Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

От молодого Исаака ждали, что он станет фермером, но он ненавидел фермерство и выполнял эту работу плохо. В то же время он был прекрасным учеником в местной грамматической школе, и Генри Стокс, тамошний учитель, каким-то образом сумел убедить и Анну, и университетские власти, что Исаак должен поступить в Кембридж. Он был принят как «сабсайзер», т. е. получал финансовую помощь, и за это должен был прислуживать более обеспеченным студентам[24].

В 1665–1666 гг. бубонная чума поразила Англию. Кембриджский университет прекратил свою работу, и 22-летнего студента отослали обратно на семейную ферму в Вулсторпе. В это время Ньютон совершил важные научные открытия в математике (бесконечные ряды и математический анализ), механике (идея всеобщего притяжения) и оптике (теория цвета). Вот как он описывал это:

Все это произошло за два чумных года, 1665-й и 1666-й, поскольку в те дни я был в моей лучшей поре для изобретений и думал о математике и философии больше, чем в какое-либо другое время.

Пожалуй, ничто так не демонстрирует склонность Ньютона выходить за рамки привычного, как эксперимент, который он провел примерно в то время, чтобы выяснить соотношение между внешним миром и его внутренним восприятием с помощью зрения. Ниже я привожу описание этого эксперимента, состоящее из текста и рисунка (илл. 14):

Я брал шпильку [палочку с тупым концом] и вдавливал ее между глазом и костью, как можно ближе к боковой части глаза. Нажатие глаза концом ее (его место обозначено кривой abcdef) привело к появлению нескольких белых, темных и цветных кругов r, s, t & c. Эти круги стали более четкими, когда я продолжил тереть глаз концом шпильки, но если я держал шпильку прямо, то хотя и продолжал давить на глаз, но круги становились расплывчатыми и часто исчезали, пока я не возвращал их, двигая глазом или шпилькой.

Ньютон работал с яростной энергией до середины 1693 г., когда после 25 лет такой сосредоточенной концентрации на работе, какая редко, если вообще когда-либо, встречалась в истории, он испытал то, что мы сегодня называем психозом. Он временами мог не спать по несколько суток, воображая, что его друзья плетут против него заговоры (и обращаясь к ним с едкими письмами), и страдал от дрожи, потери памяти и спутанности сознания. Ньютон писал, что «чрезвычайно взволнован путаницей, в которой нахожусь, не могу ни спать как следует последние 12 месяцев, ни возвратить мою прежнюю логичность ума». Эти симптомы продолжались несколько месяцев, затем постепенно сошли на нет. Возможно, отравление ртутью в результате работы с алхимическими материалами сыграло свою роль в болезни Ньютона.

Илл. 14. Хладнокровное описание Ньютоном опасного эксперимента, который он провел со своим собственным глазом, чтобы лучше понять восприятие света и определить, может ли оно иметь механическую природу

В 1694 г. он уехал из Кембриджа, чтобы занять должность в Королевском монетном дворе в Лондоне. Его обеспокоенные друзья организовали это место, которое, как они считали, станет для него синекурой. Ньютон стал более «нормальным» человеком и в течение следующих 25 лет был очень хорошим государственным служащим, но дни яростной научной работы канули в прошлое.

Илл. 15. Исаак Ньютон в свою лучшую пору

Западающий в душу образ на рисунке 23 – это единственный портрет Ньютона, который, как мне кажется, передает его дух и силу. Поседел он очень рано.

Ньютон II: Цвет

Природа улыбается в цвете.

Ли Хант

Из того, что сказано, очевидно, таким образом, что белизна солнечного света составлена из всех цветов, которыми различные сорта лучей, составляющих указанный свет, окрашивают бумагу, или какое-либо иное белое тело, на которое они падают, когда благодаря их различным преломляемостям они разделяются, ибо эти цвета… неизменяемы; и когда все такие лучи с их цветами снова смешиваются, то они вновь производят тот же белый свет, как и раньше.

Исаак Ньютон[25]

Первая из этих цитат в объяснениях не нуждается – мы, люди, радуемся цвету так же, как мы радуемся, видя улыбку, без явных причин. Объяснение второй цитаты, которое и составит содержание всей этой главы, служит началом более глубокого взгляда на природу цвета и ждет очереди, чтобы занять значительное место в наших рассуждениях и озарить тот Вопрос, на который мы с вами ищем ответ.

Самые чистые и самые глубокомысленные умы – те, что любят цвет больше всего.

Джон Рёскин. Камни Венеции

Это мы и есть – так давайте займемся цветом!

Получение чистого света

Веками белый считался цветом, символизирующим чистоту. В Древнем Египте жрецы и жрицы Исиды одевались лишь в белые льняные одежды – так же, как и мумии, подготовленные к загробной жизни! Белый же – традиционный цвет для подвенечных платьев, используемых во время бракосочетания – заключения союза чистых сердцем. В символике христианства этот же цвет – атрибут Агнца, а также сонмов ангелов и Христа торжествующего (вы можете это видеть на цветной вклейке I).

Кажется, что связывать белый свет с чистотой – правильно. Белый – это цвет главного источника естественного освещения, нашего солнца, когда оно стоит высоко в небе. Белыми мы видим наиболее яркие поверхности – такие как снег, который лучше всего отражает солнечный свет.

Но научный анализ говорит нам о другом.

Когда луч солнечного света проходит сквозь стеклянную призму, появляется цветная радуга или, как мы говорим, спектр. Похожий эффект, причиной которого является прохождение солнечного света сквозь мелкие капельки воды, служит причиной возникновения естественных радуг.

До работ Ньютона бытовало мнение, что цвета в свете, выходящем из призм или дождевых капель, возникают из-за того, что белый свет теряет свое качество, проходя сквозь эти объекты. Было общепринято думать, что различные цвета – это смеси черного цвета (темноты) и белого в различных пропорциях. В зависимости от того, насколько долгий путь свет проходит сквозь призму, он портится в большей или меньшей степени и поэтому выглядит имеющим тот или иной различный цвет. Эта идея подкупает своей простотой: зачем вводить множество ингредиентов, когда достаточно иметь два (или даже один)?

Ньютон же заявил, что белый свет – в том числе и белый, приходящий к нам от солнца, – это смесь множества основополагающих ингредиентов. Согласно его идее, призма вовсе не портит белый свет. Вместо этого она разделяет солнечный свет на его собственные ингредиенты – которые в нем и так присутствовали.

Простой, но полный глубокого смысла эксперимент, который сам Ньютон выделял как experimentum crucis (критический эксперимент) для подтверждения своей идеи, делает эту схему очевидной – его изображение есть на цветной вклейке J. Цвета спектра, в которые белый свет предварительно разложен при помощи призмы, могут быть вновь собраны в белый свет с использованием второй призмы. Если собирается не весь спектр, а только его часть, то на выходе получится не белый свет, а смесь тех цветов, которые прошли через всю оптическую систему. В случае, когда источником света служит естественный свет солнца и экспериментатор отсекает синюю часть спектра, то в выходящем свете преобладает зеленый. Если позволить достигать второй призмы лишь узкому диапазону спектральных лучей, – например, как показано на цветной вклейке, только лучам красного цвета, – то на выходе получится тот же самый цвет.

Суть эксперимента в том, что с помощью второй призмы можно обратить разделение лучей и вернуться к белому свету, неотличимому по своим свойствам от того солнечного света, который был изначально. Как видно на картинке, можно поступить и иначе, скомбинировав вновь только часть спектра. Тогда мы получаем лучи промежуточных цветов, но не белого цвета. Таким образом, призма выполняет анализ входящего в нее белого света.

Этот эксперимент легко интерпретировать, предположив, что свет состоит из фотонов (правда, этот термин возник лишь века спустя, но, чтобы не запутать читателя, я буду называть атомы света фотонами).

Фотоны могут быть различных сортов – например, разных форм или, скажем, разной массы, – и за счет этого на них по-разному влияет стекло призмы. В этом случае призма, искривляя по-разному траектории различных типов таких атомов, будет разделять и, по сути, сортировать их. То есть она работает как современный торговый автомат, который самостоятельно разделяет различные виды брошенных в него монеток. Различные виды фотонов также по-разному воздействуют на наши глаза, производя ощущения различных цветов.