Квинтэссенция. Книга первая - Ирина Львовна Радунская

цвет не может влиять на распространение света. А это противоречит опыту, опровергает теорию Френеля и подтверждает корпускулярную теорию Ньютона.

Френель возразил, что в своей теории он не рассмотрел влияния вещества. Но если частицы вещества влияют на плотность эфира, то зависимость скорости света от цвета не только возможна, но необходима. Однако Френель не владел математикой настолько, чтобы доказать это математически.

Задачу решил один из ведущих французских математиков того времени О. Коши. Он приписал эфиру атомное строение, принимая, что размеры атомов эфира исчезающе малы по сравнению с расстоянием между ними, причем эти расстояния, в свою очередь малы по сравнению с длиной волны света. Коши получил формулу, из которой следовало, что внутри вещества, где длина волны света укорачивается, появляется зависимость показателя преломления от цвета.

Это же предсказывала корпускулярная теория Ньютона. Значит соответствующий опыт не мог стать решающим при сравнении волновой и корпускулярной теорий и для решения вопроса о существовании эфира.

Френель больше не участвовал в решении этих проблем. Вся его плодотворная и многогранная научная деятельность продолжалась менее десяти лет — от первого исследования дифракции света (1815 год) до избрания членом Парижской академии наук в 1823 году. Сильное кровотечение, перенесенное им в 1824 году, заставило его полностью отказаться от научной работы. Он умер 14 июля 1827 года. Умер ученый, выудивший истину из клубка ошибок и ложных предпосылок, и утвердившийся в истории науки как провидец и мудрец.

НЕВЕРОЯТНАЯ ХИМЕРА

В последующие годы многие физики изучали разнообразные оптические явления, а математики продолжали построение теории упругости. При этом обнаружился ряд трудностей.

Френель исходил из представления об абсолютно упругом эфире. Он считал, что упругость эфира неизменна, как в вакууме, так и внутри материальных тел. При переходе из одного вещества в другое и из вакуума в вещество скачком меняется лишь плотность эфира.

Теория упругости не допускала такого резкого перехода. Кроме того, теория упругости указывала, что в упругом эфире, наряду с поперечными (световыми) волнами, должны существовать продольные волны. Те, о которых писал Гюйгенс. Те, которые Френелю пришлось исключить из волновой теории, так как они не могли объяснить явления поляризации света. Те, которые не проявляли своего существования ни в одном опыте.

Ситуация усложнялась тем, что теория упругости была надежно подтверждена опытами, показавшими, что в упругих средах, таких, как сталь или стекло, существуют как поперечные, так и продольные волны, соответствующие изменениям плотности вещества.

Вместе с тем один из создателей теории упругости и теории течения жидкостей Г. Ламе, считая теорию Френеля верной, предполагал, что эфир является не твердой, а жидкой средой, почему-то способной к передаче поперечных волн.

Стокс тоже считал эфир жидкостью, причем идеальной жидкостью, лишенной внутреннего трения, что объясняет отсутствие его сопротивления движению планет. Стокс пытался примирить абсолютную твердость эфира с отсутствием сопротивления движению планет предположением, что эфир, наподобие сапожного вара, тверд по отношению к быстрым движениям — колебаниям световых волн. Но допускает без сопротивления медленные смещения. А движения планет очень медленны по сравнению со световыми колебаниями.

Однако никто не мог объяснить, что делает возможным распространение поперечных волн в жидком эфире. А поперечность световых волн была твердо установлена опытами с поляризованным светом.

Для того, чтобы объяснить отсутствие в эфире продольных волн, выдвигались гипотезы о том, что он абсолютно сжимаем, а тогда скорость продольных волн равна нулю. Но при этом исчезает и возможность существования поперечных волн.

Математик Грин указал на противоположную возможность — если эфир абсолютно несжимаем, то скорость продольных волн, волн сжатия и разрежения, бесконечно велика и они не воспринимаются приборами.

Основываясь на этой гипотезе, Грин в 1837 году разработал динамическую теорию эфира, не противоречащую теории упругости. Он построил модель эфира, основой которой были центры, взаимодействующие между собой с силами, быстро убывающими с расстоянием. Настолько быстро, что они совершенно исчезали на расстояниях, сравнимых с длиной волны света. При этом само собой получалась гипотеза Френеля о том, что упругость эфира одинакова во всех средах. Теория Грина соответствовала не всем данным опыта и, поэтому, не получила развития.

Немецкий физик — теоретик Ф. Нейман отказался от предположения о постоянстве упругости эфира, заменив его гипотезой о том, что постоянна во всех средах его плотность. Но и эта гипотеза не могла объяснить всю совокупность опытных фактов.

Наиболее поразительной была гипотеза ирландского физика Мак-Келлога. Он предположил, что единственная деформация, существующая в упругом эфире, это не сжатие и не сдвиг, а вращение. Но и эта гипотеза не выдержала сравнения с опытом.

Так эфир предстал перед физиками невероятной химерой — средой, объединяющей в себе несовместимые свойства: не сжимаемость и твердость, превосходя этой характеристикой лучшую сталь. Но одновременно он должен быть сильно разреженным, чтобы не препятствовать движению планет, и изменяющим скачком свою плотность при переходе из пустого пространства в вещество и из одного вещества в другое. Однако это противоречило надежным выводам теории упругости. Тут уместно заметить, что все эти бурные споры и разные мнения не базировались ни на чем конкретном — ни один из спорщиков не мог утверждать, что он обнаружил эфир хотя бы в одном опыте! Сражения шли на пустом месте, все ловили невидимку! Но для науки важно другое — шел лов! Пусть не был пойман эфир, но ловля приносила новые и важные открытия!

Так разгоревшаяся дискуссия стимулировала немецкого физика Й. Фраунгофера к углубленному исследованию дисперсии — связи показателя преломления вещества с длиной волны света, для которого производятся измерения. Во время своих исследований Фраунгофер изучил расположение множества (до 700) темных линий, видимых в спектре Солнца. Эти исследования в конце концов привели немецких ученых Г. Кирхгофа и Р. Бунзена к разработке спектрального анализа, совершившего революцию в физике и химии.

Особое место в нашем повествовании занимает ирландец У. Гамильтон. Гамильтон уточнил научный метод, созданный Ньютоном. Он различал три стадии развития науки. В первой стадии необходимо накапливать и систематизировать опытные факты и на их основе, пользуясь индукцией и анализом, получать законы (Ньютон называл их «принципами»). Во второй стадии, пользуясь дедукцией и синтезом, извлекать следствия из этих законов, предсказывая неизвестные ранее явления. Затем следует ставить новые опыты, чтобы подтвердить или отвергнуть полученные следствия.

Гамильтон решил построить такую формальную математическую теорию света, которая не нуждается ни в волновой, ни в корпускулярной модели оптических явлений и не противоречит ни одной из них. За образец при построении новой теории Гамильтон принял аналитическую механику, созданную великим французским математиком и механиком Ж. Лагранжем.

Лагранж следовал идеям Эйлера, начавшего построение механики на основе небольшого