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

Данное Юнгом объяснение интерференции подходило и для объяснения многих других явлений, до того времени ставивших исследователей в тупик. Наиболее впечатляющим было объяснение так называемых ньютоновых колец – серии концентрических колец, появляющихся, когда к выпуклой линзе прикладывают плоскую стеклянную пластину. Юнг объяснил появление колец, описанных Ньютоном, предположив, что темные участки в них были результатом гасящей интерференции.

Хотя изложение Юнга часто бывало туманным, демонстрации ученого всегда отличались предельной ясностью, простотой и убедительностью, что было следствием его собственного превосходного понимания проблемы. В 1803 году он прочел на заседании Лондонского королевского общества доклад под названием «Эксперименты и расчеты в физической оптике», который начинался так:

«Проводя некоторые эксперименты с цветовой каймой по краям теней, я обнаружил столь простое и убедительное доказательство общего закона интерференции двух порций света… что счел нужным вкратце изложить перед Королевским обществом факты, которые мне представляются столь значимыми… Эксперименты, которые я намереваюсь здесь описать… могут быть повторены без особого труда в любом месте, где светит солнце, и без каких-либо специальных приспособлений, за исключением тех, что имеются в распоряжении любого»84.

В первом из таких экспериментов Юнг иглой проделал крошечную дырочку в листе плотной бумаги, закрывавшем окно, так, чтобы на противоположную стену падал тонкий лучик света. Когда в этот луч вводили «кусочек картона шириной примерно в одну тридцатую дюйма», то с обеих сторон тени, которую этот кусочек бросал на стену, возникала еще одна небольшая тень с окрашенными краями. Дифракция света – серия параллельных черных и белых полос – наблюдалась и на самой тени. В настоящее время этот эксперимент рассматривается как самое явное доказательство наличия интерференции.

В лекциях Юнга, опубликованных в 1807 году, особенно поражают диаграммы и демонстрации. В двадцать третьей лекции («О теории гидравлики») концепт интерференции применяется к волнам на воде. Для ее сопровождения Юнг изготовил неглубокий сосуд с двумя источниками волн. Вершины и впадины обеих групп волн создают устойчивую структуру, благодаря которой отчетливо виден сам процесс интерференции. Это устройство стало прототипом волнового бассейна, знакомого большинству студентов, изучающих физику (рис. 14).

Рис. 14. Интерференционная картина, возникающая при наложении волн от двух расположенных рядом источников колебаний (рисунок Юнга)

А в лекции номер 39 («О природе света») Юнг рассказывает о явлении интерференции в оптике. Для сопровождения этой лекции он ставил эксперимент, который не только самым ярким способом демонстрирует интерференцию света, но и служит классическим доказательством его волновой природы. Юнг описывает свой опыт так:

«Луч однородного света падает на экран, в котором проделаны два маленьких отверстия или прорези, каковые могут рассматриваться как центры расхождения, от которых свет распространяется во всех направлениях».

Два отверстия или прорези становятся, таким образом, двумя источниками волн, подобно таковым в волновом бассейне. И если в волновом бассейне мы наблюдаем структуру процесса интерференции в виде двух групп перекрывающихся окружностей с линиями, исходящими из точки между двумя источниками, то зритель упомянутого эксперимента должен был наблюдать ту же самую структуру при падении лучей света на экран. Юнг продолжает:

«В этом случае, когда два практически сформировавшихся луча оказываются на поверхности, размещенной у них на пути, их свет разделяется темными полосами на почти равные участки, которые, однако, становятся шире по мере удаления поверхности от отверстий… и, соответственно, также шире пропорционально близости отверстий друг к другу»85.

В данном случае интерференционный узор состоит из параллельных полос света, в котором яркие полосы соответствуют тем участкам, где световые волны усиливают друг друга, а темные полосы – участкам, где они гасят друг друга.

Я читал научно-популярные книжки, в которых утверждается, что этот эксперимент можно без особого труда воспроизвести в домашних условиях. Нужны, мол, только фонарик, игла, несколько кусочков картона и темная комната. Не верьте! Я потратил впустую полдня, пытаясь воспроизвести его у себя дома. Конечно, теоретически это возможно, но он требует необычайной тщательности. Очень легко вообще не увидеть никаких световых полос или в лучшем случае увидеть только тени – результат дифракции, изгибания света вокруг краев картона или вокруг неровностей в краях проделанных вами отверстий, если вы оказались чуть-чуть неаккуратны. Эксперимент действительно можно проделать при помощи бумаги, картона и бритвенного лезвия, но при этом очень важно, чтобы края отверстий были ровные. Компании, производящие учебные пособия, изготавливают для этой цели специальные пластиковые квадраты с прорезями. На самом деле правильная реализация эксперимента Юнга настолько сложна, что историк науки Наум Кипнис как-то внимательно перечитал лекции Юнга и за обезоруживающе простым квакерским стилем автора обнаружил, что даже сам великий ученый по крайней мере однажды ошибся, приняв узор дифракции за интерференционный узор86.

Тут, вероятно, нужно было бы сказать, что опыты Юнга стали важнейшей вехой в истории триумфа волновой теории света над корпускулярной, что они убедили всех имеющих глаза в ее правильности. Однако, увы, этого не произошло по целому ряду причин.

Первая из них – вновь стиль Юнга. Хотя его измерения были достаточно точны, а вычисления математически безупречны, он редко давал себе труд предлагать развернутые объяснения своих выводов, описывать измерения или представлять подробные отчеты о проведенных экспериментах. Это привело к непониманию между Юнгом и его коллегами, и ему становилось все труднее и труднее убедить их в своей правоте. Более того, отличавшийся болезненной скромностью Юнг делал все от него зависящее, чтобы не быть вовлеченным в отстаивание научного приоритета на волновую теорию света и на объяснение явления интерференции. В 1801 году он в своем самоуничижении дошел даже до того, что стал утверждать, будто Ньютон «на самом деле был первым, кто предложил ту теорию, которую я ныне стараюсь развить». Это, разумеется, тоже не способствовало адекватной оценке его вклада в науку.

Вторая причина заключалась в том, что Юнг имел несчастье стать мишенью для нападок Генри Брума, известного ученого и политика, корреспондента «Эдинбургского обозрения», в то время нового, но уже очень влиятельного издания. Брум боготворил Ньютона и поэтому метал отравленные стрелы в Юнга, осмелившегося возражать великому ученому. Ядовитые инвективы Брума обычно публиковались анонимно. Вот одна из них:

«Мы хотели бы знать, неужели научный мир, который когда-то просветил своим гением Ньютон, столь же переменчив в своих мнениях, как и мир моды, в котором правит прихоть глупой женщины или избалованного хлыща? Неужели уровень публикаций Королевского общества опустился до такой степени, что превратился в бюллетень новомодных теорий для дам, посещающих лекции Королевского института? Pro pudor! [10] Пусть же профессор продолжает развлекать свою аудиторию бесконечным разнообразием, в общем-то, безвредных пустяков, но, во имя науки, не допускайте его в почтенную сокровищницу знаний, которая содержит труды Ньютона, Бойля, Кавендиша, Маскелайна и Гершеля»87.

Обычно невозмутимый Юнг на сей раз вспылил и ответил в духе XVIII столетия – памфлетом. Однако ученые, как правило, плохо подготовлены к такого рода полемике: они хорошо умеют убеждать других ученых, а не публику. Ответ Юнга, написанный сухим, но исполненным раздражения стилем, по всем статьям уступал выпадам Брума. Полный справедливых, но скучных и даже наивных заявлений («пусть он сам проведет эксперимент, а потом, если сможет, отрицает его результат»), памфлет Юнга оказался настолько непопулярен, что из всего тиража был продан лишь один экземпляр.

Из-за неумения Юнга пропагандировать собственные идеи волновая теория света распространялась крайне медленно. Лет через пятнадцать после первых демонстраций Юнга французский ученый Огюстен Френель независимо от Юнга открыл феномен интерференции и представил свой вариант юнговского эксперимента, в котором луч света разделялся на два источника при помощи плоской призмы, в настоящее время именуемой «бипризмой Френеля». (С тех пор, как мы убедимся в этом снова в десятой главе, эксперимент Юнга проводится в двух классических вариантах: варианте самого Юнга и в варианте с бипризмой Френеля.) Энтузиазм французских ученых по поводу открытия Френеля наконец-таки заставил бо́льшую часть научного сообщества принять волновую теорию света и с громадным опозданием воздать должное Юнгу.