Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

Во время обсуждения мемуара Френеля, Пуассон высказал мнение, что из волновой теории, развитой Френелем, следуют выводы, противоречащие здравому смыслу. Так в центре геометрической тени непрозрачного диска должно наблюдаться светлое пятно. А в центре пучка света, проходящего сквозь круглое отверстие, на определенном расстоянии от него должно возникать темное пятно. Пуассон считал, что полученные им выводы свидетельствуют об ошибочности уравнений волновой теории Френеля.

Комиссия предложила Френелю подтвердить или опровергнуть опытом выводы Пуассона.

Френель при помощи Араго поставил опыты, подтвердившие предсказания Пуассона и показавшие, что «здравый смысл» не является аргументом в физической дискуссии.

Затем Френель приступил к исследованию поляризации света. Она в то время толковалась на основе корпускулярной теории и приводила, вопреки стремлению Ньютона, к все усложняющейся системе гипотез.

Френель до предела упростил экспериментальную установку и начал вместе с Араго изучать интерференцию поляризованных пучков света. Результаты были не совместимы ни с корпускулярной теорией, ни с теорией, рассматривающей свет как волны изменения плотности эфира, аналогичные звуку.

Опыты бесспорно показывали, что два луча, поляризованные в параллельных плоскостях, способны интерферировать, то есть усиливать или гасить друг друга. Напротив, два луча, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, не способны погасить друг друга. Ничего подобного не наблюдается для звуковых волн, распространяющихся в воздухе. Френель и Араго наблюдали и другие явления, возникающие в поляризованном свете, для которых невозможно провести аналогичного опыта с акустическими волнами.

Но главным преткновением на пути к пониманию свойств поляризованного света была различная способность к интерференции лучей, поляризованных в параллельных и перпендикулярных плоскостях.

ВДОЛЬ ИЛИ ПОПЕРЕК?

Еще в 1815 году Ампер высказал Френелю идею о том, что световые колебания эфира совершаются не вдоль направления распространения луча, как это происходит в звуковых волнах, а поперек. Френель не согласился с этой идеей потому, что в то время уже было твердо установлено, что поперечные звуковые волны могут распространяться только в твердых телах. А эфир не мог быть твердым!

Интересно, что, узнав о результатах опытов Френеля и Араго, Юнг независимо пришел к мысли о поперечных колебаниях в лучах света. Но эта мысль казалась ему столь фантастической, что он предпочитал говорить о «воображаемом поперечном движении».

Только в 1821 году Френель окончательно убедился в том, что веря в продольные колебания эфира, невозможно понять всю совокупность явлений, наблюдаемых в поляризованном свете.

Френель был вынужден рассмотреть гипотезу поперечности волн света. Она казалась ему крайне сомнительной. Он пишет: «… эта гипотеза находилась в таком противоречии с общепринятыми представлениями о природе колебаний упругих жидкостей, что я долго не решался ее принять. И даже когда совокупность всех фактов и долгое размышление убедили меня, что эта гипотеза необходима для объяснения оптических явлений, я пытался раньше, чем представить ее на суд физиков, убедиться в том, что она не противоречит основам механики».

Френель решительно принимает гипотезу поперечных колебаний. Он пишет о колебаниях, происходящих в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения световых лучей и совпадающих с фронтами световых волн.

Основываясь на этой гипотезе Френель объяснил все изобилие явлений, наблюдаемых в поляризованном свете, и показал, что она не противоречит ни одному из известных свойств света.

При этом Френелю пришлось смириться с необычайным сочетанием свойств эфира, который должен быть одновременно тончайшим невесомым флюидом (что признавали все физики) и наитвердейшим телом! Более твердым, чем сталь! Иначе без чего нельзя объяснить ряд известных свойств света и, прежде всего — свойств поляризованных световых волн.

Ситуация оказалась столь парадоксальной, что Араго, известный своей восприимчивостью к новым идеям и участвовавший в опытах Френеля, приведших в тупик гипотезу продольных колебаний, отказался подписать статью, написанную Френелем от имени их обоих. Араго не мог примириться с безумной мыслью о том, что эфир обладает столь несовместимыми свойствами.

Но Френель твердо стал на путь, указанный Ньютоном: нужно описывать при помощи математики как происходят явления, даже если их истинный механизм еще неизвестен.

В течении двух лет, работая в одиночку, Френель построил непротиворечивую теорию света, опирающуюся на модель поперечных колебаний эфира. Он примирился с тем, что эфир невесом, но колоссально упруг, что он заполняет всю Вселенную и проникает во все тела. Но ему пришлось пополнить первоначальную гипотезу тем, что свойства эфира, проникающего внутрь тел, зависят от природы этих тел и отличаются от свойств эфира, заполняющего пустое пространство.

Изменение упругости эфира на границе между свободным пространством и любым телом, а также на границе между различными веществами позволило Френелю объяснить отражение и преломление света на этих границах. Он сумел вычислить, какая часть света отражается от границы и какая пересекает ее, переходя из одной среды в другую. Его формулы и сейчас служат для вычисления зависимости отражения и преломления света от угла, под которым он подходит к границе, и от поляризации луча, падающего на границу. Они позволяют вычислить и то, насколько поляризация отраженного и преломленного света отличается от поляризации падающего света.

Теория Френеля объяснила зависимость скорости света в прозрачных телах от длины его волны и от свойств среды, в которой распространяются световые волны. Она объяснила и множество других оптических явлений, описание которых выходит за пределы этой книги.

Так Френель построил полную механическую теорию оптических явлений, заплатив за это признанием фантастического сочетания свойств светоносного эфира.

Но это признание сыграло и полезную роль в науке. Френель занялся изучением процессов, происходящих в упругих средах. Этим он заложил основы общей теории упругости, занявшей достойное место в физике и технике. Она стала фундаментом науки о сопротивлении материалов.

Старшие современники Френеля, признавая эффективность полученных им формул, отвергали модель поперечных колебаний эфира, основываясь на несовместимости его характеристик. К их числу принадлежали такие крупные ученые как Пуассон и Био, придерживавшиеся корпускулярной теории света, а также друг и сотрудник Френеля — Араго. Брюстер отвергал волновую теорию света, ибо считал невозможным приписать творцу «столь грубую идею, как заполнение всего пространства эфиром для того, чтобы созидать свет».

Как мы помним, Пуассон был первым, возразившим против волновой теории Френеля. Он указал, что из этой теории следует появление, при известных условиях, светлого пятна позади круглого непрозрачного экрана. Пуассон считал, что это противоречит здравому смыслу. Помним мы и то, что Френель вместе с Араго провел соответствующий опыт и продемонстрировал всем сомневающимся, что предсказание Пуассона подтвердилось. Это было первым подтверждением теории Френеля.

Позже Пуассон пришел к еще одному возражению. Он писал: если свет — действительно волны в упругом эфире, то их скорость должна зависеть только от величины упругости. При этом