Сегодня мы считаем, что все частицы, от массивных кварков до безмассовых фотонов, имеют двойную корпускулярно/волновую природу. Сотни лет назад люди рассматривали только частицы. Но в 1818 году волнам суждено было совершить триумфальное возвращение на основе исследований природы света.
Все мы любим наши наиболее ценные идеи по поводу устройства мира и Вселенной. Наша концепция реальности часто неразрывно связана с нашим представлением о самих себе. Но быть учёным – значит, быть готовым подвергать сомнению все эти представления при каждой их проверке. Всего лишь одного наблюдения, измерения или эксперимента, противоречащего теории, бывает достаточно для того, чтобы пересмотреть или полностью отказаться от нашего представления о реальности. Если мы можем воспроизвести эту научную проверку и убедительно показать, что она не совпадает с преобладающей теорией, мы закладываем основы научной революции. Но если кто-то не хочет подвергать теорию или предположения проверкам, он, возможно, совершает величайшую ошибку в истории физики.
"Математические начала натуральной философии" (лат. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) Исаака Ньютона, третье издание, 1726 год. Трактаты Ньютона на такие темы, как механика, гравитация и свет, стали основами большей части современной физики.
Человеческая природа требует героев: людей, на которых мы равняемся, которыми восхищаемся, на которых стремимся стать похожими. Величайшим героем физики много столетий был Исаак Ньютон. Ньютон представлял собой столп научных достижений человечества. Его теория всемирного тяготения прекрасно описывала всё, от движения комет, планет и лун, до того, как объекты падают на Землю. Его описание движения объектов, включая законы движения и влияние на них сил и ускорений, остаются верными практически в любых условиях даже сегодня. Спорить с Ньютоном было глупо.
Поэтому в начале XIX века молодой французский учёный Огюстен Жан Френель должен был понимать, что ввязывается в авантюру.
Поведение белого света, проходящего через призму, демонстрирует, как в среде свет различных энергий движется с разными скоростями, в отличие от вакуума. Ньютон первым объяснил отражение, преломление, поглощение и пропускание света, а также способность белого света расщепляться на несколько цветов.
Хотя сегодня это менее известно, чем его заслуги в механике или гравитации, но Ньютон также был одним из первых учёных, объяснивших, как работает свет. Он объяснил отражение, преломление, поглощение и пропускание света, а также то, как белый цвет состоит из разных цветов. Переходя из воздуха в воду и обратно, лучи света изгибаются, и у каждой поверхности появляется отразившийся компонент, и компонент, прошедший насквозь.
Его корпускулярная теория света была основана на частицах, а идея о том, что луч – это свет, согласовывалась с широким набором экспериментов. Хотя во времена Ньютона существовала и волновая теория света, выдвинутая Христианом Гюйгенсом, она не могла объяснить эксперименты с призмами. В результате победителем стала Ньютоновская Opticks, как и его механика с гравитацией.
Волновые свойства света начали понимать ещё лучше благодаря двухщелевым экспериментам Томаса Юнга, где ярко проявлялись конструктивная и деструктивная интерференция. Эти эксперименты для классических волн известны с 17 века; в районе 1800-го года Юнг показал, что они применимы и к свету.
Однако на заре XIX века она начала испытывать трудности. Томас Юнг провёл ныне ставший классическим эксперимент, в котором свет проходил через двойную щель: две узкие щели, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга. И свет, вместо того, чтобы вести себя, как корпускула, и проходить либо через одну щель, либо через другую, продемонстрировал интерференционную картину: последовательность светлых и тёмных полос.
Более того, картина полос определялась двумя настраиваемыми параметрами эксперимента: расстоянием между щелями и цветом света. Если красный цвет соответствовал длинноволновому свету, а синий – коротковолновому, то свет вёл себя точно так, как можно было ожидать от волны. У эксперимента Юнга был смысл, только если природа света была фундаментально волновой.
В двухщелевом эксперименте со светом появляются интерференционные картины, как и у любой волны. Свойства различных цветов света изучено благодаря различию их длин волн.
Но при этом нельзя было игнорировать успехи Ньютона. Природа света стала противоречивой темой среди учёных начала XIX века. В 1818 году Французская академия наук объявила о конкурсе на объяснение природы света. Волна ли это, или частица? Как его испытать и как подтвердить испытание?
Огюстен Жан Френель принял участие в конкурсе, несмотря на то, что по образованию был инженером-строителем, а не физиком или математиком. Он сформулировал новую теорию света, которой был несказанно рад, в основном основав её на работе Гюйгенса XVII века и недавних экспериментах Юнга. Всё было готово для совершения величайшей ошибки физики.
Освещение когерентным светом (например, от лазера) непрозрачного сферического объекта – один из наиболее чётких способов проверки волновой, а не корпускулярной, природы света.
После того, как он внёс свою работу на рассмотрение, один из судей, знаменитый физик и математик Симеон Дени Пуассон, изучил теорию Френеля весьма тщательно. Если свет был частицей, как описывал Ньютон, он бы просто перемещался по прямой в пространстве. Но если свет был волной, он бы участвовал в интерференции и дифракции при встрече с препятствием, щелью или гранью поверхности. Различные геометрические конфигурации могут давать разные рисунки, однако общая картина сохраняется.
Пуассон представлял себе свет единственного цвета: одну длину волны в теории Френеля. Представим, что такой свет имеет форму конуса и встречает сферический объект. По теории Ньютона тень должна получиться круглой, окружённой светом. По теории Френеля, как продемонстрировал Пуассон, в самом центре тени должна быть одна яркая точка. Это предсказание, как заключил Пуассон, было очевидно абсурдным.
Теоретическое предсказание того, как должен выглядеть волновой рисунок света вокруг сферического непрозрачного объекта. Яркая точка в центре была абсурдом, заставившим многих отказаться от волновой теории.
Пуассон попробовал опровергнуть теорию Френеля, показав, что она ведёт к ложным выводам: доказательство от противного. Пуассон захотел вывести предсказание из теории волнового света, у которого было бы очевидно абсурдное следствие, что доказывало бы её ложность. Если предсказание было абсурдным, то и волновая теория должна быть ложной. Ньютон был прав, Френель был неправ, дело закрыто.
Однако это и есть величайшая ошибка в истории физики! Нельзя делать выводы, неважно, насколько очевидными они кажутся, не проведя решающего эксперимента. Физика делается не на основе элегантности, красоты, простоты доказательства или споров. Она устанавливается запросами к самой природе – а значит, проведением соответствующих экспериментов.
Модель эксперимента, в котором яркое пятно обнаружил Араго. Иногда это пятно называют пятном Пуассона, но его необходимо прославить в веках, как пятно Араго, отметив его старания, приведшие к проведению реального эксперимента.
К счастью для Френеля и науки, глава судейской коллегии не впечатлился рассуждениями Пуассона. Франсуа Араго, позже ставший знаменитым в качестве политика, аболициониста и премьер-министра Франции, встав на защиту не только Френеля, но и всего процесса научных изысканий, провёл решающий эксперимент самостоятельно. Он изготовил сферическое препятствие и светил на него монохроматическим светом, проверяя предсказание волновой теории насчёт конструктивной интерференции. И прямо в центре тени можно было легко различить яркое пятно света. Хотя предсказание теории Френеля казалось абсурдным, экспериментальное свидетельство готово было его подтвердить. Абсурд, или не абсурд – природа сказала своё слово.
Результат эксперимента с использованием лазерного света, обтекающего сферический объект и реальные оптические данные.
Большой ошибкой учёного-физика может стать то, что он решит, будто ответ ему известен заранее. Ещё большей ошибкой будет предположить, что и эксперимент проводить не нужно, поскольку его интуиция подскажет, что бывает в природе, а чего не бывает. Но физика не всегда является интуитивной наукой, и по этой причине мы всегда должны обращаться к экспериментам, наблюдениям и измеримым проверкам наших теорий.
Без такого подхода мы бы никогда не опровергли взгляд на природу Аристотеля. Мы бы не открыли Специальную теорию относительности, квантовую механику или текущую теорию гравитации: Общую теорию относительности Эйнштейна. И мы бы наверняка никогда не открыли волновую природу света.
Схематическая анимация постоянного луча света, расщепляемого призмой. То, что свет – это волна, одновременно совпадает с и является более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно расщепить на разные цвета
Со времён величайшей ошибки в истории физики прошло 200 лет. И то, что эта ошибка практически ни на что не повлияла, случилось только из-за научной последовательности Франсуа Араго, не испугавшегося постоять за самый важный научный принцип. Мы обязаны отвечать на вопросы о Вселенной, подвергая её испытаниям. Ведь именно сам Ньютон в своей Opticks писал:
Моя цель для этой книги – не объяснять свойства света предположениями, но предположить и доказать их на основании разума и экспериментов.
Без экспериментов никакой науки у нас не получится. Предположение о том, что мы можем посмотреть на предсказание и объявить его абсурдным, является нашим большим недостатком, как людей. Природа может быть или не быть абсурдной; это не зависит от того, правильна ли она или нет. Чтобы всё сделать правильно, нужно провести эксперимент. Без этого вы не занимаетесь наукой.
Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net. Читайте: как возникло биоразнообразие, как рентгеновские лучи доказали существование тёмной материи, как грубая сила помогает физикам на Большом адронном коллайдере, почему Титан больше похож на Землю, чем мы думали; серию статей по космологии "Спросите Итана".
Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как). Спасибо всем, кто уже оказал поддержку!
