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

Материальный контакт может быть перенесен с одного места в другое посредством движения. Я могу стоять на одном конце комнаты и разбить бутылку, находящуюся на другом конце, бросив в нее мяч. Я вложил силу в мяч, касаясь его; затем мяч передаст силу бутылке, касаясь ее. В результате получаются два случая контакта, связанные движением.

Если бутылка неустойчиво стоит на краю стола; я могу разбить ее, просто подув на нее. В этом случае я брошу в нее не мяч, а молекулы воздуха, но принцип останется тем же.

Возможно ли, таким образом, чтобы два тела взаимодействовали без всякого физического контакта? Другими словами, могут ли два тела взаимодействовать в вакууме без того, чтобы какие-либо материальные тела этот вакуум пересекали? Такое воздействие на расстоянии очень сложно себе представить; легко понять, что это должно быть явно невозможным.

К примеру, древнегреческий философ Аристотель (384–322 до н.э.), определяя природу звука, частично отказывался признать возможность воздействия на расстоянии. Аристотель понимал, что человек может слышать из-за разницы в воздухе, так как дрожащий предмет ударял по касающейся его порции воздуха, а эта порция ударяла по следующей, и этот процесс продолжался до тех пор, пока очередная порция воздуха не попадала в ухо.

Грубо говоря, именно это и происходит при распространении звука в воздухе или иной среде. На базе такого объяснения Аристотель установил, что в вакууме звук передаваться не может. В то время у человека не было средств для создания вакуума, но двумя тысячами лет позже, когда появилась возможность получать вакуум вполне приличного качества, правота Аристотеля подтвердилась.

Пользуясь подобной аргументацией, можно сделать вывод, что любое воздействие, которое кажется удаленным, на самом деле представляет собой сложную серию прикосновений и что в вакууме никакое воздействие невозможно. До XVII века считалось, что вакуума в природе не существует, что это лишь философская абстракция, поэтому проверить это предположение не представлялось возможным.

Однако в 40-х годах XIX века стало ясно, что атмосфера не может простираться бесконечно высоко (см. ч. I). Скорее всего, она не больше чем несколько десятков миль высотой, в то время как Луна отстоит от Земли на четверть миллиона миль, а другие небесные тела находятся еще дальше. Поэтому выходило, что все воздействия небесных тел друг на друга должны происходить в долгих пространствах, заполненных вакуумом.

Одно из подобных воздействий очевидно каждому; свет от Солнца достигает нас, а мы знаем, что до Солнца 93 000 000 миль[78].

Этот свет может воздействовать на сетчатку глаза. Он может оказывать воздействие на химические реакции, происходящие в тканях растений; превращаясь в тепло, он может выпаривать воду и производить дождь, теплый воздух и ветер. Фактически источником всей энергии, используемой человеком, является в конечном итоге солнечный свет.

Солнце оказывает огромное воздействие на Землю через протяженный вакуум.

Тогда, с провозглашением Ньютоном закона всемирного тяготения в 1687 году, был добавлен второй тип воздействия, по которому считалось, что каждое имеющее массу тело обладает силой притяжения по отношению к другим телам во Вселенной, действующей сквозь бесконечный вакуум.

Когда два тела относительно близки друг к другу, как Земля и Луна или как Земля и Солнце, то сила притяжения действительно велика, и два тела втянуты в искривленную орбиту вокруг своего общего центра тяжести. Если одно тело значительно больше другого, этот общий центр тяжести находится практически там же, где и центр большего тела; тогда меньшее вращается вокруг него.

На самой Земле были известны еще два способа передачи силы сквозь вакуум. Магнит может притягивать к себе железо, а электрически заряженное тело может притягивать практически любое легкое вещество. Один магнит может или притягивать, или отталкивать другой; один электрический заряд может либо притягивать, либо отталкивать другой. Эти притяжения и отталкивания свободно проходили сквозь самый чистый вакуум, который только удавалось создать. Итак, в середине XIX века были известны четыре способа передачи силы через вакуум и соответственно четыре возможных вида воздействия на расстоянии: свет, гравитация, электричество и магнетизм. И снова представление о воздействии на расстоянии оказалось неприемлемым для физиков XIX столетия, так же как и для философов Древней Греции.

Оставались два возможных решения дилеммы, два способа избежать мысли о воздействии на расстоянии. Во-первых, предположить, что вакуум не является вакуумом в полном смысле. Очевидно, что в хорошем вакууме содержится так мало обычной материи, что ее можно проигнорировать. Но предположим, что обычная материя — не единственная форма вещества, которая может существовать.

Аристотель предположил, что веществом Вселенной, лежащей вне Земли, является нечто, что он назвал эфиром. Понятие эфира сохранялось в современной науке даже тогда, когда все остальные части Аристотелевой физики обнаружили свою несостоятельность и были отброшены. Однако он сохранялся в более усложненной версии. Он составлял структуру пространства, заполняя все, что считалось вакуумом, и, более того, проникал внутрь всей обычной материи.

Ньютон отказался объяснить, как гравитация передается от тела к телу через пустоту. «Я не делаю предположений», — строго сказал он. Однако же его последователи толковали, что гравитация прокалывает путь сквозь эфир так же, как звук прокладывает путь сквозь воздух. Гравитационное воздействие тела будет выражено как искажение той части эфира, которая с ним контактирует, это искажение будет исправляться, в процессе чего будет искажать соседний участок эфира. Перемещаясь, это искажение в конце концов достигнет другого тела и повлияет на него. Можно представить такое перемещающееся искажение как «эфирную волну».

Другой выход из дилеммы о воздействии на расстоянии заключался в том, чтобы допустить, что силы, которые заставляют почувствовать себя через вакуум, на самом деле проходят сквозь него в виде потока мельчайших частиц. Эти частицы могут быть слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но, тем не менее, они есть. К примеру, свет может состоять из мчащихся с огромной скоростью частиц, пересекающих вакуум. Проходя от Солнца к Земле, они сперва находятся в контакте с Солнцем, затем — с Землей, и получается, что никакого воздействия на расстоянии нет, как и в случае бросания мяча в бутылку.

Два столетия после Ньютона физики колебались между этими двумя точками зрения: волны или частицы. Первое требовало эфира, второе — нет. Этот том будет посвящен по большей части деталям колебания между этими точками зрения. В XVIII веке доминировало представление о частицах, в XIX — о волнах. Затем, когда наступил XX век, произошла любопытная вещь — две точки зрения растворились одна в другой и стали едины. Чтобы объяснить, как это произошло, давайте начнем с первой сущности, известной своим прохождением сквозь вакуум, — со света.