Нераскрытые тайны природы

Глава 15. Что такое свет?

В древних мифах сотворение мира почти всегда связывалось с возникновением света, что нашло отражение в прекрасных стихотворениях многих великих поэтов. Задолго до появления того, что можно назвать наукой, человечество осознало, что свет служит источником жизни. Потребовалось много времени, чтобы природа света получила научное обоснование, однако до сих пор связанные с ним явления остаются не вполне понятными.

В 1666 г. Ньютон не только сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, но и провел эксперименты со светом. Во все времена люди восхищались многоцветным великолепием радуги, возникавшей обычно после грозы. В эпоху Ньютона уже были известны разнообразные призмы, светильники и люстры, создающие цветовые эффекты, подобные радуге, однако считалось, что свет сам по себе является белым, а поражающие нас цвета возникают под воздействием ряда факторов, связанных с состоянием послегрозовой атмосферы или с составом стекла, через которое проходят лучи света. Сам Ньютон о начале своих работ по оптике позднее кратко сообщает, что «в 1666 году (когда я приступил к шлифовке оптических стекол и несферических объектов) я изготовил треугольную стеклянную призму и стал изучать световые явления».

Проведенный Ньютоном эксперимент был крайне прост, но никто ранее не догадался провести его. Через небольшое отверстие в ставне Ньютон пропустил в темную комнату тонкий луч белого света, затем он поместил на пути луча свою призму. На стене за призмой возник спектр цветов. Затем Ньютон сделал чрезвычайно важный шаг. Он поместил на пути светового луча две доски, в каждой из которых были проделаны маленькие отверстия. Первую он расположил между отверстием в ставне и призмой (сделав луч света предельно узким), а вторую — между призмой и стеной, причем отверстие «выделяло» из спектра единственный цвет. За этим отверстием Ньютон расположил ещё одну призму и обнаружил, что пропускаемый через вторую призму свет не изменяет окраску. Он многократно повторял эксперименты с каждым из цветов спектра, пока не убедился, что свет, прошедший через вторую призму, не менял окраску. Таким образом, возникновение цветов оказалось связанным не с составом преломляющей среды, а с ее воздействием, т. е. свет сам содержит все цвета спектра и их можно наблюдать, когда призма разлагает свет на различные цвета. Это позволило объяснить причину появления радуги тем, что в грозовой атмосфере присутствуют капельки дождя, преломляющие свет подобно маленьким призмам и создающие высоко в небе разноцветную дугу.

В дальнейшем Ньютон провел другие эксперименты с линзами, в частности, он с помощью второй призмы смешал цвета спектра и получил из них белый цвет. Эти опыты он описал в книге «Optics» («Оптика»), изданной в 1704 г. Выяснив, что свет имеет сложную структуру, Ньютон смог решить и другую очень важную задачу, которая беспокоила создателей оптических приборов. Проблема заключалась в том, что четкость изображения в микроскопах и телескопах значительно ухудшалась из-за цветовых полос на краях поля зрения (микроскоп изобрел голландец Захариас Янсен в 1609 г., а телескоп построил в том же году Галилео Галилей, используя линзы, изобретенные за год до этого голландским оптиком Хансом Липперсгеем). Цветовые полосы особенно мешали при попытках увеличить изображение. В 1668 г. Ньютон спроектировал телескоп с вогнутым зеркалом, в котором полосы не возникали, поскольку зеркало отражает световые лучи, а не преломляет их подобно линзе. Кроме того, зеркала оказались значительно проще и дешевле линз в производстве, так что предложенная Ньютоном конструкция до сих пор широко применяется в больших современных телескопах.

Ньютон высказал также предположение, что свет состоит из очень маленьких частиц (названных им «корпускулами» по аналогии с уже известными кровяными тельцами), которые вылетают из источника подобно дробинкам из ствола ружья. Эта идея получила признание, хотя природа самих частиц света оставалась неясной еще в течение более двухсот лет. Тем временем другое важное открытие было сделано датским астрономом Оле Рёмером в 1676 г. С античных времен люди были уверены, что свет распространяется с бесконечно большой скоростью. Этот принцип был сформулирован еще в 350 году до н.э. Аристотелем, авторитет которого был столь велик, что никто не осмеливался опровергать даже его ошибочные теории (например, предложенная им геоцентрическая модель строения Солнечной системы была заменена гелиоцентрической системой Галилея и Коперника лишь в XVII веке). Наблюдая в мощный телескоп Парижской обсерватории затмение Ио (одного из спутников Юпитера), Рёмер заметил, что время затмения зависит от расстояния между Землей и Юпитером, т. е. обнаружил, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью. Идея быстро получила широкое признание, а вычисленное Рёмером на основе наблюдений значение скорости оказалось поразительно точным (298 050 км/с) и почти совпадает с данными, получаемыми самыми современными методами.

К началу восемнадцатого века о свете было известно следующее: он представляется белым, но слагается из многих цветов; он распространяется с конечной (хотя и весьма высокой) скоростью, превосходящей скорость звука в миллионы раз; он, по-видимому, состоит из отдельных частиц. Эти представления просуществовали в науке около 200 лет, пока в 1900 г. немецкий физик Макс Планк не опубликовал первую статью, послужившую началом квантовой физики, которая во многом противоречила классической физике Ньютона. Планк обнаружил, что нагретые тела излучают энергию только строго определенными порциями, которые он назвал квантами. До этого считалось, что излучение «возбужденных» атомов происходит непрерывным образом. Из теории же Планка следовало и было подтверждено экспериментально, что энергия излучения распадается на огромное количество крошечных «порций», или квантов, и энергия каждого из них определяется их частотой.

Работа Планка началась с попытки согласовать два разных закона излучения, которые получили еще в 1890-х годах Вильгельм Вин и лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) отдельно для высокочастотной (Вин) и низкочастотной (Рэлей) областей спектра излучения. Оба закона были получены в предположении волновой природы света, однако Планку, рассматривающему свет как поток частиц, удалось вывести общий закон излучения, справедливый во всем диапазоне частот и температур. Уравнение Планка содержало константу, которая оказалась фундаментальной. За эту работу Планк в 1918 г. был удостоен Нобелевской премии, а константа была названа постоянной Планка.

Концепция, согласно которой энергия представляла собой поток «частиц», была подхвачена и развита Альбертом Эйнштейном. В 1905 г. он опубликовал четыре работы, сыгравшие важную роль в истории физики. В последней из них он применил теорию Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что частицы света могут выбивать электроны с поверхности некоторых металлов. Порции световой энергии (сам Эйнштейн называл их световыми квантами, но позднее за ними закрепилось название фотоны) в теории Эйнштейна выглядели скорее частицами, чем волнами.

В статье 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности (в 1916 г. была развита общая теория относительности), Эйнштейн рассмотрел другую характеристику света, а именно скорость, и предположил, что она постоянна для любого наблюдателя независимо оттого, приближается он к источнику света или удаляется от него. Из этого утверждения вытекает целый ряд важных следствий, одно из которых заключается в том, что в системе координат, связанной с наблюдателем, размеры предметов сокращаются, время замедляется, а масса тел увеличивается. При обычных скоростях этот эффект практически незаметен, законы Ньютона выполняются, однако при высоких скоростях, сравнимых со скоростью света или близких к ней, изменения, например замедление течения, времени, становятся заметными. Если бы какое-то тело (скажем, космический корабль) удалось разогнать до скорости света (или большей), то время на корабле остановилось бы, его размеры сократились бы до точки, а масса стала бесконечно большой. Таким образом, теория Эйнштейна демонстрирует невозможность достичь (или превысить) скорость света.

^{Альберт Эйнштейн (одетый с неожиданным щегольством) за работой в Патентном бюро в Берне, Швейцария, в 1905 г. В этом году он опубликовал первые четыре статьи, сыгравшие очень важную роль в науке XX века и кардинально изменившие привычную ньютоновскую картину строения Вселенной. (Фотография Лотты Джакоби, любезно предоставлена архивом Лотты Джакоби, Университет Нью-Гемпшир.)}

Природа света, о которой размышлял Ньютон, теперь получила свое объяснение, однако при этом выяснилось, что наша Вселенная устроена еще более странно, чем он мог предположить. Модель Вселенной в теории относительности долгое время увлекала и одновременно сбивала с толку писателей-фантастов. Они в сюжетах многочисленных романов и рассказов с восторгом обыгрывали «загадки времени» или необычные ситуации, связанные с космическим путешественниками, которые после длительного полета в другие галактики возвращаются на Землю молодыми, в то время как все их сверстники давно умерли. С другой стороны, даже фантастам было не под силу описать все «загадки скорости», вынуждающие создавать для космических путешествий причудливые устройства типа использованных в известном сериале «Стар Трек».

Идеи Эйнштейна о природе света лишили покоя многих физиков. Ранее предполагалось, что свет подобно гравитации распространяется в мировом эфире, однако эксперименты по измерению скорости света (проведенные в 1889 г. Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли) показали, что никакого эфира не существует и, следовательно, ни свет, ни гравитация не могут распространяться таким образом. Результаты опытов по измерению скорости света оказались совершенно неожиданными для самих экспериментаторов. Майкельсон был одним из самых блестящих молодых ученых Америки (за четыре года до знаменитого эксперимента он был первым в выпуске Военно-морского училища США в Аннаполисе) и ставил своей целью вместе с известнейшим химиком Морли раз и навсегда решить проблему эфира. Для этого он спроектировал оптический интерферометр, в котором одновременно измерялось время прохождения двух пучков света, один из которых двигался вдоль, а второй — поперек предлагаемого «эфирного ветра». Поскольку считалось, что эфирные волны имеют определенное направление, экспериментаторы ожидали, что скорость света вдоль «ветра» будет больше, чем в поперечном направлении (аналогично тому, как скорость корабля при движении по течению превышает его скорость при движении поперек течения). Однако никакой разницы в скоростях обнаружить не удалось.

Исключение эфира из физической картины мира способствовало утверждению идей Планка, Эйнштейна и других основателей квантовой теории. С другой стороны, при этом многие физики потеряли интерес к волновым теориям вообще и стали считать, что природные процессы сводятся исключительно к взаимодействию частиц. Разумеется, нашлись физики, которые не собирались отказываться от волновых представлений, поскольку во многих случаях отрицать волновую природу света было почти невозможно. Например, на границах или поверхностях сред могут происходить отражение, преломление (если свет падает под углом к границе) или дифракция (размытие около края препятствия) света, что свидетельствует о его волновой природе. Свет во всех этих случаях ведет себя аналогично звуковым, морским и любым другим волнам. Таким образом, его следует считать волной в соответствии с известной американской поговоркой «Если ходит, как утка, плавает, как утка, то это и есть утка!».

С другой стороны, развитие экспериментальной техники позволило физикам за последнее столетие открывать одну элементарную частицу за другой, причем существование многих из них удалось предсказать задолго до их обнаружения, что очевидно доказывало правоту квантовой теории. Правило «утиной походки» работает и в этом случае. Впрочем, следует говорить, по крайней мере, о двух «утках», поскольку двойственность имеет место, и справочник QPB Science Encyclopedia (1998), например, определяет фотон как «элементарную частицу или сгусток энергии, в виде которых испускаются свет и другое электромагнитное излучение. Фотон обладает одновременно характеристиками и частицы, и волны».

В каких условиях фотон ведет себя как частица, а в каких — как волна? Вообще говоря, при распространении в пустом пространстве свет представляет собой обычную волну, которая «превращается» в частицу при взаимодействии с каким-либо объектом. Волновая природа света широко используется астрономами при определении «красного смещения», которое, в свою очередь, позволяет определить расстояние от Земли до звезды или галактики. С другой стороны, квантовая природа света проявляется в работе лазеров. Некоторых физиков подобная двойственность продолжает беспокоить. Некоторые из них считают свет «скорее волнами, чем частицами», а другие — «скорее частицами, чем волнами». Между тем обе точки зрения справедливы, но относятся к поведению света в разных ситуациях. Разумеется, многие ученые мечтают разрешить эту проблему раз и навсегда, что, кстати, было бы весьма полезным в педагогических целях, поскольку сейчас большинство студентов-физиков обучается в соответствии с «точкой зрения» руководителя факультета или заведующего соответствующей кафедрой. Академические веб-сайты в Интернете, естественно, по той же причине дают противоречивые определения всех понятий, связанных с природой света.

В описанной ситуации нельзя никого винить. Физик Сидней Перковиц в книге «Empire of Light» («Империя света», 1996) подробно описывает, как эксперименты со светом, осуществленные в течение XX столетия самыми выдающимися учеными, весьма убедительно демонстрировали, что свет представляет собой и волны, и частицы. Дело заключается в том, что характер эксперимента может влиять на его результаты, хотя каждый из экспериментов в отдельности отвечает самым строгим научным стандартам. Эта ситуация просто отражает основной парадокс квантовой теории, который рассматривается в следующей главе и в соответствии с которым поведение электронов и фотонов непосредственно связано с влиянием приборов.

Волна или частица? Имеет ли это какое-нибудь значение? Если свет ведет себя «непоследовательно», стоит ли спорить о терминах? Возможно, проблема возникает из-за навязчивого стремления ученых дать строгие определения всем наблюдаемым предметам и явлениям. Упомянутая выше книга Перковица посвящена природе света, но имеет любопытный подзаголовок «История открытий в науке и искусстве». Автор одинаково серьезно и глубоко обсуждает проблемы искусства и физики, что делает рассматриваемые им противоречивые дуальности более очевидными. Например, Перковиц завершает главу, посвященную спорам о корпускулярной и волновой природе света, следующим глубокомысленным афоризмом известного художника Жоржа Брака, который наряду с Пикассо был одним из основателей кубизма: «Истина существует, изобретаются лишь вымыслы». Перковиц считает, что «этот принцип должен быть основополагающим в наших попытках понять природу света. Свет есть нечто реальное, а все научные истории, которые мы придумываем, чтобы объяснить связанные с ним необычные явления, всего лишь отражают степень нашего неведения. Реальность спокойно существует и функционирует в соответствии со своими законами независимо от наших измышлений. Если сознание и материя действительно связаны, то афоризм Брака приобретает важный смысл. Может оказаться, что связанная со светом истина и наши вымыслы взаимно дополняют друг друга».

Некоторые загадки науки раздражают нас, ставя в тупик перед теми вопросами, которые, казалось бы, нетрудно понять, например, как мы учимся языку или умеют ли разговаривать дельфины?

Я умышленно объединил эти два примера, поскольку они наглядно демонстрируют нашу собственную ограниченность. Стоит ли рассуждать о языке дельфинов, если мы не можем объяснить, как сами овладеваем родным или иностранным языком? Иные проблемы важны тем, что без их понимания мы не можем чего-то достичь или избежать каких-то опасностей. Например, загадка ледниковых периодов имеет отношение к проблеме глобального потепления, и, возможно, нам следует интенсивно изучать закономерности температурного режима своей планеты.

Загадки природы света могут показаться менее драматичными по сравнению с прочими. За последние сто лет мы прошли путь от электрической лампочки до мощных лазеров. Изобретение лампочки дало людям возможность читать не только днем, но и ночью, а лазерный луч позволяет, например, легко удалять с глаз катаракты, возвращая способность видеть и читать. Мы научились не только с огромной пользой применять свет, хотя некоторые его тайны остаются неразгаданными. Мы знаем, как использовать в своих целях дуализм света, т. е. его волновую и корпускулярную природу. Признание дуальной природы света обогащает нас.

Да будет свет!

1. Perkowitz, Sidney. Empire of Light: A History of Discovery in Science and Art. New York: Holt, 1996. Эту прекрасную и очень небольшую по объему книгу можно рекомендовать в качестве дополнения не только к данной главе, но и ко всей книге в целом.

2. Feynman, Richard P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1985. Книга рассчитана на достаточно подготовленного читателя. Как и другие книги Фейнмана, она отличается блестящим стилем и своеобразным юмором.

3. Westfall, Richard S. The Life of Isaac Newton. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1993. Интересно изложенная биография одного из величайших гениев в истории человечества, написанная в несколько академическом стиле.

4*. Трофимова Т. И. Оптика и атомная физика. — М: Высшая школа, 1999. Содержит определения и интерпретацию физических понятий и законов оптики, включая интерференцию, дифракцию, поляризацию света, распространение света в веществе и др.