Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения - Джон Малоун

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!».