Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Среди тех драматургов, которые успешно эксплуатируют в своих произведениях научную терминологию, образы и идеи и при этом достигают нужного драматического эффекта, можно назвать Тома Стоппарда с его пьесами «Хэпгуд» и «Аркадия». Некоторые ученые тоже эффективно используют театр для популяризации своих научных концепций в драматической форме: к примеру, один из изобретателей противозачаточной пилюли Карл Джерасси написал пьесы «Непорочное заблуждение» и (в соавторстве с химиком Роальдом Хофманом) «Кислород».

Одна из немногих театральных пьес, посвященных научной тематике, – «Копенгаген» Майкла Фрейна, главные герои которой – ученые Вернер Гейзенберг и Нильс Бор, а также жена последнего Маргарет. В действие вовлекается и часть зрителей: они сидят на специальных местах, стилизованных под скамьи трибунала, лицом к зрительному залу. Это новшество задумано, чтобы подчеркнуть, что за каждым наблюдателем также ведется наблюдение и что ни один наблюдатель не может наблюдать самого себя – театральный эквивалент принципа неопределенности. Мне лично кажется, что это не самый лучший способ подчеркнуть оригинальность пьесы, так как отделенность театрального действия от публики – принцип столь же старый, как и сам театр.

Однако самой важной особенностью пьесы, которая и делает сочетание науки и искусства весьма органичным, является роль Маргарет. Она, словно хор в античной трагедии, как бы выражает наш взгляд на происходящие события. Но она не просто наблюдатель, заинтересованный и симпатизирующий неспециалист, требующий, чтобы для него сложную научную терминологию перевели на простой человеческий язык. Маргарет непосредственно вовлечена во все происходящее в пьесе и порой становится виновницей некоторых событий. Известно, что Нильс Бор писал с огромным трудом, многие были уверены, что он страдает дислексией, и бо́льшая часть его рукописей и писем подготовлена с помощью Маргарет. Она в каком-то смысле становится соучастником происходящего, хотя у нее нет иллюзий относительно того, что вещи, по поводу которых она задает вопросы, чрезвычайно далеки от нее.

Роль Маргарет служит нам напоминанием о том, насколько прочно наука вошла в нашу жизнь. Некоторые считают науку некоей гигантской замкнутой корпорацией, однако на самом деле наука настолько тесно связана со всем нашим миром, с нашим самовосприятием и нашим взглядом на Вселенную, что от нее практически невозможно дистанцироваться. Науку лучше сравнить не с корпорацией, а с некоей коммерческой системой, любые изменения в которой вызывают непредсказуемые последствия в человеческом обществе. Тесная и неразделимая взаимосвязь науки, человеческого общества и нашего мировосприятия предполагает, что «Копенгаген» не должен остаться исключением и что множество пьес на подобную тему могут и должны быть написаны. Это послужило бы еще одним подтверждением того, что наука может быть органично интегрирована в искусство и стать еще одним из источников прекрасного.

Рис. 13. Интерференционная картина (внизу), возникающая при прохождении луча света (вверху) через две расположенные рядом щели (рисунок Юнга)

Глава 6. Свет и волна

Прозрачная аналогия Юнга

Англичанин Томас Юнг (1773–1829) родился и вырос в строгой атмосфере квакерской семьи. И хотя к своему совершеннолетию он уже не был излишне религиозным человеком и предпочитал религии музыку, искусство, верховую езду и танцы, многое в характере Юнга определялось его квакерским воспитанием, от которого происходили и слабые, и сильные стороны его характера. Как истинный квакер, он был искренним, вежливым, благородным и прямым, приобрел независимость и глубину суждений. Эти черты, вне всякого сомнения, помогли ему открыть волновую («волнообразную», как говорили в его время) природу света и бросить вызов преобладавшей на тот момент корпускулярной теории, которой, как тогда считалось, придерживается Ньютон. Однако Юнг унаследовал также и квакерскую склонность к предельному лаконизму, из-за чего многие считали ученого человеком чрезвычайно холодным и высокомерным. Порой Юнг ставил собеседника в тупик и даже обижал собеседника, безапелляционно высказывая какое-нибудь краткое суждение и не заботясь о каких-либо объяснениях. Подобное поведение часто вредило карьере Юнга и восприятию окружающими его идей.

В то же время стремление Юнга к прямоте и краткости проявилось и в его способности придумывать демонстрации, которые отличались особой ясностью и убедительностью. Самой знаменитой из них стал эксперимент с двумя прорезями, в настоящее время часто называемый просто «экспериментом Юнга» – потрясающе простое доказательство того, что, вопреки мнению Ньютона, свет ведет себя как волна, а не как поток крошечных частиц. Эксперимент Юнга – классический пример успешного использования аналогии в науке. Самым убедительным образом продемонстрировав волновое поведение света, ученый произвел то, что можно назвать «онтологической вспышкой», – давно знакомое явление предстало в некоем новом свете, фундаментальным образом отличным от того, в котором оно воспринималось ранее77.

* * *

То, что Юнг – вундеркинд, стало понятно уже вскоре после его рождения. К двум годам он уже умел читать. К шести дважды прочел Библию от корки до корки и начал самостоятельно изучать латынь. Вскоре он овладел более чем десятком языков. Юнг был одним из первых, кто принял участие в разгадке египетских иероглифов, и он сыграл ключевую роль в расшифровке Розеттского камня78.

С 1792 по 1799 год Юнг изучал медицину, однако успеха на этой стезе так и не добился, отчасти потому, что не умел общаться с пациентами. В годы учения Юнг заинтересовался феноменом человеческого зрения и особенно строением хрусталика глаза, удивительно адаптивной и сложной линзы. В дальнейшем в ходе изучения медицины он начал проявлять интерес к звуку и человеческому голосу, задавшись вопросом, не являются ли звук и свет по сути своей схожими феноменами. К тому времени уже было известно, что звук создается волновыми колебаниями воздуха, и Юнг предположил, что свет тоже состоит из волн. Такая точка зрения противоречила преобладавшей тогда теории, что свет состоит из крошечных частиц – «корпускул» в терминологии Ньютона, которые движутся по прямым линиям от источника света.

Признаки волноподобного поведения света отмечались различными учеными еще в 1660-е годы. Главными среди них были явления дифракции света, обнаруженные итальянским ученым-иезуитом Франческо Гримальди. Он заметил, что когда свет, проходя через узкую щель, падает на стену, в обе стороны от краев центральной узкой яркой полоски идут, чередуясь и постепенно ослабевая, разноцветные полосы, что указывает на поперечное отклонение света от краев щели в область тени. Еще одной характеристикой была рефракция, или преломление светового луча на границе двух сред с разными оптическими свойствами, что, по утверждению главного ньютоновского оппонента Роберта Гука, проще было объяснить, если исходить из волновой, а не корпускулярной теории света. Датский ученый Расмус Бартолин описал странное явление двойного лучепреломления, обнаруженное им в некоторых кристаллах, найденных во время экспедиции в Исландию в 1668 году. Если на исландский шпат, как стали называть эти кристаллы, падал луч света, он разделялся на два луча, которые вели себя совершенно по-разному. Это явление поставило в тупик ученых той поры: его было крайне сложно объяснить, считая свет потоком корпускул.

Однако все эти явления настолько незначительны, что многие ученые просто не обращали на них внимания; более того, непонятно было, каким образом эти явления связаны друг с другом. Особенно убедительные аргументы против волновой теории выдвинул Ньютон. Он указал на множество фактов, которые противоречат ей, и полагал, что вскоре найдутся объяснения для незначительных аномалий дифракции и рефракции. Как писал он в своей «Оптике» в 1704 году, волны не движутся по прямой линии, но огибают объекты, встречающиеся им на пути, чего со светом не происходит:

«Волны на поверхности стоячей воды, проходя вокруг широкого препятствия, задерживающего часть волн, после этого загибаются и постоянно расширяются в покоящуюся воду за препятствием. Волны, пульсации или колебания воздуха, из каковых состоит звук, ясно загибаются, хоть и не так сильно, как водяные волны. Ибо колокол или пушку можно слышать за холмом, загораживающим вид звучащего тела, и звук распространяется так же легко по извилистым трубкам, как по прямым. Относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутри тени. Ибо при прохождении одной из планет между Землей и неподвижными звездами последние перестают быть видимыми…»79