О ПРИРОДЕ СВЕТА

16. ТЕННИСНЫЕ МЯЧИ

Снова говорит Исаак Ньютон:

«Я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ней произвести опыты над знаменитым явлением цветов. Для этой цели, затемнив мою комнату и проделав небольшую дыру в оконных ставнях для пропускания солнечного света в нужном количестве, я поместил мою призму там, где входил свет, так что он мог преломляться к противоположной стене. Сначала зрелище живых и ярких красок, получавшихся при этом, доставляло очень приятное удовольствие. Но затем, заставив себя более внимательно присмотреться к цветам, я был поражен их удлиненной формой: в соответствии с известными мне законами преломления я ожидал, что форма будет круглой» [1] (фото 9). «...таким образом была открыта истинная причина длины изображения, которая заключалась в том, что свет состоит из лучей различной преломляемости, которые независимо от различия их падения проходят к различным частям стены соответственно их степеням преломления» [2].

Ньютон, таким образом, пришел к выводу, что белый свет, считавшийся до него чистой и однородной субстанцией, на самом деле представляет смесь лучей различных цветов.

Приведенная цитата взята из первой работы Ньютона, написанной простым языком и полной нескрываемого восторга перед открытиями, которые он сделал. Но ученые старшего поколения оспаривали выводы этой работы. Традиционный взгляд на свет, выраженный, например, Гуком, состоял в следующем:

«Свет есть простое и равномерное движение, или вибрация, однородной и восприимчивой (т. е. прозрачной) субстанции, мгновенно распространяющееся в виде сферической волны на любое воображаемое расстояние от светящегося тела...» [3].

Далее Гук обращается к Ньютону:

«Я думаю, для мистера Ньютона не составит большого труда дать объяснение всех явлений — не только цветовую картину, даваемую призмой, и цвета жидких и твердых тел, но и окраску тонких пленок, что представляется наиболее трудной проблемой» [4].

Ньютон тем не менее настаивает на сложной природе белого света:

«...наиболее поразительна и чудесна смесь, дающая белизну. Нет ни одного сорта лучей, который в отдельности мог бы проявлять ее... Часто я с восторгом смотрел, как все цвета призмы, когда я их заставлял сходиться и снова смешиваться так же, как они были в свете, падавшем на призму, воспроизводили полный и совершенный белый свет, совсем не отличавшийся от прямого света солнца...» [5].

Далее он колеблется:

«...если только стекла, применявшиеся мною, были достаточно прозрачны; иначе стекло несколько склоняет их к своей окраске» [6].

Трудно сказать, когда люди начали размышлять над природой вездесущего света, который, по библии, был создан богом на третий день и до сих пор служит источником большей части наших знаний об окружающем мире. Постепенно изучение этого вопроса становилось все более и более глубоким.

Каким образом нам удается видеть? Общепринятое теперь мнение, что зрение обязано чему-то внешнему, входящему в глаз и возбуждающему зрительные образы, подразумевает, что свет — объективная реальность, не зависящая от наших чувств и мышления. Как говорил когда-то Диоген, ссылаясь на Демокрита: «мы видим благодаря попаданию образов в наши глаза» [7]. (При таком объяснении зрения возникает, однако, вопрос: почему мы можем быть уверенными в правильности нашего истолкования увиденного?)

Мир состоит из объектов, по-разному реагирующих на свет: одни из них непрозрачные, другие — прозрачные, а третьи — полупрозрачные. Некоторые предметы светятся, сами являясь источниками света. Другие же поглощают свет и кажутся черными. Солнце — излучающее тело, а Луна — отражающее. Чем бы ни был свет, он должен распространяться очень быстро. Когда мы зажигаем спичку, комната освещается мгновенно; исчезает освещение столь же быстро. Далее, свет распространяется прямолинейно. Мы не можем видеть из-за угла. При определенных условиях предмет с резкой границей имеет четкую тень. Пучок света, правильно сформированный, распространяется по прямой линии (фото 10).

Два пучка света, проходя один сквозь другой, очевидно, не взаимодействуют между собой (фото 11). Об этом свидетельствует наш жизненный опыт. Отражение в зеркале человека, находящегося в комнате, не искажается, если сбоку входит другой человек.

Всегда ли свет распространяется прямолинейно? Евклид сомневался, принять ли ему точку зрения Платона и определять прямую линию как линию, вдоль которой распространяется свет. Ему было известно, что на границе двух сред, например воды и воздуха, свет преломляется (фиг. 198).

Даже в одной среде свет не всегда распространяется по прямой линии. В жаркий день шоссе на горизонте кажется мокрым, так как путь света, идущего сначала через горячий воздух вблизи земли, а затем повыше через более холодный, искривляется, и мы воспринимаем увиденное как отражение от мокрой дороги. Мы настолько привыкли к мысли, что свет распространяется прямолинейно, что предпочитаем считать шоссе мокрым или весло изогнутым, нежели согласиться, что путь света может быть искривленным.

Фиг. 198.

Свет проходит через некоторые вещества, например стекло, но не проходит через другие, скажем металлы. Он распространяется в воздухе и проходит через межпланетное пространство. Мы видим звезды и удаленные галактики спустя время, огромное по сравнению с человеческой жизнью; тем не менее свет, испущенный этими объектами и прошедший космические расстояния, доходит до нас без видимого изменения. Когда он попадает в наш глаз, мы регистрируем давно прошедшие события, т. е. наблюдаем явления (рождение сверхновых звезд или галактик), которые происходили, вероятно, еще до того, как возникла наша планета.

Носитель дошедшей до нас информации, чем бы он ни являлся, сам по себе невидим. Мы видим источник света, как и предмет, который он освещает. Но сам пучок света мы не видим (фото 12). Если же в пространстве между источником света и предметом есть частицы, способные отражать свет (тем самым они становятся неизлучающими источниками), мы в состоянии «увидеть» пучок света, как показано на фото 13.

Этот носитель информации движется чрезвычайно быстро. Распространяется ли свет мгновенно от одного тела к другому «на любое воображаемое расстояние»? Галилей пытался измерить скорость света с помощью фонарей, помещенных на вершинах двух гор, однако безуспешно, так как свет проходил расстояние между вершинами за ничтожный промежуток времени. Впервые величину скорости света определил в 1676 г. Рёмер. Он обнаружил, что затмение спутников Юпитера происходит на 11 минут раньше расчетного времени, когда Земля находится в ближайшей к Юпитеру точке, и на 11 минут позже, когда расстояние между планетами наибольшее. Он связал странное поведение времени затмения с положением Земли на орбите относительно Юпитера. Ясно, что периоды обращения спутников Юпитера не могут зависеть от положения Земли на своей орбите. Рёмер предположил, что наблюдаемое явление обусловлено тем, что свет распространяется от Юпитера до немного наблюдателя за конечное время, которое, естественно, возрастает с увеличением расстояния между планетами. С помощью этого предположения ему удалось оценить величину скорости света.

Сейчас мы знаем, что свет распространяется в вакууме с конечной, но огромной скоростью, величина которой, равная приблизительно 3-1010 см/с, настолько превосходит все известные из житейской практики скорости, что нам остается лишь недоуменно пожимать плечами. Однако в недалеком будущем конечность скорости света может стать осязаемой и в обыденной жизни, когда телефонные переговоры будут осуществляться с помощью спутников связи, находящихся на расстоянии 40 000 км от Земли. Свет, испускаемый передатчиком, расположенным на Земле, проходит расстояние от передатчика до спутника и обратно к приемнику, т. е. 80 000 км, приблизительно за 74 с, так что между моментом, когда один начинает говорить, и моментом, когда второй его слышит, возникает заметная задержка. Если же второй начнет говорить одновременно с первым, то могут возникнуть нелепые ситуации, которые имитировались на Всемирных выставках; в будущем, вероятно, потребуются новые правила поведения при международных разговорах.