Охотники за светом

«Любая материя произошла от первичного вещества, а именно от светового потока»
Никола Тесла

Голландия середины XVII века представляла собой одну большую деревню, в которой все друг друга хорошо знали. Голландский художник Ян Вермеер, у которого свет играет особую роль в творчестве, был хорошо знаком с семейством Гюйгенсов. Антони ван Левенгук был его душеприказчиком (исполнителем завещания).

А еще это была эпоха просвещения с центром притяжения в городе Лейден. В этом слове есть корень «свет», но нет корня «свят», что символично. Мастерская Вермеера, кроме мольбертов и красок, была уставлена различными микроскопами. С их помощью Левенгук открывает целый, пока ни кем не изведанный, мир. Он впервые увидел бактерии, которых назвал «маленькими животными».

Христиан Гюйгенс имел необычное хобби – собственноручно шлифовать и полировать линзы. Эта не одна, но пламенная страсть позволила создавать не только микроскопы и телескопы, но и разработать теорию света. Исходя из его представлений, свет распространяется в виде волн «эфира». А луч света всегда перпендикулярен этим волнам.

Основы теории света заложил чуть раньше еще один голландец Виллеброрд Снел ван Ройен (Снеллиус). Нам он известен как первооткрыватель закона преломления света на границе двух прозрачных сред. Для этого оптического явления он математически связал угол падения луча света на поверхность и угол его преломления в другой по плотности среде.

Почему угол преломления отличается от угла падения, объяснил Пьер де Ферма́. Он ввел понятие наименьшего времени в оптике. Попадая в более плотную среду, луч света, неизбежно теряя скорость, сам выбирает из множества возможных путей тот, который требует наименьшего времени для его прохождения. Срабатывает всеобщий природный принцип наименьшего действия. Всегда ли человек ходит по прочерченным ландшафтным дизайнером дорожкам, особенно когда спешит? Нет, мы обязательно протопчем свою тропинку, срезая все углы. Дорог не существует, есть направление.

Еще Ферма́ знаменит одной из самых популярных теорем математики. Приведенное на марке уравнение не имеет решений в целых ненулевых числах, если n представлено натуральным числом больше двух. Теорему сумели доказать только в 1993 году. Но это было отступлением от темы.

Исаак Ньютон почти одновременно с Гюйгенсом публикует свое видение на природу света. По его мнению, свет представляет поток корпускул (частиц), идущих от источника света во все стороны. Если на их пути встречается, например, глаз, то последний ощущает эти частицы как свет. Волновая теория Гюйгенса не могла объяснить, почему свет способен давать четкие и резкие очерченные тени предметов. В свою очередь, теория Ньютона не давала ответа, почему частицы света не сталкиваются между собой, хотя их лучи могут пересекаться в пространстве. Ту же интерференцию, которую Ньютон получил в своих опытах с призматическими линзами, можно было объяснить волновой теорией. Но незыблемый авторитет Ньютона в конечном итоге взял верх – свет это частицы.

Неопределенное, двойственное положение в воззрениях на природу света закончилось в XIX веке. В 1801 году Томас Юнг открыл и объяснил интерференцию света. Разделив один поток света с помощью двух параллельных прорезей, он получил на экране полоску чередующихся светлых и темных линий потока света. Если бы свет представлял собой поток частиц, то результат был бы другим – просто две светлые линии. Этот опыт показал, что свет обладает волновыми свойствами.

В 1818 году Огюстен Жан Френель разработал теорию дифракции света. Свет может огибать препятствия за счет своих волновых свойств. Это же явление проявляется у звуковых волн, когда мы слышим шаги или разговор за углом.

Утверждение Гюйгенса о волновой природе света еще сильнее утвердилось, когда его сторонник шотландец Джеймс Максвелл неопровержимо доказал, что свет – это электромагнитные колебания. Свет прекрасно распространяется и в пустоте, никого «эфира» не требуется.

К концу XIX в. у физиков не осталось ни тени сомнения, что свет – это волновой процесс, и свой спор Ньютон Гюйгенсу проиграл. Но… Наука все время повторяет и повторяет это «но», не отдавая явного предпочтения ни одному окончательному, бесповоротному мнению. В 1888 году Александр Столетов открывает явление внешнего фотоэффекта. Действие электромагнитного излучения на вещество приводит к появлению электрического тока.

Опыты Лебедева показали, что свет обладает импульсом и оказывает давление на препятствие. Такими свойствами могут обладать только частицы электромагнитного поля. Позже их назовут фотонами, а переносчиком электромагнитного взаимодействия станет квант. Фотон движется со скоростью света и может существовать только в движении. Его нельзя остановить: либо он движется, либо его не существует. А пока он движется, можно разрушить, например, молекулы соли серебра и получить черно-белую фотографию. Или создать новые молекулы в процессе фотосинтеза растений. За создание теории фотоэффекта Альберт Эйнштейн в 1921 году получит Нобелевскую премию.

Окончательную точку в споре Гюйгенса и Ньютона поставил Артур Комптон (1927 год). Электроны, которые выбивает свет из вещества, могут проявлять волновые свойства – при рассеивании таких электронов наблюдается дифракция. Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

После начала эры квантовой физики, когда, казалось бы, с классической физикой уже все ясно, в начале 50-х годов ХХ века происходит уникальный случай. Нобелевская премия вручается ученому за развитие оптической микроскопии, основанной на волновой физике света. «Последним из Могикан» стал нидерландский физик Фриц Цернике. Эти упорные голландцы!

Почти все микроскопические живые объекты бесцветны и прозрачны. Их очень сложно увидеть. Можно использовать окрашивание, но оно часто убивает микроорганизм. Однако Цернике нашел, что свет, прошедший сквозь объект, и свет, прошедший мимо него обладает различием в фазе. Этот сдвиг по фазе позволил создать фазово-контрастный микроскоп, который применяют в микробиологии.

Всякому световому излучению присущи одновременно волновые и квантовые свойства. То, как поведет себя фотон – как волна или как частица – зависит от характера проводимого над ним исследования. Единство и борьба противоположностей. Что изображено на картинке? Ваза или чувства? Все зависит от того, на чем сфокусируется взгляд – на белом или черном.

Александр Платонов

Другие статьи автора: 

С радиацией по жизни

Коллекция без претензий

Что в имени моем тебе…

Из историии мореплавания

Все гениальное просто. Или нет?

Едут-едут по Пекину наши казаки

Созвездие кактусов

Исаак Ньютон и его яблоко

Певец русской природы

А рельсы-то, как водится, у горизонта сходятся

Мятежный «Баунти». По следам золотоносного «Оскара»

Красота и привлекательность Фибоначчи

Из истории изобретения автомобиля

Отсюдова и дотудова. Почему мы так измеряем

Первая энциклопедия математических знаний России

Вильгельм Рентген и его всепроникающие Х-лучи

Самое непростое простое солнечное вещество

От Ламарка до… Ламарка

Электричество, которое сначала открыли, а затем изобрели

Гении великого вращения

Бесконечность в бесконечно малом. Искусство самоподобия