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

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

* * *

Несмотря на авторитет Ньютона, Юнга захватила идея о том, что звук и свет все-таки являются сходными феноменами. А так как медицинская практика отнимала у него не так уж много времени и энергии и особого пристрастия не вызывала, он смог полностью отдаться научным изысканиям в этой области. Юнг регулярно посещал заседания незадолго до того образованного Королевского института, основной целью которого было распространение «полезных новшеств в механике» и «обучение применению науки с пользой для жизни». В 1801 году он был избран профессором этого престижного учреждения, и одной из главных его обязанностей была подготовка и чтение серии лекций по «естественной философии и механическим искусствам».

Упомянутые лекции демонстрируют определенные способности Юнга не только к экспериментальной науке, но и к преподавательской деятельности. Кроме того, это настоящая золотая жила для современных историков науки, так как в них кратко, но с удивительной тщательностью и точностью обобщается практически весь спектр научных знаний того времени. Трудно даже представить область знания, о которой Юнг не имел бы вполне профессионального представления. Кроме этого, он использовал свои лекции для обсуждения некоторых фундаментальных концепций. На одной из них присутствующие услышали термин «энергия», который был тогда впервые употреблен в его современном научном смысле. В то же время лекции подчас превращались в настоящее испытание для слушателей, так как лаконичный и несколько монотонный стиль изложения Юнга в сочетании с широчайшим диапазоном затрагиваемых тем превращал их в сложное и изматывающее интеллектуальное упражнение. Через два года Юнг отказался от почетного титула профессора Королевского института, и более подходящее применение для его талантов нашло в 1802 году Лондонское королевское общество, назначившее Юнга секретарем по внешним связям. Огромную пользу на этом посту Юнгу приносило владение множеством иностранных языков, и ученый занимал его до конца жизни.

За год до вступления в члены Королевского института, в 1800 году, Юнг опубликовал свою первую крупную работу, где рассматривалась аналогия между звуком и светом: «Опыты и проблемы по звуку и свету»80. Еще несколько лет ушло на разработку эксперимента, который войдет в историю под именем ученого и подтвердит упомянутую аналогию. Однако трактат 1800 года стал значительной вехой в истории науки, поскольку содержал первое объяснение явления интерференции, на котором будет основан знаменитый эксперимент Юнга. Объяснение состояло в том, что при встрече двух волн результирующее движение соединяет в себе характеристики движения каждой волны в отдельности. «Интерференция» – не вполне удачный термин для этого явления, так как он предполагает нечто незаконное, агрессивное, в общем, негативное, на самом же деле происходит просто соединение двух сущностей, которые в результате порождают новую сущность. Возможно, чувствуя это несоответствие, Юнг часто употреблял более элегантный термин – «коалесценция».

Ньютон отчасти предугадал феномен интерференции, объясняя причины приливов в заливе Бакбо (Вьетнам), на берегу которого стоит крупный портовый город Хайфон. Британские купцы XVII столетия, пытавшиеся наладить торговлю с Вьетнамом, знали, что прибрежные воды залива отличаются необычным поведением. В 1684 году один английский путешественник опубликовал в Philosophical Transactions письмо об особенностях прилива в этих местах. Раз в две недели наступал день, когда ни прилива, ни отлива не было и вода стабилизировалась на одном уровне. Затем в течение семи дней наблюдался только прилив, который медленно достигал своего пика к концу недели. В течение следующей недели имел место столь же медленный непрерывный отлив.

Это странное явление вызывало интерес у многих ученых, и Ньютон предложил объяснение происходящему в своем научном шедевре «Математические начала натуральной философии» (1688). Океанские приливные волны, по его мнению, входили в залив с двух различных направлений – из Южно-Китайского моря и с юга, со стороны Индийского океана, – двумя путями различной длины, из-за чего одной приливной волне требовалось шесть часов, чтобы достичь берега, а другой – двенадцать. В результате одна приливная волна часто компенсировала отлив на другом направлении, и это приводило к исчезновению одного прилива, а дважды в течение лунного месяца – к исчезновению как прилива, так и отлива (уровень воды тогда оставался неизменным)81. И хотя данное явление в настоящее время рассматривается как частный пример волновой интерференции, Ньютон не стал распространять обобщение на все волновые явления в принципе, считая приливы Бакбо исключительным явлением, характерным для одного конкретного места.