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:

...

* * *

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.

В своем трактате 1800 года Юнг рассматривает интерференцию только применительно к звуковым волнам, не перенося свои выводы на свет, несмотря на то, что основная часть исследования посвящена именно свету. Главным достижением Юнга стало установление существования самого явления интерференции, осознание его фундаментальной роли в волновом движении и понимание того, что оно имеет место повсюду, где сталкиваются различные волны. Однако из описания, которое Юнг приводит в своей работе, невозможно понять ни всю степень оригинальности открытия, ни даже роль самого ученого. Юнг как будто вовсе не стремится привлечь внимание читателя к своему открытию и просто пишет о том, что при пересечении звуковых волн каждая частица той среды, через которую они проходят – например, молекулы воды или воздуха, – принимает участие в движении обеих волн. Юнг не высказывает никаких притязаний на научный приоритет в обнаружении этого явления, словно оно давно уже всем известно и всеми хорошо понимается. Он скромно, как бы между прочим, упоминает о нем, просто исправляя ошибочное мнение одного коллеги82.

В следующем году Юнг распространил объяснение явления интерференции на волны на поверхности воды и света. Позднее он писал:

...

При интерференции волн на поверхности воды гребни различных волн могут накладываться друг на друга, приводя к еще большему подъему воды, в то время как при «гасящей» интерференции, то есть при совпадении гребня одной волны и долины другой водная поверхность остается неизменной. Нечто подобное происходит и в случае со светом, если считать, что его сила связана с амплитудой колебаний в какой-то волне. В тех случаях, когда фазы колебаний накладывающихся световых волн совпадают, волны усиливают друг друга и возникают участки большей освещенности. В тех же случаях, когда гребень одной волны приходится на долину другой, они гасят друг друга и возникают темные участки.

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:

...

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:

...

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 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:

...

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.