Тяготение, кванты и ударные волны. Кризис дальнодействия. Опыт Майкельсона

1. Кризис дальнодействия

В старину, когда люди боялись небесных знамений, особый ужас вселяли большие кометы. Так как войны, голод и эпидемии следовали друг за другом почти непрерывно, всегда было что приписать любой комете. И вот оказалось, что эти «беззаконные» светила движутся в космосе не по прихоти сверхъестественных сил, а по строгим законам механики. Появление многих комет может быть заранее предвычислено (первая такая комета носит имя Галлея, современника Ньютона). Небеса, где до того обитало только потустороннее, с развитием астрономии стали наиболее благодарным объектом науки.

Не удивительно, что в небесной механике увидели образец для всех наук вообще. В представлении науки XVIII и первой половины XIX века объяснить что-либо в природе значило свести задачу к уравнениям механики. Принципы, лежащие в основе ньютоновской механики, в том числе действие на расстоянии, казались чем-то большим, чем данные прямого опыта. Никто не задумывался о том, что всякий опыт имеет свою точность и что механика Ньютона может быть ограничена поэтому своими пределами применимости.

Наступил, однако, момент, когда эти пределы обнажились в самой природе. Мучительно шел процесс осознания необходимости перехода к новым, непривычным понятиям.

Одновременно с механикой интенсивно развивалось учение о свете — оптика. Но если в механике законы Ньютона сразу внесли полную ясность во все принципиальные вопросы, в оптике с самого начала возник «проклятый» вопрос о природе света.

Ньютон предполагал, что свет распространяется в виде легчайших частиц — корпускул, Эта гипотеза объясняла прямолинейность световых лучей, отражение и преломление света, но не могла сколько-нибудь удовлетворительно объяснить интерференционных явлений, в которых световые лучи взаимно усиливаются или ослабляются в различных точках пространства. Одно из таких явлений открыл сам Ньютон: если прижать выпуклую линзу к плоской стеклянной поверхности, то в отраженном свете видна система концентрических колец вокруг точки соприкосновения. Ньютон видел в этом явлении трудность для своей теории света и должен был дополнительно предположить, что световые частицы распространяются какими-то «приступами». Такое объяснение выглядело не очень понятным. (Подробнее об этом см. часть III.)

Современник Ньютона Гюйгенс предложил волновую теорию света. Теория Гюйгенса объясняла не только преломление и отражение света, но и интерференцию: при сложении двух пучностей волн лучи взаимно усиливаются, при сложении пучности со впадиной ослабляются. В зависимости от разности фаз в различных точках происходит то или другое. Интерференцию волн легко наблюдать на поверхности воды: законы сложения всяких волн похожи друг на друга.

Несмотря на то, что теория Гюйгенса была явно более стройной, чем ньютоновская, она еще меньше устраивала физиков того времени. Дело здесь было не только в личном авторитете великого Ньютона: авторитет уже тогда не играл решающей роли в естественных науках. Главная трудность для теории Гюйгенса состояла, по мнению ученых, в том, что нельзя было придумать никакой вещественной среды, которая способна была бы передавать световые волны и никак не проявляла себя в других физических явлениях, например не оказывала никакого сопротивления движению Земли вокруг Солнца. В этом возражении сказалась характерная ограниченность научного мировоззрения, порожденная успехами механики. Прошло еще два столетия после Ньютона, а физическая наука не могла представить себе никакого движения, не связанного непосредственно с перемещением вещества.

Полагали, что раз существуют колебания, то должно колебаться нечто осязаемое. Это осязаемое, которое упрямо не осязалось, назвали эфиром, и немало остроумия было потрачено на то, чтобы связать его с физической реальностью.

В начале XIX века волновая теория света окончательно восторжествовала над своей соперницей. Во-первых, был проведен ряд замечательных интерференционных опытов, которые никак не могли быть объяснены теорией Ньютона, даже с «приступами», во-вторых, была измерена скорость света в вещественной среде (в воде) и прямо показано, что она меньше, чем в пустом пространстве. По теории Ньютона, она должна быть больше, только при этом условии объяснялось преломление корпускул света (см. часть III).

Наблюдая распространение света в кристаллах, физики установили, что световые колебания — поперечные, т. е. происходят не в направлении луча. Упругие волны такого типа могут передаваться только в твердом теле, но никак не в жидкости или газе. Поэтому пришлось допустить, что эфир —твердое тело! Но это тело никак не мешало другим реальным телам свободно перемещаться в пространстве. Трудности механической теории эфира зашли так далеко, что в одном учебнике физики эфир был определен как «существительное от глагола «колебаться». Разумеется, обращение к грамматике никого не устроило. В такой тупик завело науку механистическое мировоззрение. Но во всей истории естественных наук еще не было примеров, чтобы одного лишь правильного мировоззрения было достаточно для построения правильной теории: истина всегда конкретна и не может быть угадана из общих рассуждений. Прогресс научного мировоззрения следует за развитием самой науки.