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

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.

Феномен интерференции не только подтвердил волновую природу света, но и стал полезным инструментом научного исследования в принципе, так как сама интерференционная картина довольно проста и легко узнаваема. Если какой-то феномен ее демонстрирует – значит, он имеет волновую природу.

Однако признание волновой природы света, по мнению многих ученых, не решило всех проблем. Особенно сложным был вопрос о среде, в которой распространяются световые колебания. Звуковые волны были колебаниями частиц воздуха точно в таком же смысле, в каком водяные волны были колебаниями частиц воды. Но в какой среде перемещались световые волны? Другими словами, световая волна – это колебания чего ? Традиционный ответ звучал так: это колебания невидимой субстанции, именуемой «эфиром» и пронизывающей собой пространство. Когда человеческий глаз видит звезду, он реагирует на волну в эфире, начавшуюся от этой звезды, прокатившуюся по эфиру через всю Вселенную и достигшую сетчатки глаза.

В конце XIX столетия Альберт Майкельсон и Эдвард Морли показали, что интерференционную картину световых лучей, движущихся в двух разных направлениях, можно использовать для измерения их скорости относительно друг друга. И то, что они не смогли обнаружить никакой разницы в упомянутых скоростях, стало одним из подтверждений того, что никакого эфира в действительности не существует и что свет для своего распространения не нуждается ни в какой среде. Данный эксперимент перевернул не столько наше представление о свете, сколько наше понимание характера и особенностей волнового движения в принципе. Эксперимент Майкельсона – Морли в скором времени стал важной составляющей обоснования теории относительности Эйнштейна.

В XIX столетии эксперимент Юнга, перенесший волновую аналогию с акустики на оптику, ознаменовал собой начало смены научной парадигмы – с корпускулярной теории света к волновой. В XX веке произойдет еще более значимое расширение эксперимента Юнга – будет проведен его третий вариант, в котором будут участвовать не волны (водяные и световые), а частицы. Это дальнейшее развитие волновой аналогии станет, вероятно, самой потрясающей и удивительной в своей простоте демонстрацией тайн квантовой механики, экспериментом, который многие ученые считают самым красивым во всей истории науки. В этой книге ему посвящена последняя глава.

Интерлюдия Наука и метафора

Красота эксперимента Юнга заключается в его удивительной ясности: ученый заставил одно явление (свет) выступать в качестве другого (волна). Этот эксперимент является классическим примером успешного использования аналогии в науке. Однако аналогия (от древнегреческого άναλογία – «соответствие») и метафора (фигура речи, в которой одно явление или объект выступает в качестве другого; от древнегреческого μεταφορά – «перенос») могут вводить в заблуждение и становиться помехой на пути научного исследования. По этой причине об аналогии трудно говорить как об однозначно положительном методе, и многие ученые относятся к ней с предельной осторожностью88.

Некоторые полагают, что аналогии и метафоры в лучшем случае отвлекают от сути, а в худшем вообще запутывают. «Когда вы размышляете о природе, – писал биолог Ричард Левонтин, – опасайтесь метафор». Физик Эрнст Мах считал полезными высказывания типа «рассматриваемый в настоящее время факт А ведет себя… подобно старому и хорошо известному факту В», но отрицал их структурирующее значение для науки. Подобно Маху, химик и историк науки Пьер Дюэм считал метафоры и аналогии важными психологическими, объясняющими и просветительскими инструментами. Однако и он полагал, что настоящая наука со временем отбрасывает любые аналогии.