Самарский портал "Технологии, компьютеры"

А мы рукой на прошлое: вранье!
А мы с надеждой в будущее: свет!
Булат Окуджава

Свет – это самое наглядное (именно благодаря ему мы и глядим), и в то же время одно из самых загадочных явлений.

Хотя бы потому, что пока одни учёные исследовали свет как волну вроде звуковой, другие с не меньшим на то основанием считали его потоком частиц – что-то вроде капель дождя, только очень мелких.

Волновые свойства света проявлялись в таких вещах как интерференция и дифракция.

Взаимодействие волн проще всего наблюдать на воде: бывает, что одна волна догоняет другую и усиливает её, бывает, что волны сталкиваются и ослабляют друг друга. Интерференцией же называют некую стабильную картину. Тех, кто совсем не помнит, что такое интерференция, я могу отправить на урок физики к своему коллеге Павлу Андреевичу Викто́ру, или к любому учебнику, просто на мой взгляд, Павел Андреевич предельно наглядно объясняет сложные вещи. Для самых ленивых подсказка: интерференцию световых волн мы можем наблюдать в тонких плёнках, например, на мыльных пузырях.

Дифракция – это огибание волной препятствий, размер которых соизмерим с длиной волны. Здесь нам проще обратиться к звуку: низкие звуки (длинные волны) лучше огибают препятствия, чем высокие (короткие волны), поэтому от оркестра, не находящегося в прямой видимости, мы будем слышать только «бухи» и никаких флейт. Уважаемый Павел Андреевич и про дифракцию рассказывает увлекательно.

Поскольку здесь важна хронология, следует назвать некоторые даты, а заодно и фамилии людей, проводивших первые исследования.

Считается, что первым о волновой природе света написал Франческо Гримальди, однако написанный им «Физическо-математический трактат о свете, цветах и радуге», опубликован уже после его смерти, в 1665 г. В том же 1665 году Роберт Гук, известный всем инженерам по своему закону о силе упругости, публикует книгу «Микрография», в которой он описывает, как переливаются цвета в тонких плёнках. В 1690 году Кристиан Гюйгенс публикует «Трактат о свете: в котором объясняются причины того, что происходит при отражении и преломлении». В нём он рассматривал свет как нерегулярную серию ударных волн, распространяющихся с очень большой, но конечной скоростью в эфире (это важное понятие, которое нам ещё понадобится), подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. В 1803 году Томас Юнг ввёл в научный оборот термин интерференция, дав ему определение, практически не отличающееся от современного. Считается, что наибольший вклад в волновую теорию света внёс Жан Френель, переоткрыв, дополнив и систематизировав в 1814-1825 годах то, что сделали его предшественники.

Параллельно другие учёные открывали свойства света, говорящие о том, что свет – это поток частиц. В опубликованной в 1658 году (то есть раньше Гримальди, и тоже после смерти) работе Syntagma Philosophicum («Философский трактат»), Пьер Гассенди рассуждает о распространяющихся с огромной скоростью невесомых флюидах, но это именно рассуждения, а не данные экспериментов. Надо сказать, что и Исаак Ньютон через полвека после Гассенди тоже рассуждал о корпускулярной теории света чисто умозрительно, на уровне «а что же ещё это может быть?». Давление света, то есть бомбардировку тел, на которые падал свет, его частицами, обнаружил в ходе экспериментов только в 1899 году российский учёный Пётр Николаевич Лебедев. Возможно, столь слабый интерес к корпускулярным свойствам света обусловлен тем, что на практике они не столь интересны как волновые. Взять хотя бы световое давление, вытекающее из корпускулярной теории – мы с коллегой написали целый цикл статей об одной шарлатанской затее с этим связанной, а больше я ничего и не припомню. Разве что сизифово охлаждение атомов, связанное с эффектом Штарка… нет, этим я точно не хочу заморачивать головы читателям.

Другое дело волновые свойства. Тут и цвет, который собственно и является наглядной иллюстрацией длины волны, и видимый диапазон от красного до фиолетового, за пределами которого тоже существуют волны, но, поскольку они не воспринимаются нашими глазами, то они и не называются световыми. Хотя наша кожа вполне на них реагирует: и на тепловое инфракрасное излучение, и на ультрафиолетовое, которое вызывает загар. И дальше от видимого спектра в обе стороны тоже есть много чего интересного.

Итак, главное, что нам надо знать, так это что обе теории света, и волновая и корпускулярная мирно сосуществовали, абсолютно не мешая друг другу. А учёные постепенно смирились с этой странностью и приспособили под неё свои теории.

Но «это только присказка, сказка впереди».

Если свет – это колебания, то должна быть и среда, которая колеблется. Звук – это колебания воздуха, а свет – колебания чего? Помните, что для тепла была придумана такая штука как теплород? Вот и для света была придумана среда, в которой он колеблется, как воздух (или вода, или другие среды, просто воздух нас всегда окружает и привычнее) для звука. И, как было упомянуто ранее, назвали эту среду эфиром.

Здесь необходимо сделать отступление, и рассказать об уникальном учёном, который, не сделав никаких открытий, получил Нобелевскую премию по физике.

И так же как скорость звука (скорость распространения звуковых волн) начали измерять скорость света. Альберт Майкельсон занимался этим всю жизнь, совершенствуя методы измерения и уточняя результат. Помните, в фильме «Москва слезам не верит» был такой Георгий Иванович - он же Гога, он же Гоша, он же Юрий, он же Гора, он же Жора? И как на пикнике один из учёных по имени Дима, которого играл Геннадий Ялович, произнёс тост за золотые Гошины руки? Так вот, как инженер исследователь, я могу сказать, что это чистой воды коммунистическая пропаганда про класс гегемон, не имеющая ничего общего с реальностью. Ибо в реальности все эти измерительные и прочие системы придумывает тот же, кто планирует эксперимент – невозможно спланировать эксперимент, не придумав, чем ты будешь измерять его результаты. И ртутный барометр Торричелли, и пузырьковая камера Вильсона, и многое другое – это плоды труда людей творческих, обладающих интеллектом и знаниями. Другое дело, что неправильно квалифицированному инженеру или учёному тратить время на то, что может сделать простой слесарь.

Но я отвлёкся. Так вот, великий американский физик Альберт Майкельсон родился в 1852 году в городе Стрельно (Strzelnie) на территории современной Польши, а тогда в Пруссии. В 1855 году его семья эмигрировала в США. В 1869 году Майкельсон поступил в Военно-морскую академию США в Аннаполисе и в 1873 году окончил её. После двух лет продолжения обучения в Европе он уходит с военной службы, в 1883 году становится профессором физики, и практически всю свою жизнь посвящает измерению скорости света. Звучит странно, не так ли? Понятно, что скорость света очень велика и измерить её сложно, но казалось бы – измерил, порадуйся, и займись чем-то другим, есть ещё множество научных направлений. Но нет, он делает свои приборы всё совершеннее и совершеннее, а измерения всё точнее и точнее… Скорее всего, он так и умер бы чудаком, известным только узкому кругу коллег, если бы им с коллегой Эдвардом Морли не пришла в голову идея измерить скорость эфирного ветра.

Не забыли, что согласно теории того времени световые волны распространяются в эфире, то есть световые волны и есть колебания эфира, так же как звуковые – колебания воздуха? И тогда, значит, Земля летит сквозь этот эфир, и эфир её обдувает – всё логично. А теперь нам надо вспомнить задачку из школьного учебника, где лодка сначала плывёт туда и обратно в стоячей воде, а потом на этой же скорости вдоль реки – по и против течения. Не хочу грузить даже такой малостью как точное решение этой задачи, только хочу напомнить, что чем больше скорость течения реки, тем больше будет отличаться время поездки туда и обратно по реке от времени поездки в стоячей воде. И в пределе, когда скорость течения реки будет равна скорости движения лодки, это время станет бесконечным, ибо лодка против течения вообще не сдвинется с места.

Вот на этой простой идее и был основан опыт Майкельсона-Морли. Они пустили лучи света на одинаковые расстояния вдоль и поперёк предполагаемого направления эфирного ветра и попытались измерить разницу в прохождении маршрута. Разницы не было. Они несколько месяцев крутили свою установку во всех направлениях. Разницы не было. Возможно, если бы не авторитет Майкельсона как экспериментатора и главного измерителя скорости света, на их опыт и не обратили бы внимания, настолько он противоречил всему, до чего дошла наука. Но игнорировать репутацию такого человека было невозможно, к тому же он, как настоящий учёный, демонстрировал свою установку и приглашал коллег к участию и обсуждению методики измерения.

И тогда разразилось то, что назовут кризисом классической физики. Ведь получалось, что световые колебания, во-первых, не имеют среды, которая колеблется (то есть колеблется ничто или колебания происходят ни в чём), а во-вторых, скорость распространения этих колебаний относительно наблюдателя не зависит от скорости наблюдателя. Поясню. Скорость света равна 300 000 км/с, но если наблюдатель будет двигаться от источника света со скоростью 100 000 км/с или 200 000 км/с, свет относительно него всё равно будет двигаться со скоростью 300 000 км/с. Это примерно так, как если бы наблюдатель двигался вдоль берега реки, и вне зависимости от того в каком направлении и насколько быстро бы он двигался, река бы текла относительно наблюдателя всегда с одинаковой скоростью.

При этом эффект Доплера никаким сомнениям не подвергался: видимая наблюдателем частота излучения изменялась в зависимости от скорости наблюдателя: если наблюдатель двигался от источника света, его цвет смещался в красную область спектра, на источник – в фиолетовую.

Собственно, настоящие учёные, увидев полученные Майкельсоном и Морли экспериментальные данные так и сказали. Что, как бы нас не удивляли эти данные, придётся их принять и уже на них строить свои теории. Но не таковы были профаны с амбициями, считающие себя умнее всех. Конечно, если бы нас в вузе не заставляли это учить и считать это вершиной научного познания мира, я бы об этом никогда не знал. Но я родился при Сталине, учился в институте при Брежневе, и избежать изучения марксизма-ленинизма никак не мог.

Итак, читаем в главной работе В. И. Ленина по философии: вне нас, независимо от нас и от нашего сознания существует движение материи, скажем, волны эфира. И что самое интересное, всю эту ахинею мы изучали параллельно с теорией относительности, открытой Эйнштейном несколько раньше.

Итак, резюмирую: свет является одновременно волной и потоком частиц, причём волна распространяется ни в чём, и скорость распространения световой волны относительно наблюдателя постоянна и не зависит от скорости перемещения наблюдателя относительно источника света. Такой вот набор парадоксов.