Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Фраунгофер заметил, что набор линий в солнечном свете и свете отраженных лучей Солнца (от Луны или, скажем, от Венеры) всегда один и тот же. Однако свет звезд дает совсем другие наборы. Тусклый свет небесных тел, отличных от Солнца, он изучал, помещая призму к окуляру телескопа, — это был первый случай применения спектроскопа.

Работа Фраунгофера при его жизни была сильно недооценена, но спустя поколение немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф стал использовать спектроскоп как химический инструмент и основал науку спектроскопию.

Химикам было известно, что пары различных элементов в раскаленном виде производят свет различных цветов. Пары натрия дают сильный желтый цвет; пары калия — тусклый фиолетовый свет; ртути — болезненно зеленоватый цвет и т. д. Кирхгоф пропустил такой свет через спектроскоп и обнаружил, что различные элементы производили свет, в очень малой степени изменяющий преломление. В щели появлялось очень мало изображений, они широко распространялись, и это назвали спектром испускания. Точное положение каждой линии измерили по тщательно размеченному фону, и тогда стало видно, что каждый элемент дает линии одного и того же цвета на одном и том же месте, даже в химической комбинации с другими элементами. Более того, не нашлось двух элементов, которые давали бы линии на одном и том же месте.

Следовательно, линии спектра испускания можно использовать как «отпечатки пальцев» элементов. Так, в 1859 году Кирхгоф и его старший сотрудник, немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899), раскалив определенный минерал и изучая спектр испускания полученных паров, обнаружили линии, не похожие на производимые ни одним из известных элементов. Кирхгоф и Бунзен, следовательно, предположили наличие нового элемента, который назвали цезием (от латинского слова, означающего «голубое небо») из-за небесно-голубого цвета самых ярких из новых обнаруженных ими линий. На следующий год они сделали подобное открытие и объявили о находке рубидия (от латинского «темно-красный»). Существование обоих металлов было быстро подтверждено более древними химическими методами.

Кирхгоф наблюдал и явление, обратное спектру испускания. Раскаленные твердые тела испускают свет всех цветов, создавая непрерывный спектр. Если свет угольной дуги, например, представляя такой непрерывный спектр, пропускают через натриевый пар, температура которого ниже температуры дуги, то натриевый пар поглотит некоторое количество света. Однако он поглотит свет только определенных видов, а именно тех видов, которые испускал бы сам натриевый пар, будучи раскаленным. Так, натриевый пар, будучи раскаленным и испускающим свет, производит две близкие друг к другу желтые линии, которые создают практически весь его спектр. Когда холодный натриевый пар поглощает свет такого непрерывного спектра, обнаруживается, что спектр пересекают две темные линии как раз на месте двух ярких линий спектра испускания натрия. Темные линии представляют спектр поглощения натрия.

Часть солнечного спектра в желтом секторе

Темные линии в солнечном спектре, кажется, являются спектром поглощения. Пылающее тело Солнца достаточно сложно по химической структуре, чтобы создавать непрерывный спектр. Проходя через несколько более холодную его атмосферу, свет частично поглощается. Те части, которые поглощаются сильнее и которые на спектре будут выглядеть как темные линии, соответствуют спектру испускания элементов, которых больше всего в солнечной атмосфере. Так, в солнечном спектре есть явные линии поглощения натрия (Фраунгофер обозначил их как «линию D»), и это — убедительное свидетельство присутствия натрия в солнечной атмосфере.

Таким образом в Солнце были найдены различные элементы. Один из них, гелий, был даже обнаружен за поколение до того, как его присутствие было обнаружено на Земле. Теперь можно определить даже состав далеких звезд. Поскольку детали спектроскопических исследований небес лучше описаны в учебнике астрономии, достаточно будет в завершение просто подчеркнуть: они ясно показали, что небесные тела состоят из тех же элементов, что и Земля, хотя и не обязательно в тех же пропорциях.

А еще они показали, как опасно устанавливать пределы человеческих возможностей. Французский философ Огюст Комте, пытаясь привести пример абсолютного предела, наложенного на познания человека, сказал, что человек никогда не будет знать, из чего состоят звезды. Если бы он прожил на несколько лет больше, он бы увидел, как его абсолютный предел легко превзойден.

Открытие, что белый цвет на самом деле есть смешение множества цветов, поставило перед физиками новые серьезные вопросы. Пока свет воспринимался как нераздельный чистый феномен, геометрической оптики было достаточно. Можно было рисовать линии, представляющие лучи света, и феномены отражения и преломления можно было анализировать, не принимая в расчет природу света. Этот вопрос оставался философам.

Если же принять свет как смесь цветов, становится необходимостью искать объяснения того, каким образом свет одного цвета отличается от другого. Для этого следовало рассмотреть вопрос о природе света, как такового, — так родилась физическая оптика.

Как было указано в начале книги, есть два пути решить вопрос о воздействии на расстоянии. Один — это предположить некие частицы, стремящиеся сквозь пространство, которое рассматривается как пустое, а второй — предположить некие волны, катящиеся сквозь пространство, которое не является полностью пустым. Во второй половине XVII века для света предлагались оба типа объяснения.

Наиболее явная из двух альтернатив — теория частиц, которую поддерживал сам Ньютон. Для начала — она объясняет прямолинейное распространение света. Предположим, что светящиеся объекты суть постоянно горящие крошечные частицы, разлетающиеся во всех направлениях. Если эти частицы считать не имеющими массы, то светящееся тело не должно терять вес из-за того, что оно светится, и на свет не будет действовать сила гравитации. Не встречая препятствий, свет, если на него не действует сила притяжения, должен двигаться по прямой с постоянной скоростью, как того требует первый закон Ньютона (см. ч. I). Частицы света должны останавливаться и поглощаться непрозрачными препятствиями, а частицы, пролетевшие мимо препятствия, должны создавать резкую границу между освещенной областью и областью, находящейся в тени от препятствия.

Для Ньютона альтернатива в виде волновой теории была неприемлема. В то время ученым были знакомы только волны на воде и звуковые волны (см. ч. I), а они не обязательно движутся по прямой и не приводят к образованию резких теней. Звуковые волны обтекают препятствия, потому что, находясь за углом, мы все равно слышим звук; и на воде волны заметно обходят препятствие, например плывущее бревно или дерево. Казалось разумным предположить, что эти свойства характеризуют волны в целом.

Но и теория частиц имела узкие места. Пучки света могут пересекаться под любым углом, не воздействуя друг на друга в плане направления или цвета, что означает, что частички света, видимо, не сталкиваются и не отскакивают друг от друга, как это должны делать любые частицы. Более того, несмотря на оригинальные гипотезы, так и не нашлось удовлетворительного объяснения, почему некоторые частицы света дают ощущение красного, другие — зеленого и т. д. Конечно, частицы должны при этом чем-то отличаться друг от друга, но чем?