середины уравновешенного магнита, то вообще никакого проявления сил нет. Если полюс движется дальше в том же направлении, то наблюдается отталкивание, достигающее наибольшей силы у второго полюса уравновешенного магнита.

2. Приведенный выше пример наводит на следующую мысль. Каждый магнит имеет два полюса. Нельзя ли изолировать один из них? Осуществление этой идеи кажется очень простым, а именно: разломить магнит на две равные части. Мы видели, что никакого взаимодействия между полюсом одного магнита и серединой другого магнита нет. Но если мы действительно разломим магнит, то результат окажется весьма удивительным и неожиданным. Если мы повторим первый эксперимент, но теперь лишь с половиной уравновешенного магнита, то результаты будут совершенно те же самые, что и раньше. Там, где раньше не было никакого следа магнитной силы, теперь находится сильный полюс.

Как следует объяснить эти факты? Мы можем попробовать набросать теорию магнетизма, аналогичную теории электрических жидкостей. Это внушено тем обстоятельством, что здесь, как и в электростатических явлениях, мы имеем и притяжение, и отталкивание. Вообразим себе два проводника в форме шаров, обладающих равными зарядами, один — положительным, а другой — отрицательным. Здесь слово «равные» означает величины, имеющие одинаковое абсолютное значение: например, +5 и –5 имеют одинаковое абсолютное значение. Предположим, что шары связаны посредством изолятора, например стеклянного стержня. Схематически это устройство может быть представлено стрелкой, направленной от отрицательно заряженного проводника к положительно заряженному. Мы назовем это электрическим диполем (рис. 33). Ясно, что два таких диполя вели бы себя совершенно так же, как и магнитные стержни в первом эксперименте. Если мы рассматриваем наше изобретение как модель реального магнита, мы можем сказать, предполагая существование магнитных жидкостей, что магнит — это не что иное, как магнитный диполь, имеющий на своих концах две жидкости разных родов. Эта простая теория, подражающая теории электричества, вполне подходит для объяснения первого эксперимента. По этой теории должно быть притяжение на одном конце, отталкивание на другом и уравновешивание равных и противоположных сил в середине. Но как обстоит дело со вторым экспериментом? Разламывая стеклянный стержень электрического диполя, мы получаем два изолированных полюса. То же самое, казалось бы, должно быть и для железного стержня магнитного диполя, что противоречит результатам второго эксперимента. Таким образом, это противоречие вынуждает нас ввести несколько более утонченную теорию. Вместо нашей первоначальной модели мы можем представить себе, что магнит состоит из очень малых элементарных магнитных диполей, которые не могут быть разделены на отдельные полюсы. Во всем магните господствует порядок, ибо все элементарные диполи в нем имеют одинаковое направление (рис. 34). Мы непосредственно видим, почему разрезание магнита вызывает появление двух новых полюсов на новых концах и почему эта более тонкая теория объясняет факты как первого эксперимента, так и второго.

Многие факты можно объяснить и без этого уточнения теории. Возьмем пример: мы знаем, что магнит притягивает куски железа. Почему? В куске обычного железа обе магнитные жидкости смешаны так, что не обнаруживается никакого чистого эффекта. Поднесение положительного полюса действует как «приказ к разделению» жидкостей в результате притяжения отрицательной жидкости в железе и отталкивания положительной. Возникает притяжение между железом и магнитом. Если магнит отодвинут, жидкости более или менее возвращаются к своему первоначальному положению, что зависит от того, в какой степени они «запоминают» приказ, исходящий от внешней силы.

Необходимо немного сказать о количественной стороне проблемы. Имея два очень длинных магнитных стержня, мы могли бы исследовать притяжение (или отталкивание) их полюсов, когда они близко поднесены друг к другу. Если стержни достаточно длинны, то действие других концов стержней ничтожно. Как зависит притяжение или отталкивание от расстояния между полюсами? Ответ, данный экспериментом Кулона, таков: зависимость от расстояния та же, что и в законе тяготения Ньютона, и в законе электростатики Кулона.

Мы опять видим в этой теории отражение общей точки зрения — тенденцию описать все явления посредством сил притяжения и отталкивания, зависящих только от расстояния и действующих между неизменными частицами.

Здесь следовало бы упомянуть один хорошо известный факт, который мы используем в дальнейшем. Земля — это большой магнитный диполь. Нет ни малейшего намека на объяснение того, почему это так. Северный географический полюс почти совпадает с отрицательным (–) магнитным полюсом, а Южный географический полюс — с положительным (+) магнитным. Названия «положительный» и «отрицательный» — это дело лишь соглашения, но поскольку они так однажды обозначены, это вынуждает нас и в любых других случаях соответственно различать полюсы. Магнитная игла, насаженная на вертикальную ось, подчиняется «приказу» магнитной силы Земли. Она направляет свой (+) полюс к Северному географическому полюсу, т. е. по направлению к (–) магнитному полюсу Земли.

Хотя в области указанных здесь электрических и магнитных явлений мы можем последовательно провести механистическую точку зрения, нет никакого основания гордиться этим или радоваться этому. Некоторые черты этой теории являются, конечно, неудовлетворительными, если не обескураживающими. Мы должны были изобрести новые виды субстанций — две электрические жидкости и элементарные магнитные диполи. Изобилие субстанций начинает становиться чрезмерным.

Силы просты. Они одинаково выражены для тяготения, электричества и магнетизма. Но цена, уплаченная за эту простоту, высока — введение новых невесомых субстанций. Они являются довольно искусственными понятиями и совершенно не связаны с веществом и его массой.

Первая серьезная трудность

Мы уже готовы к тому, чтобы отметить первую серьезную трудность в приложении нашей общей философской точки зрения. Позднее будет показано, что эта трудность совместно с другими, еще более серьезными, привела к полному крушению уверенности в том, что все явления могут быть объяснены механистически.

Особенно быстрое развитие электричества как ветви науки и техники началось с открытия электрического тока. Здесь мы находим в истории науки один из очень немногих примеров, в которых случай сыграл существенную роль. История конвульсий лягушечьей лапки рассказана во многих вариантах. Не ручаясь за достоверность в отношении деталей, можно, без сомнения, сказать, что случайное открытие Гальвани привело Вольта в конце XVIII столетия к построению прибора, известного под названием вольтовой батареи. Теперь она практически не употребляется, но на нее еще указывают в школьных демонстрациях и в учебниках как на очень простой пример источника тока.

Принцип ее построения прост. Берется несколько стеклянных стаканов, каждый из которых содержит воду и немного серной кислоты. В каждом стакане погружены в раствор две металлические пластинки: одна медная, а другая цинковая. Медная пластинка одного стакана соединена с цинковой следующего, так что только цинковая пластинка первого стакана и медная последнего остаются несоединенными. Мы можем обнаружить разность электрических потенциалов между медной пластинкой первого стакана и цинковой последнего посредством весьма чувствительного электроскопа, если число «элементов», т. е. число стаканов с пластинками, составляющими батарею, достаточно велико.

Мы ввели батарею, составленную из некоторых элементов, только для того, чтобы получить нечто легко измеряемое уже описанным прибором. Для дальнейших рассуждений с таким же успехом будет служить один элемент. Обнаруживается, что потенциал меди выше, чем потенциал цинка. Слово «выше» употребляется здесь в том же смысле, в каком +2 больше, чем –2. Если один проводник связан со свободной медной пластинкой, а другой — с цинковой, оба станут заряженными: первый — положительно, а второй — отрицательно. На этой стадии рассуждений ничего особенно нового или поразительного не появилось, и мы можем потребовать применить наши предыдущие представления о разности потенциалов. Мы видели, что разность потенциалов между двумя проводниками можно быстро уничтожить посредством соединения проводников проволокой, в которой возникает поток электрической жидкости от одного проводника к другому. Этот процесс был уподоблен выравниванию температур тепловым потоком. Но производит ли поток в вольтовой батарее работу?

По словам Вольта, пластинки ведут себя как проводники, «слабо заряженные, которые действуют непрерывно или так, что их заряд после каждого разряда вновь восстанавливается; которые, одним словом, поставляют неограниченный заряд или производят непрерывное действие, или импульс электрической жидкости».

Результат этого эксперимента удивителен потому, что разность потенциалов между медной и цинковой пластинками не уменьшается, как в случае двух заряженных проводников, связанных проволокой. Разность эта остается неизменной, и, согласно жидкостной теории, должен возникать постоянный поток электрической жидкости от высшего потенциального уровня (медная пластинка) к низшему (цинковая пластинка). Пытаясь спасти жидкостную теорию, мы можем предположить, что действует некоторая постоянная сила, которая возрождает разность потенциалов и вызывает поток электрической жидкости. Но явление в целом удивительно, если рассматривать его с энергетической точки зрения. В проволоке, по которой течет ток, порождается заметное количество теплоты, достаточное даже для того, чтобы расплавить проволоку, если она тонка. Следовательно, в проволоке создается тепловая энергия. Но вся вольтова батарея образует изолированную систему, так как она не получает энергии извне. Если мы хотим спасти закон сохранения энергии, мы должны найти место, где происходят превращения, за счет которых создается теплота. Нетрудно установить, что в батарее происходят сложные химические процессы, в которых активное участие принимают как сам раствор, так и погруженные в него медь и цинк. С энергетической точки зрения здесь имеется цепь превращений: химическая энергия → энергия текущей электрической жидкости (тока) → теплота. Вольтова батарея не сохраняется вечно; химические изменения, связанные с потоком электричества, после некоторого времени делают батарею неработоспособной.

Эксперимент, который по-настоящему обнаружил большие трудности в применении механистических идей, должен для впервые слушающего о нем звучать странно. Он осуществлен Эрстедом около 120 лет назад. Последний пишет:

Этими экспериментами, кажется, показано, что магнитная стрелка сдвигалась из своего положения с помощью гальванического прибора, и именно тогда, когда гальваническая цепь была замкнута, а не разомкнута, как напрасно считали несколько лет назад очень известные физики.

Предположим, что мы имеем вольтову батарею и кусок металлической проволоки. Если проволока соединена с медной пластинкой, но не связана с цинковой, то существует разность потенциалов, но ток течь не может. Предположим, что проволока изогнута в форме кольца, в центре которого расположена магнитная стрелка, причем как проволочное кольцо, так и стрелка лежат в одной и той же плоскости. Пока проволока не прикасается к цинковой пластинке, ничего не происходит. Никаких действующих сил нет, наличие разности потенциалов не оказывает влияния на положение стрелки. Кажется трудным понять, почему «очень известные физики», как выразился Эрстед, ожидали такого влияния.

Соединим теперь проволоку с цинковой пластинкой. Немедленно произойдут странные вещи. Магнитная стрелка выходит из своего первоначального положения. Один из ее полюсов направлен к читателю, если страница этой книги представляет плоскость кольца (рис. 35). Опыт доказывает, что на магнитный полюс действует сила, перпендикулярная к плоскости кольца. Перед лицом экспериментальных фактов мы едва ли можем избежать такого вывода о направлении действующей силы.

Этот эксперимент интересен в первую очередь тем, что он показывает связь между двумя на первый взгляд совершенно различными явлениями — магнетизмом и электрическим током. Имеется и другой, даже более важный момент. Сила взаимодействия между магнитным полюсом и малыми отрезками проволоки, по которой течет ток, не должна лежать вдоль линий, связывающих проволоку и стрелку или частицы текущей электрической жидкости и элементарные магнитные диполи. Сила перпендикулярна к этим линиям! Впервые появляется сила, совершенно отличная от тех сил, к которым, соответственно нашей механистической точке зрения, мы стремились свести все действия внешнего мира. Мы помним, что силы тяготения, электростатики, магнетизма, подчиняющиеся законам Ньютона и Кулона, действуют вдоль линии, соединяющей оба притягивающихся или отталкивающихся тела.

Эта трудность была еще более подчеркнута экспериментом, который с большим искусством осуществлен Роуландом почти 60 лет назад. Оставляя в стороне технические детали, мы могли бы описать этот эксперимент следующим образом. Вообразим себе маленький заряженный шар (рис. 36). Представим себе далее, что этот шар очень быстро движется по окружности, в центре которой находится магнитная стрелка. Принципиально этот эксперимент таков же, что и эксперимент Эрстеда; единственное отличие состоит в том, что вместо обычного тока мы имеем механически совершающееся движение электрического заряда. Роуланд нашел, что результат в самом деле подобен тому, который наблюдался, когда по витку проволоки протекал ток. Магнит отклоняется силой, перпендикулярной к рисунку.

Пусть теперь заряд движется быстрее. В результате сила, действующая на магнитный полюс, возрастает; отклонение магнита от его начального положения становится более заметным. Это наблюдение представляет новое большое усложнение. Не только направление силы не совпадает с линией, связывающей заряд и магнит, но и ее абсолютная величина зависит от скорости заряда. Вся механистическая точка зрения базировалась на уверенности в том, что все явления могут быть объяснены в рамках сил, зависящих только от расстояния, а не от скорости. Результат эксперимента Роуланда, конечно, подрывает эту уверенность. Всё же мы можем попробовать остаться консервативными и искать решения в рамках старых идей.

Трудности этого рода, внезапные и неожиданные препятствия в триумфальном развитии теории, часто вырастают в науке.

Иногда простое обобщение старых идей оказывается, по крайней мере временно, хорошим выходом. Например, в данном случае казалось бы достаточным расширить предыдущую точку зрения и ввести более общее понятие сил, действующих между элементарными частицами. Однако очень часто оказывается невозможным подправить старую теорию, и трудности приводят к ее упадку и к развитию новой. В данном случае сыграло роль не только поведение ничтожной магнитной иглы, которая разрушила на первый взгляд хорошо обоснованные и преуспевающие механистические теории. Следующий удар, еще более энергичный, был нанесен уже с другой стороны. Но это другая история, и мы расскажем ее позднее.

Скорость света

В Галилеевых «Беседах о двух новых науках» мы находим разговор учителя и его учеников о скорости света:

Сагредо: Но какого рода и какой степени быстроты должно быть это движение света? Должны ли мы считать его мгновенным или же совершающимся во времени, как другие движения? Нельзя ли опытом убедиться, каково оно?

Симпличио: Повседневный опыт показывает, что распространение света совершается мгновенно. 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.

Сагредо: 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...

Сальвиати: Малая доказательность этих и других подобных же наблюдений заставила меня подумать о каком-либо способе удостовериться безошибочно в том, что освещение, т. е. распространение света, совершается действительно мгновенно...

Далее Сальвиати продолжает объяснять метод своего эксперимента. Для того чтобы понять его идею, представим себе, что скорость света не только конечна, но и мала, что движение света замедлилось подобно тому, как может замедлиться на экране реальное движение при просмотре замедленно движущейся пленки. Два человека, А и В, держат закрытые фонари и стоят, скажем, на расстоянии одного километра друг от друга. Первый человек, А, открывает свой фонарь. Оба они согласились, что В откроет свой фонарь в момент, когда увидит свет А. Предположим, что в нашем «замедленном движении» свет проходит один километр в секунду. А посылает сигнал, открывая свой фонарь, В видит это спустя секунду и посылает ответный сигнал. Этот сигнал получает А спустя две секунды после того, как он послал свой сигнал. Иными словами, если свет движется со скоростью одного километра в секунду, то пройдет две секунды между посылкой и приемом сигналов А, если предположить, что В находится на расстоянии одного километра. Наоборот, если А не знает скорости света, но предполагает, что его компаньон действует так, как условились, и он заметил, что В открыл фонарь через две секунды после того, как он открыл свой, то он может заключить, что скорость света равна одному километру в секунду.

При той экспериментальной технике, какая была доступна во времена Галилея, не было шансов определить скорость света таким путем. Если расстояние было порядка одного километра, то он должен был бы определять промежутки времени порядка одной стотысячной секунды.

Галилей сформулировал проблему определения скорости света, но он не разрешил ее. Формулировка проблемы часто более существенна, чем ее разрешение, которое может быть делом лишь математического или экспериментального искусства. Постановка новых вопросов, развитие новых возможностей, рассмотрение старых проблем под новым углом зрения требуют творческого воображения и отражают действительный успех в науке. Принцип инерции, закон сохранения энергии были получены только благодаря новым и оригинальным идеям в отношении уже хорошо известных экспериментов и явлений. Много примеров такого рода можно найти на последующих страницах этой книги, где будет подчеркнута важность рассмотрения известных фактов в новом свете и будут описаны новые теории.

Возвращаясь к сравнительно простому вопросу об определении скорости света, мы можем заметить, что удивительно, почему Галилей не установил, что его эксперимент мог бы быть осуществлен значительно проще и точнее одним человеком. Вместо того чтобы ставить на некотором расстоянии от себя своего компаньона, он мог бы установить там зеркало, которое автоматически посылало бы сигнал сразу же после его получения.

Около 250 лет спустя зеркало использовал Физо, который был первым, кто определил скорость света с помощью экспериментов со светом, исходящим от земного источника. С помощью астрономических наблюдений скорость света была определена Рёмером гораздо раньше, хотя и с меньшей точностью.

Совершенно ясно, что благодаря своей огромной величине скорость света могла быть измерена только при условии, если расстояния были сравнимы с расстояниями между Землей и другими планетами Солнечной системы, или же с помощью весьма утонченной экспериментальной техники. Первый метод — это метод Рёмера, второй же — метод Физо. Со времени этих первых экспериментов скорость света, представляющая весьма важную величину, измерялась много раз со все возрастающей точностью. В нашем столетии Майкельсон изобрел для этой цели весьма совершенную аппаратуру. Результат этих экспериментов можно выразить просто: скорость света в вакууме равна примерно 300 000 км/с.

Свет как субстанция

Мы опять начинаем с нескольких экспериментальных фактов. Только что приведенная величина относится к скорости света в вакууме. Свет распространяется с этой скоростью в пустом пространстве. Мы можем видеть и через пустой стеклянный сосуд, когда из него удален воздух. Мы видим планеты, звезды, небесные тела, хотя свет доходит от них к нашим глазам через пустое пространство. Тот простой факт, что мы можем видеть через стеклянный сосуд независимо от того, имеется ли внутри него воздух или нет, показывает нам, что наличие воздуха имеет весьма малое значение. На этом основании мы можем осуществлять оптические эксперименты в обыкновенной комнате с тем же самым эффектом, как если бы там не было воздуха.

Один из наиболее простых оптических фактов — это прямолинейное распространение света. Опишем примитивные эксперименты, показывающие это. Перед точечным источником помещен экран с отверстием. Точечный источник — это очень малый источник света, скажем маленькое отверстие в закрытом фонаре. На отдаленной стене отверстие в экране будет представлено в виде светлого пятна на темном фоне. Рис. 37 показывает, как это явление связано с прямолинейным распространением света. Все подобные явления, даже в более сложных случаях, в которых кроме света и тени появляются еще и полутени, можно объяснить, если предположить, что и в вакууме, и в воздухе свет распространяется по прямым линиям.

Возьмем другой случай, когда свет проходит через вещество. Пусть световой пучок проходит через вакуум и падает на стеклянную пластинку. Что происходит? Если бы закон прямолинейного движения был по-прежнему справедлив, то путь светового пучка шел бы вдоль линии, указанной на рис. 38 пунктиром. Но в действительности это не так. Луч преломляется, как указано на рисунке. Явление, которое мы здесь наблюдаем, называется рефракцией (преломлением). Одной из многих демонстраций рефракции является известный опыт с палкой, которая, будучи наполовину опущенной в воду, кажется переломленной.

Этих фактов достаточно для того, чтобы построить элементарную механическую теорию света. Наша цель здесь — показать, как идеи субстанции, частиц и сил проникли в область оптики и как в конечном счете потерпела крах старая точка зрения.

Здесь теория приходит на ум в самой простой и примитивной форме. Предположим, что все светящиеся тела испускают частицы света, или корпускулы, которые, попадая в наши глаза, производят в них ощущение света. Мы уже настолько привыкли вводить новые субстанции, если это необходимо для механистического объяснения, что можем сделать это еще раз без больших колебаний. Эти корпускулы должны проходить по прямым линиям через пустое пространство с известной скоростью, принося к нашим глазам сообщения от тел, испускающих свет. Все явления, показывающие прямолинейное распространение света, подкрепляют корпускулярную теорию света, ибо именно этот вид движения предписан корпускулам. Теория объясняет очень просто и отражение света зеркалом; это отражение такого же рода, как и отражение, обнаруживаемое в механических экспериментах с упругими мячами, ударяющимися в стену, как показывает рис. 39.

Объяснение рефракции немного труднее. Не входя в детали, мы все же видим возможность ее механистического объяснения. Если корпускулы падают, например, на поверхность стекла, то возможно, что на них действует сила, создаваемая частицами вещества, которая довольно странно действует только в непосредственном соседстве с веществом. Как мы знаем, любая сила, действующая на движущуюся частицу, изменяет ее скорость. Если сила, действующая на световую корпускулу, есть притяжение, перпендикулярное к поверхности стекла, то новое движение луча будет где-то между линией первоначального пути и перпендикуляром к поверхности стекла. Кажется, что это элементарное объяснение обещает успех корпускулярной теории света. Однако, чтобы определить полезность и степень справедливости этой теории, мы должны исследовать новые и более сложные факты.

Загадка цвета

Все богатство цветов в природе впервые объяснил тот же гениальный Ньютон. Здесь мы даем описание одного из экспериментов Ньютона его собственными словами:

В начале 1666 года (в это время я занимался шлифовкой стекол иных форм, чем сферические) я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с нею произвести опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропускания в нужном количестве солнечного света, я поместил призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло мне приятное удовольствие.

Солнечный свет — «белый». После прохождения через призму в нем обнаруживаются все цвета, которые существуют в нашем мире. Сама природа воспроизводит тот же самый опыт в великолепной цветовой палитре — радуге. Попытки объяснить это явление очень стары. Библейская легенда о том, что радуга — божественный знак примирения с человеком, — это в некотором смысле тоже «теория». Но она не дает удовлетворительного объяснения, почему радуга время от времени повторяется и почему ее появление всегда связано с дождем. Вся загадка цвета впервые подверглась научному обсуждению, и разрешение ее было намечено в великой работе Ньютона.

Один край радуги всегда красный, а другой — фиолетовый. Между ними расположены все другие цвета. Приведем ньютоновское объяснение этого явления. Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет — это, так сказать, смесь разнородных корпускул, принадлежащих разным цветам. В эксперименте Ньютона призма разделяет их в пространстве. Согласно механической теории, рефракция (преломление) обязана силам, которые исходят от частиц стекла и действуют на частицы света. Эти силы различны для корпускул, принадлежащих к различным цветам, они наибольшие для фиолетового и наименьшие для красного. Путь корпускул каждого отдельного цвета будет преломляться по-своему и будет отделяться от других, когда свет покидает призму. В радуге роль призм играют капли воды.

Субстанциональная теория света теперь более усложнена, чем прежде. Мы имеем уже не одну световую субстанцию, а множество, и каждая из них относится к отдельному цвету. Однако если в теории имеется доля правды, ее следствия должны согласоваться с наблюдением.

Серии цветов в белом солнечном свете, обнаруженные экспериментом Ньютона, называются солнечным спектром, или, точнее, его видимым спектром. Описанное здесь разложение белого света на составляющие его компоненты называется дисперсией света. Разделенные цвета спектра можно было бы смешать снова с помощью второй, должным образом приспособленной, призмы, если только данное объяснение не является ложным. Процесс был бы как раз обратным предыдущему. Мы получили бы белый свет из цветов, разделенных ранее. Ньютон экспериментально подтвердил, что в самом деле возможно этим путем получить белый свет из его спектра, а спектр — из белого света столько раз, сколько захочется. Эти эксперименты создали прочную основу для теории, в которой корпускулы, принадлежащие каждому цвету, ведут себя как неизменяемые субстанции. По этому поводу Ньютон писал:

...эти цвета не порождены вновь, а лишь стали видными благодаря разделению, ибо, если их снова полностью смешать вместе, то они вновь составят тот свет, который они составляли до разделения. По той же причине изменения, которые получаются при соединении различных цветов, не реальны, ибо, если различные лучи вновь разъединить, они будут проявлять точно те же цвета, как и до вхождения в смесь. Как вы знаете, синие и желтые порошки при тонком смешивании кажутся невооруженному глазу зелеными, и все же цвета составляющих корпускул не изменились в действительности, а лишь смешались. Ибо, если посмотреть в хороший микроскоп, они по-прежнему будут казаться только синими и желтыми.

Предположим, что мы выделили очень узкую полосу спектра. Это означает, что из всего множества цветов мы позволили лишь одному пройти сквозь щель, другие же задержали экраном. Луч, который проходит сквозь щель, будет состоять из однородного света, т. е. света, который не может быть разделен на дальнейшие компоненты. Это следствие теории, и его легко можно проверить экспериментально. Такой луч однородного цвета никаким путем нельзя разделить дальше. Имеется простой способ получения источников однородного света. Например, натрий, будучи раскален, испускает однородный желтый свет. Производить обычные оптические эксперименты с однородным светом часто очень удобно, ибо легко понять, что в этом случае результат будет гораздо проще.

Представим себе, что внезапно произошло очень странное событие: наше Солнце стало испускать только однородный свет некоторого определенного цвета, скажем желтого. Тогда огромное многообразие цветов на Земле немедленно исчезло бы. Все выглядело бы либо желтым, либо черным! Это предсказание есть следствие субстанциональной теории света, ибо новые цвета не могут быть созданы.

Справедливость его можно проверить экспериментально: в комнате, где единственным источником света является раскаленный натрий, все кажется либо желтым, либо черным. Богатство красок в мире отражает многообразие цветов, из которых состоит белый свет. Субстанциональная теория света во всех этих случаях действует блестяще, хотя необходимость введения стольких субстанций, сколько имеется цветов, может нас несколько обеспокоить. Предположение, что все корпускулы света имеют одну и ту же скорость в пустом пространстве, также кажется очень искусственным.

Вполне можно представить себе, что другой ряд положений, теория совершенно другого характера, действовали бы столь же хорошо и давали бы все необходимые объяснения. В самом деле, скоро мы станем свидетелями развития другой теории, основанной на совершенно иных понятиях и все же объясняющей ту же самую область оптических явлений. Однако прежде чем сформулировать положения, лежащие в основе этой новой теории, мы должны осветить вопрос, никак не связанный с этими оптическими явлениями. Мы должны вернуться к механике и спросить: что такое волна?

Что такое волна?

Какая-нибудь сплетня, пущенная в Вашингтоне, очень быстро доходит до Нью-Йорка, несмотря на то что ни одно лицо, принимавшее участие в ее распространении, не передвигалось между этими двумя городами. Имеются два совершенно различных способа передачи или движения слухов из Вашингтона в Нью-Йорк и движения лиц, передающих слух.

Порыв ветра, проносясь над хлебным полем, создает волну, которая распространяется по всему полю. И здесь опять мы должны делать различие между движением волны и движением отдельных растений, которые совершают лишь малые колебания. Все мы видели волны, которые распространяются всё более и более широкими кругами, когда в воду брошен камень. Движение волны сильно отличается от движения частиц воды. Частицы движутся лишь вверх и вниз. Наблюдаемое движение волны — это перемещение некоторого состояния вещества, а не самого вещества. Пробка, плавающая на волне, ясно показывает это, ибо она движется вверх и вниз, подражая действительному движению воды, а не переносится вдоль волны.

Чтобы лучше понять механизм волны,рассмотрим опять идеализированный эксперимент. Предположим, что огромное пространство сплошь заполнено водой, или воздухом, или какой-либо другой «средой». Где-то в центре имеется шар (рис. 40). В начале эксперимента никакого движения нет вовсе. Вдруг шар начинает ритмически «дышать», расширяясь и сжимаясь в объеме, однако все время оставаясь сферическим по форме. Что происходит в среде? Начнем рассмотрение в тот момент, когда шар начинает расширяться. Частицы среды, находящиеся в непосредственной близости к шару, отталкиваются, так что плотность прилегающего к шару слоя воды или воздуха увеличивается против своего нормального значения. Точно так же, когда шар сжимается, то плотность той части среды, которая непосредственно окружает шар, будет уменьшаться. Эти изменения плотности распространяются во всей среде. Частицы, составляющие среду, проделывают лишь малые колебания, но движение в целом — это движение распространяющейся волны. Существенно новым здесь является то, что впервые мы рассматриваем движение чего-то, что есть не вещество, а энергия, распространяющаяся в веществе.

Используя пример пульсирующего шара, мы можем ввести два общих физических понятия, важных для характеристики волн. Первое — это скорость, с которой распространяется волна. Она будет зависеть от среды и будет различна, например, для воды и воздуха. Второе понятие — длина волны — это расстояние от углубления одной волны до углубления следующей или же расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. Морские волны имеют большую длину волны, чем волны на реке. В наших волнах, образующихся благодаря пульсации шара, длина волны — это расстояние, взятое в некоторый определенный момент между двумя соседними шаровыми слоями, у которых одновременно плотность имеет максимальное или минимальное значение. Очевидно, что это расстояние зависит не только от среды. Большое влияние будет, конечно, иметь быстрота пульсации шара; так, длина волны будет короче, если пульсация становится быстрее, и длиннее, если пульсация медленнее.

Это понятие волны оказывается очень удачным в физике. Оно является определенно механическим понятием. Явление сводится к движению частиц, которые, согласно кинетической теории, образуют вещество. Таким образом, всякая теория, которая употребляет понятие волны, может, вообще говоря, считаться механической теорией. В частности, объяснение акустических явлений существенно опирается на это понятие. Колеблющиеся тела, например, такие, как голосовые связки или скрипичные струны, являются источниками звуковых волн, которые распространяются в воздухе, аналогично тому как это имеет место для волн, образующихся от пульсирующего шара. Таким образом, с помощью понятия волны можно все акустические явления свести к механическим.

Уже было подчеркнуто, что мы должны отличать друг от друга движение частиц и движение самой волны, которая является состоянием среды. Оба движения совершенно различны, но очевидно, что в нашем примере пульсирующего шара оба движения происходят вдоль одной и той же прямой. Частицы среды колеблются в небольших пределах, и плотность увеличивается и уменьшается периодически в соответствии с этим движением. Направление, в котором распространяются волны, и направление, вдоль которого совершаются колебания, одно и то же. Волны этого типа называются продольными. Но является ли этот тип волн единственным? Для наших дальнейших рассуждений важно ясно представить себе возможность другого типа волны, называемой поперечной.

Изменим наш предыдущий пример. Пусть мы по-прежнему имеем шар, но он погружен в среду другого рода: вместо воздуха или воды взято нечто вроде студня или желе. Более того, шар больше не пульсирует, а поворачивается на небольшой угол сначала в одном направлении, а затем в обратном, всегда в одном и том же ритме и вокруг определенной оси (рис. 41). Желе прилипает к шару, и прилипающие частицы вынуждены повторять его движение. Эти частицы вынуждают частицы, расположенные немного дальше, повторять то же движение и т. д., так что в среде возникает волна. Если мы помним о различии между движением среды и движением волны, то мы видим, что в данном случае они явно не совпадают. Волна распространяется в направлении радиуса шара, а частицы среды движутся перпендикулярно к этому направлению. Следовательно, мы создали поперечную волну.

Волны, распространяющиеся на поверхности воды, поперечны. Плавающая пробка движется вверх и вниз, а волна распространяется вдоль горизонтальной плоскости. С другой стороны, звуковые волны дают нам наиболее известный пример продольных волн.

Еще одно замечание: волна, созданная пульсирующим или колеблющимся в однородной среде шаром, — это сферическая волна. Она называется так потому, что в любой данный момент все точки среды, размещающиеся на любой сфере, окружающей источник, ведут себя одинаковым образом. Рассмотрим часть такой сферы на большом расстоянии от источника (рис. 42).

Чем дальше от источника мы берем такую часть сферы и чем меньшую часть мы берем, тем больше она похожа на часть плоскости. Не стремясь быть слишком строгими, мы можем сказать, что нет существенного различия между частью плоскости и частью сферы, радиус которой достаточно велик. Очень часто мы говорим о небольших частях сферической волны, далеко продвинувшейся от ее источника, как о плоских волнах. Чем дальше мы помещаем заштрихованную на рисунке часть поверхности от центра сферы и чем меньше угол между двумя радиусами, тем более она приближается к представлению о плоской волне. Понятие плоской волны, подобно многим другим физическим понятиям, есть не больше как абстракция, которую мы можем осуществить лишь с известной степенью точности. Тем не менее это полезное понятие, и оно нам понадобится в дальнейшем.

Волновая теория света

Вспомним, почему мы прекратили описание оптических явлений. Нашей целью было ввести другую теорию света, отличную от корпускулярной, но также пытающуюся объяснить ту же область фактов. Чтобы сделать это, мы должны были прервать наш рассказ и ввести понятие волн. Теперь мы можем вернуться к нашему предмету. Первым, кто выдвинул совершенно новую теорию света, был современник Ньютона — Гюйгенс. В своем трактате о свете он писал:

Если, кроме того, свет употребляет для своего прохождения некоторое время — что мы сейчас проверим, — то из этого следует, что это движение, сообщенное окружающей материи, следует одно за другим во времени; поэтому оно, подобно звуку, распространяется сферическими поверхностями и волнами; я называю их волнами по тому сходству, которое они имеют с волнами, образующимися на воде, когда в нее брошен камень, и представляющими собой последовательно расширяющиеся круги, хотя они и возникают от другой причины и находятся лишь на плоской поверхности.

По Гюйгенсу, свет — это волна, передача энергии, а не субстанции. Мы видели, что корпускулярная теория объясняет многие наблюденные факты. В состоянии ли это сделать и волновая теория? Мы должны снова поставить те вопросы, на которые уже дали ответ с помощью корпускулярной теории, чтобы увидеть, может ли волновая теория ответить на них с таким же успехом. Сделаем это здесь в форме диалога между Н и Г, где Н — собеседник, убежденный в справедливости корпускулярной теории Ньютона, а Г — собеседник, убежденный в справедливости теории Гюйгенса. Ни тому, ни другому не разрешено применять доводы, полученные после того, как работа обоих великих мастеров была закончена.

Н: В корпускулярной теории скорость света имеет вполне определенный смысл. Это скорость, с которой корпускулы движутся в пустом пространстве. Что она означает в волновой теории?

Г: Конечно, она означает скорость световой волны. Всякому известно, что волна распространяется с некоторой определенной скоростью, и то же должно быть с волнами света.

Н: Это не так просто, как кажется. Звуковые волны распространяются в воздухе, морские волны — в воде. Каждая волна должна иметь материальную среду, в которой она распространяется. Но свет проходит через вакуум, в то время как звук не проходит. Предположить волну в пустом пространстве фактически означает вовсе не предполагать никакой волны.

Г: Да, это трудность, хотя и не новая для меня. Мой учитель изучал ее очень внимательно и решил, что единственный выход — предположить существование гипотетической субстанции, эфира, передающей среды, заполняющей всю Вселенную. Вселенная, так сказать, погружена в эфир. Если у нас есть смелость ввести это понятие, то все становится ясным.

Н: Но я возражаю против такого предположения. Во-первых, оно вводит новую гипотетическую субстанцию, а мы уже имеем слишком много субстанций в физике. Имеется также и другой довод против него. Вы не сомневаетесь в том, что мы должны всё объяснять, оставаясь в пределах механики. А как относительно эфира? В состоянии ли вы ответить на простой вопрос о том, как эфир построен из своих элементарных частиц и как он обнаруживается в других явлениях?

Г: Ваше первое возражение, конечно, справедливо. Но, вводя некий искусственный невесомый эфир, мы сразу освобождаемся от гораздо более искусственных световых корпускул. Мы имеем только одну «таинственную» субстанцию вместо бесконечного числа их, соответствующего огромному числу цветов в спектре. Не кажется ли вам, что это и есть настоящий прогресс? По крайней мере, все трудности сконцентрированы в одном пункте. Мы не нуждаемся больше в искусственном предположении, что частицы, относящиеся к различным цветам, движутся с одной и той же скоростью в пустом пространстве.

Ваше второе возражение тоже справедливо. Мы не можем дать механического объяснения эфира. Но нет никакого сомнения в том, что дальнейшее изучение оптических и, может быть, других явлений обнаружит его структуру. В настоящее время мы должны ожидать новых экспериментов и заключений, но я надеюсь, что в конце концов мы сможем разрешить проблему о механической структуре эфира.

Н: Оставим на время этот вопрос, так как он не может быть разрешен теперь. Мне хотелось бы видеть, как ваша теория, даже если мы отбросим трудности, объясняет те явления, которые так ясны и понятны в корпускулярной теории. Возьмем, например, тот факт, что световые лучи проходят в вакууме или в воздухе вдоль прямых. Кусок бумаги, помещенный перед свечой, создает четкую и резко очерченную тень на стене. Резкие тени были бы невозможны, если бы волновая теория была правильна, ибо волны огибали бы края бумаги и тем самым размазывали бы тень. Маленькое судно не является препятствием для морских волн, как вы знаете; они просто огибают его, не отбрасывая тени.

Г: Это неубедительный довод. Возьмите короткие волны на реке, ударяющие о борт большого корабля. Волны, возникающие на одной стороне корабля, не будут видны на другой. Если волны достаточно малы, а корабль достаточно велик, появляется очень четкая тень. Очень возможно, что свет кажется нам проходящим по прямым линиям лишь потому, что его длина волны очень мала в сравнении с размерами обычных препятствий и отверстий, употребляемых в экспериментах. Возможно, что, если бы мы могли создать достаточно малые препятствия, никакой тени не было бы. Мы можем встретиться с большими экспериментальными трудностями в конструировании приборов, которые могли бы показать, в состоянии ли свет огибать препятствия. Тем не менее, если бы такой эксперимент можно было осуществить, он был бы решающим в борьбе между волновой и корпускулярной теориями света.

Н: Волновая теория может привести к новым фактам в будущем, но я не знаю каких-либо данных, убедительно ее подтверждающих. Пока с определенностью не доказано экспериментально, что свет может огибать препятствия, я не вижу какого-либо основания отказываться от корпускулярной теории, которая кажется мне проще и потому лучше, чем волновая.

На этом мы можем прервать диалог, хотя предмет его никоим образом не исчерпан.

Остается еще показать, как волновая теория объясняет преломление света и многообразие цветов. Как мы знаем, корпускулярная теория в состоянии дать такое объяснение. Мы начнем с преломления, но сначала будет полезно рассмотреть пример, не имеющий ничего общего с оптикой.

Пусть по большому открытому пространству прогуливаются два человека, держащие между собой твердый прут. Вначале они идут прямо вперед, оба с одинаковой скоростью. Пока их скорости одинаковы, велики они или малы — безразлично, прут будет совершать параллельное перемещение, т. е. он не будет поворачиваться или изменять свое направление. Все последовательные положения прута параллельны друг другу. Но представим себе теперь, что в течение очень короткого времени, может быть равного долям секунды, движения обоих людей стали неодинаковыми. Что произойдет? Ясно, что в течение этого времени прут будет поворачиваться, так что он не будет больше перемещаться параллельно своему первоначальному положению. Когда опять возобновится движение с равными скоростями, оно будет иметь направление, отличное от первоначального (рис. 43.) Изменение направления происходит в течение того промежутка времени, в котором скорость обоих пешеходов была различной.

Этот пример позволит нам понять преломление волны. Плоскость волны, движущейся в эфире, достигает поверхности стекла. На рис. 44 мы видим волну со сравнительно широким фронтом, который перемещается вперед. Фронт волны — это плоскость, в которой в любой момент времени все части эфира находятся в одинаковом состоянии. Так как скорость зависит от среды, через которую в данный момент времени проходит свет, то скорость в стекле будет отличаться от скорости в пустом пространстве. В течение очень короткого времени, за которое фронт волны входит в стекло, различные части фронта волны будут иметь различные скорости. Ясно, что те части, которые уже достигли стекла, будут двигаться со скоростью света в стекле, в то время как другие части по-прежнему движутся со скоростью света в эфире. Благодаря этой разности в скоростях вдоль фронта волны, существующей в течение времени «погружения» в стекло, направление самой волны будет изменяться.

Итак, мы видим, что не только корпускулярная, но и волновая теория приводит к объяснению преломления. Дальнейшее рассмотрение и некоторое применение математики показывают, что объяснение волновой теории проще и лучше и что следствия из нее находятся в полном согласии с наблюдением. В самом деле, количественные методы рассмотрения позволяют нам вывести скорость света в преломляющей среде, если мы знаем, как преломляется луч, когда он входит в нее. Прямые измерения блестяще подтверждают эти предсказания, а тем самым и волновую теорию света.

Остается еще вопрос о цвете.

Необходимо вспомнить, что волна характеризуется двумя числами — скоростью и длиной волны. Весьма существенным является следующее утверждение волновой теории света:

Волны различной длины соответствуют различным цветам.

Длина волны однородного желтого света отлична от длины волны синего или фиолетового. Вместо искусственного разделения корпускул, относящихся к разным цветам, мы имеем естественное различие по длине волны.

Отсюда следует, что эксперименты Ньютона по дисперсии света могут быть описаны двумя различными языками — языком корпускулярной теории и языком волновой теории. Например:

Кажется, было бы мудрым избежать двусмысленности, происходящей из факта существования двух различных теорий одних и тех же явлений, решив в пользу одной из них после внимательного рассмотрения достоинств и недостатков каждой. Диалог между Н и Г показывает, что это нелегкая задача. Решение с этой точки зрения было бы скорее делом вкуса, чем делом научного убеждения. Во времена Ньютона и 100 лет спустя большинство физиков предпочитало корпускулярную теорию.

История вынесла свой приговор в пользу волновой теории и против корпускулярной гораздо позднее, в середине XIX столетия. Н в своем разговоре с Г заявлял, что в принципе возможно было экспериментальное решение спора между обеими теориями. Корпускулярная теория не разрешает свету огибать препятствия и требует наличия четких теней. Согласно же волновой теории, достаточно малые препятствия не будут отбрасывать никакой тени. В работах Юнга и Френеля этот результат был получен экспериментально; там же были сделаны теоретические выводы.

Вверху мы видим фотографию световых пятен, после того как два луча прошли через два маленьких отверстия, один за другим (сначала была открыта одна щель; затем она закрывалась, а другая открывалась). Внизу мы видим полосы, полученные в результате того, что луч прошел через оба маленьких отверстия одновременно. (Фотография В. Аркадьева)

Мы уже обсуждали чрезвычайно простой эксперимент, в котором экран с отверстием помещался перед точечным источником света, а тень отбрасывалась на стену. В дальнейшем мы упростим эксперимент, полагая, что источник испускает однородный свет. Для получения наилучших результатов источник света должен быть сильным. Представим себе, что отверстие в экране делается все меньше и меньше. Если в нашем распоряжении есть сильный источник и нам удается сделать отверстие достаточно малым, то обнаруживаются новые и удивительные явления, совершенно непонятные с точки зрения корпускулярной теории. Нет больше резкого различия между светом и темнотой. Свет постепенно блекнет, переходя в темный фон через серию светлых и темных колец. Появление колец очень характерно для волновой теории. Объяснение чередования светлых и темных полос будет ясно в случае несколько иной экспериментальной установки. Предположим, что мы имеем лист черной бумаги с двумя булавочными дырочками, через которые может проходить свет. Если дырочки близко примыкают друг к другу и очень малы и если однородный свет достаточно силен, то на стене появится множество светлых и темных полос, постепенно ослабевающих и переходящих в темный фон. Объяснение очень простое. Темная полоса появляется там, где впадина волны от одной дырочки встречается с гребнем волны от другой, так что обе погашаются. Полоса света — там, где встречаются две впадины или два гребня от волн, идущих от обеих дырочек, и усиливают друг друга. Сложнее объяснение темных и светлых колец в предыдущем примере, в котором мы применяли экран с одним отверстием, но принципиально оно то же самое. Это появление темных и светлых полос при прохождении света через две щели и темных и светлых колец при прохождении отверстия следует иметь в виду, ибо позднее мы вернемся к обсуждению обеих различных картин. Описанные здесь эксперименты обнаруживают дифракцию света — отклонение света от прямолинейного распространения, когда на пути световых волн расположены малые отверстия или препятствия (рис. 45–47).

Дифракция света в результате огибания лучом очень малого препятствия. (Фотография В. Аркадьева)

Дифракция света в результате прохождения луча через очень малое отверстие. (Фотография В. Аркадьева)

С помощью математики мы в состоянии пойти гораздо дальше. Можно установить, как велика, вернее, как мала должна быть длина волны, чтобы создать дифракционную картину. Таким образом, описанные эксперименты позволяют нам определить длину волны однородного света. Чтобы дать представление о том, как малы эти величины, мы укажем длины волн крайних лучей видимого солнечного спектра, т. е. длины волн красного и фиолетового лучей. Длина волны красного света равна 0,00008 см. Длина волны фиолетового света равна 0,00004 см.

Мы не должны удивляться, что эти величины очень малы. Точно очерченная тень, т. е. явление прямолинейного распространения света, наблюдается в природе лишь потому, что обычно встречающиеся отверстия и препятствия чрезвычайно велики по сравнению с длиной волны света. Свою волновую природу свет обнаруживает лишь тогда, когда применяются очень малые отверстия и препятствия.

Но история поисков теории света никоим образом не окончена. Приговор XIX столетия не был последним и окончательным. Для современных физиков вся проблема выбора между корпускулами и волнами существует вновь, теперь уже в гораздо более глубокой и сложной форме. Примем поражение корпускулярной теории света до тех пор, пока мы не обнаружим, что характер победы волновой теории проблематичен.

Продольны или поперечны световые волны?

Все рассмотренные нами оптические явления говорят в пользу волновой теории. Искривление луча света у краев малых отверстий и препятствий и объяснение преломления — это самые сильные аргументы в ее пользу. Руководствуясь механистической точкой зрения, мы признаем, что остается еще один вопрос, на который следует ответить: определение механических свойств эфира. Для решения этой проблемы существенно знать, продольны или поперечны световые волны в эфире. Другими словами, распространяется ли свет подобно звуку? Вызвана ли волна изменением плотности среды, т. е. совершаются ли колебания частиц в направлении распространения? Или эфир похож на упругий студень — на среду, в которой могут распространяться лишь поперечные волны и в которой частицы движутся в направлении, перпендикулярном к направлению распространения самих волн?

Прежде чем решить эту проблему, попробуем определить, какой ответ следует предпочесть. Очевидно, мы должны были бы радоваться, если бы световые волны оказались продольными. В этом случае трудности в описании механического эфира были бы не так велики. Картина строения эфира могла бы, вероятно, быть чем-то вроде механической картины строения газа, которая объясняет распространение звуковых волн. Было бы гораздо труднее создать картину строения эфира, передающего поперечные волны. Представить себе среду в виде студня или желе, построенную из частиц таким образом, что через нее распространяются поперечные волны, — это нелегкая задача. Гюйгенс был убежден, что эфир скорее окажется «воздухообразным», чем «желеобразным». Но природа очень мало внимания обращает на наши трудности. Была ли природа в этом случае милосердна к попыткам физиков понять все явления с механистической точки зрения? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны обсудить некоторые новые эксперименты.

Мы рассмотрим подробно лишь один из многих экспериментов, который в состоянии дать нам ответ. Предположим, что мы имеем очень тонкую пластинку из турмалинового кристалла, вырезанную особым образом, в описании которого здесь нет необходимости. Пластинка кристалла должна быть настолько тонка, чтобы можно было видеть сквозь нее источник света. Возьмем теперь две такие пластинки и поместим их между глазами и источником света (рис. 48). Что мы увидим? Опять световую точку, если пластинки достаточно тонки. Очень велики шансы на то, что эксперимент подтвердит наши ожидания. Не задаваясь целью установить, каковы эти шансы, допустим, что мы уже видим световую точку через оба кристалла. Будем теперь постепенно изменять положение одного кристалла, поворачивая его. Это предложение будет иметь смысл лишь в том случае, если положение оси, вокруг которой происходит вращение, фиксировано. Мы возьмем в качестве оси линию, определяемую проходящим лучом.

Это означает, что мы перемещаем все точки одного кристалла, кроме тех, которые лежат на оси. Но что за странная вещь! Свет делается все слабее и слабее, пока не исчезает совершенно. Затем он вновь появляется, по мере того как продолжается вращение, и вновь приобретает первоначальный вид, когда достигается первоначальное положение.

Не входя в детали подобных экспериментов, мы можем задать следующий вопрос: можно ли объяснить эти явления, если световые волны продольны? Если бы волны были продольны, частицы эфира должны были бы двигаться вдоль оси, т. е. в том же направлении, в каком идет луч. Если кристалл вращается, ничего вдоль оси не изменяется. Точки на оси не передвигаются, и лишь очень небольшое смещение имеет место вблизи оси. Такого ясно различимого изменения, как исчезновение и появление новой картины, не могло бы возникнуть для продольной волны. Это, а также и многие другие подобные явления могут быть объяснены лишь в том случае, если предположить, что световые волны не продольны, а поперечны! Или, другими словами, нужно предположить «желеобразный» характер эфира.

Это очень печально! Мы должны подготовиться к встрече непреодолимых трудностей в попытке механического описания эфира.

Эфир и механистическое воззрение

Обсуждение всех различных попыток описать механическую природу эфира как среды, передающей свет, привело бы к длинной истории. Механическая конструкция означает, как мы знаем, что субстанция состоит из частиц, между которыми вдоль прямой линии, соединяющей их, действуют силы, зависящие только от расстояния. Для того чтобы построить эфир в виде желеобразной механической субстанции, физики должны принять несколько чрезвычайно неестественных предположений. Мы не будем приводить их здесь: они относятся к почти забытому прошлому. Но результат был значителен и важен. Искусственный характер всех этих предположений, необходимость введения такого множества их, причем все они совершенно независимы друг от друга, — все это было достаточным, чтобы подорвать уверенность в механистической точке зрения.

Но имеются другие, более простые возражения против эфира, чем трудности его построения. Если мы хотим объяснить оптические явления механистически, то следует предположить, что эфир существует повсюду. Если свет передается только в среде, то не может быть никакого пустого пространства.

Однако из механики мы знаем, что межзвездное пространство не оказывает сопротивления движению материальных тел. Планеты, например, проходят через эфир-желе, не встречая какого-либо сопротивления своему движению, которое должна была бы оказать материальная среда. Если же эфир не нарушает движения вещества, то не может быть никакого взаимодействия между частицами эфира и частицами вещества. Свет проходит через эфир, а также через стекло и воду, но его скорость изменяется в последних субстанциях. Как можно объяснить этот факт механистически? По-видимому, лишь предполагая некоторое взаимодействие между частицами эфира и частицами вещества. Мы только что видели, что для свободно движущихся тел следует предположить, что такого взаимодействия не существует. Другими словами, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но не существует никакого взаимодействия в механических явлениях! Это, конечно, очень парадоксальное заключение!

По-видимому, из всех этих трудностей будет единственный выход. При попытке понять явления природы с механистической точки зрения на всем протяжении развития науки до XX столетия было необходимо вводить искусственные субстанции, такие как электрические и магнитные жидкости, световые корпускулы или эфир. Результатом было только то, что все эти трудности концентрировались в нескольких существенных пунктах, таких как эфир, в случае оптических явлений. Здесь все бесплодные попытки построить эфир простым путем, так же как и другие возражения, обнаруживают, что ошибка лежит в фундаментальном положении о том, что все явления в природе можно объяснить с механистической точки зрения. Наука не имела успеха в последовательном проведении механистической программы, и сегодня ни один физик не верит в возможность ее выполнения.

В нашем кратком обозрении принципиальных идей физики мы встретили ряд нерешенных проблем, пришли к трудностям и препятствиям, которые обескуражили ученых в попытках сформулировать единое и последовательное воззрение на все явления внешнего мира. В классической механике мы встретили незамеченную руководящую нить исследования — равенство тяжелой и инертной масс. Обнаружен искусственный характер электрической и магнитной жидкостей. Во взаимодействии между электрическим током и магнитной иглой встретились неразрешенные трудности. Следует напомнить, что эта сила действовала не по линии, соединяющей проводник и магнитный полюс, и зависела от скорости движущегося заряда. Закон, выражающий ее направление и величину, был чрезвычайно сложен. И наконец, установлено наличие больших трудностей с эфиром.

Современная физика атаковала все эти проблемы и разрешила их. Но в борьбе за эти решения возникли новые и более глубокие проблемы. Наши знания теперь шире и глубже, чем знания физика XIX столетия, но таковы же и наши сомнения и трудности.

Подведем итоги.

В старой теории электрических жидкостей, в корпускулярной и волновой теориях света мы видим дальнейшие попытки применить механистическое воззрение. Но в области электрических и оптических явлений это применение встречает большие трудности.

Движущийся заряд действует на магнитную иглу, причем сила зависит не только от расстояния, но и от скорости заряда. Сила эта не отталкивает и не притягивает, а действует перпендикулярно к линии, соединяющей иглу и заряд.

В оптике мы должны отдать предпочтение волновой теории света перед корпускулярной. Волны, распространяющиеся в среде, состоящей из частиц, между которыми действуют механические силы, — это, конечно, механическое понятие. Но что это за среда, в которой распространяется свет, и каковы ее механические свойства? Пока этот вопрос остается без ответа, нет никаких надежд свести оптические явления к механическим. Но трудности в разрешении этой проблемы так велики, что мы должны отказаться от этого пути, стало быть, должны отказаться и от механистических воззрений.

Источник: elementy.ru.

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (1) | Распечатать

Добавить новость в: