Истина и красота. Всемирная история симметрии. - Иэн Стюарт

Основной вопрос состоял в том, что же такое свет. Свет обладает рядом интригующих свойств. Он не только отражается; он может еще и преломляться — внезапно изменять направление на границе двух различных сред, например воздуха и воды. Именно поэтому палка, опущенная в пруд, выглядит изломанной; на этом же основана работа линзы.

Но еще более интригующим оказывается явление дифракции. В 1664 году ученый и всесторонне образованный человек Роберт Гук, не раз за свою карьеру имевший столкновения с Ньютоном, открыл, что если поместить линзу сверху на плоское зеркало, то при взгляде через линзу видны тонкие концентрические цветные кольца.

Эти кольца известны сейчас как Ньютоновы кольца, потому что Ньютон первым проанализировал их возникновение. Сегодня этот опыт считается ясной демонстрацией того факта, что свет — это волна: кольца возникают в результате интерференции из-за того, что волны при наложении одна на другую или гасят, или не гасят друг друга. Но Ньютон не верил, что свет — волна. Поскольку свет распространяется по прямым линиям, он полагал, что это должен быть поток частиц. Согласно его «Оптике», законченной в 1705 году, «Свет составлен из мельчайших частиц, или корпускул, испускаемых светящимися телами». В рамках теории частиц отражение объяснялось очень просто: частица отскакивает при ударе об (отражающую) поверхность. В этой теории возникли трудности с объяснением преломления, и она, по существу, рассыпалась, когда дело дошло до дифракции.

Размышляя о том, что же может заставить световые лучи изменять направление, Ньютон решил, что корень проблемы должен быть не в свете, а в среде. Это привело его к предположению о существовании некой «эфирной среды», которая передает колебания быстрее, чем свет. Он убедил себя, что излучение тепла подтверждает наличие этих колебаний, потому что, согласно его наблюдениям, тепловое излучение проходит через пустоту. В пустоте должно быть нечто, что переносит тепло и вызывает преломление и дифракцию. Ньютон писал:

Разве Тепло передается из теплой Комнаты через Пустоту не за счет Вибраций некоторой более тонкой Среды, чем Воздух, остающейся в Пустоте после удаления Воздуха? И не является ли эта Среда той самой, в которой Свет преломляется и отражается и посредством Вибраций которой Свет передает Тепло Телам, а также легко претерпевает Отражение и легко переносится?

Читая эти слова, я не могу не вспомнить моего друга Терри Пратчетта, написавшего целый ряд книг, действие которых происходит в Плоском Мире, представляющем собой пародию на наш мир. С помощью массы населяющих его разнообразных волшебников, ведьм, троллей, гномов и людей Пратчетт подтрунивает над человеческими слабостями. Свет в Плоском Мире распространяется примерно со скоростью звука — именно по этой причине можно видеть, как при восходе солнца свет идет через поля. Свету необходима и противоположная, дополняющая его сторона — темнота (практически все в Плоском Мире реализовано в конкретном воплощении), причем темнота, понятно, распространяется быстрее света, ибо должна же она успеть убраться у него с дороги. Все это полностью осмысленно, даже в применении к нашему миру, если не считать того огорчительного факта, что ничто из этого не верно.

Ньютонова теория света страдает от того же недостатка. Ньютон вовсе не говорил заведомых глупостей; его теория, казалось, отвечала на целый ряд важных вопросов. К сожалению, эти ответы основывались на фундаментальном недопонимании: он полагал, что тепловое излучение и свет — это два разных явления. Он считал, что, когда свет падает на поверхность, он возбуждает тепловые колебания. Они являются разновидностью тех колебаний, которые, по его мнению, приводят к преломлению и дифракции света.

Таким образом возникла концепция «светоносного эфира» оказавшаяся необычайно стойкой. Действительно, когда позднее выяснилось, что свет — это волна, эфир оказался как раз подходящей средой, чтобы в ней эта волна распространилась. (Мы теперь полагаем, что свет — это не волна и не частица, а нечто, что содержит в себе элементы и того и другого. Но я забегаю вперед.)

Что же, однако, представлял собой этот эфир? Ньютон на эту тему высказался с максимальной откровенностью: «Я не знаю, чем является Эфир». Он рассуждал таким образом: если эфир также состоит из частиц, то они должны быть намного меньше и легче, чем частицы воздуха и даже частицы света — по существу, по той причине, вполне в духе Плоского Мира, что они должны обладать способностью убраться у света с дороги. «Чрезвычайная малость этих Частиц, — говорит Ньютон об эфире, — может давать вклад в значительную величину той силы, из-за которой данные Частицы могут избегать столкновений друг с другом и за счет этого образовать Среду, намного превосходящую Воздух по разреженности и упругости, а вследствие того оказывающую намного меньшее сопротивление движению Частиц, а также неизмеримо большую способность оказывать давление на крупные тела при своем расширении».

Еще до того, в «Трактате о Свете», написанном в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс предложил другую теорию: свет — это волна. Эта теория четко объясняла отражение, преломление и дифракцию, ведь те же явления можно наблюдать, например, с волнами на воде. Эфир играл для света ту же роль, что вода — для волн в океане, т.е. роль того, что остается, когда волна прошла. Но Ньютон счел нужным на это возразить. Спор принял крайне запутанный характер, поскольку оба ученых мужа делали неверные допущения о природе обсуждавшихся волн.

Все изменилось, когда в дело вмешался Максвелл. И он стоял на плечах еще одного гиганта.

Электрические нагреватели, освещение, радио, телевидение, кухонные комбайны, микроволновые печи, холодильники, пылесосы и бесконечное количество промышленных машин и механизмов — все это возникло благодаря открытиям одного человека — Майкла Фарадея. Фарадей родился в 1791 году в Ньюингтон Батс в предместье Лондона (ныне — Слон и Замок). Он был сыном кузнеца и достиг высокого положения в науке в викторианскую эпоху. Отец его был сандеманианцем — членом небольшой протестантской секты.

В 1805 году Фарадей стал помощником переплетчика и принялся проводить научные опыты, в особенности по химии. Его интерес к науке заметно возрос, когда в 1810 году он вступил в городское Философское общество, представлявшее собой группу молодых людей, собиравшихся с целью поговорить о науке. В 1812 году ему достали приглашение на заключительные лекции, которые читал в Королевском Институте самый крупный британский химик сэр Гэмфри Дэви. Вскоре после того он обратился к Дэви на предмет работы; он получил аудиенцию, но вакансии в наличии не было. Однако после того, как ассистента Дэви, помогавшего ему в химической лаборатории, уволили за затеянную им драку, место досталось Фарадею.

С 1813 по 1815 годы Фарадей ездил по Европе с Дэви и его женой. Наполеон успел выдать Дэви паспорт, в который был вписан камердинер, так что Фарадею пришлось принять эту роль. Определенное беспокойство ему доставлял тот факт, что жена Дэви Джейн воспринимала эту должность буквально и требовала, чтобы он выполнял обязанности ее слуги. В 1821 году судьба повернулась к Фарадею лицом: его повысили, и он женился на Саре Барнард, дочери видного сандеманианца. Более того, его исследования по электричеству и магнетизму начали приносить интересные результаты. Развивая более ранние исследования датского ученого Ханса Эрстеда, Фарадей открыл, что электричество, протекающее через виток проволоки вблизи магнита, создает силу[51]. На этом основана работа электрического двигателя.

Интенсивность его исследований несколько уменьшилась в силу свалившихся на него административных и преподавательских обязанностей, хотя в том была и положительная сторона: в 1826 году он организовал чтение вечерних лекций по науке, а также учредил Рождественские лекции для молодежи; и те и другие продолжаются и поныне. В наши дни Рождественские лекции передают по телевидению, которое само по себе составляет еще одно благо, в конечном счете ставшее возможным благодаря открытиям Фарадея. В 1831 году, вернувшись к своим опытам, он открыл электромагнитную индукцию. Это открытие изменило промышленный ландшафт девятнадцатого столетия, потому что привело к созданию электрических трансформаторов и генераторов. Эксперименты привели Фарадея к выводу, что электричество должно быть не флюидом, как это тогда считалось, а некоторой силой, действующей между частицами материи.

Известность в науке, как правило, сопряжена с честью занятия какой-либо административной должности, что немедленно убивает ту самую научную активность, признанием которой эта должность и явилась. Фарадей стал научным советником в Тринити Хаус, основной задачей которого было следить за безопасностью британских морских путей для судоходства. Он изобрел новую, более эффективную масляную лампу, которая давала более яркий свет.