Ньютон хорошо знал об открытии Гримальди. Позднее он и сам поставил опыты для исследования дифракции, результаты которых легче было объяснить на основании волновой теории Гюйгенса. Однако Ньютон настаивал, что дифракция — результат действия сил на частицы света, и само это явление указывает на природу света. Поскольку Ньютон был всеми признанным ученым, его корпускулярная теория света (странный гибрид частицы и волны) была признана единственно верной. Помогло и то, что Ньютон пережил Гюйгенса, умершего в 1695 году в тридцатидвухлетнем возрасте. Знаменитая эпитафия Александра Поупа (пер. А. П. Павлова): “Природы строй, ее закон/ В извечной тьме таился/ И бог сказал: ‘Явись, Ньютон!’ / И всюду свет разлился” — свидетельство того, как благоговейно относились к Ньютону при жизни. И еще долго после смерти Ньютона в 1727 году его авторитет был непререкаем и никто не смел подвергнуть сомнению его представление о природе света. Лишь на заре XIX века английский эрудит Томас Юнг бросил Ньютону вызов. Со временем его работа привела к возрождению волновой теории света.
Родившийся в 1773 году Юнг был старшим из десяти детей в семье. Он бегло читал уже в два года, а к шести годам дважды прочитал всю Библию. Юнг, врач по образованию, знал более десяти языков и внес существенный вклад в дешифровку египетских иероглифов. Получив от дяди наследство и приобретя таким образом независимость, он смог заняться научными изысканиями, удовлетворяя свое непомерное любопытство. Юнга интересовала природа света. Он решил исследовать сходство и различие между светом и звуком, а заодно прояснить “одно или два неясных места в теории Ньютона”68. Юнг был убежден, что свет представляет собой волну, и поставил эксперимент, положивший конец корпускулярной теории Ньютона.
Юнг направил монохроматический свет на экран со щелью. Пройдя через щель, свет попадал на второй экран с двумя очень узкими параллельными щелями, расположенными близко друг к другу. Как фары автомобиля, эти две щели служили новыми источниками света, или, как писал Юнг, “центрами расхождения, от которых свет благодаря дифракции расходится во всех направлениях”69. На сплошном экране, расположенном за экраном с двумя щелями, Юнг увидел светлую полосу в центре, окруженную с обеих сторон чередующимися светлыми и темными полосами.
Рис. 4. Эксперимент Юнга с двумя щелями. Справа — картина интерференции.
Юнг использовал аналогию, чтобы объяснить появление “интерференционных полос”. Бросим два камня в озеро. Места, где они падают в воду, находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Каждый камень приводит к появлению волн. Зыбь, образованная одним из камней, наталкивается на зыбь, источником которой является другой камень. Там, где встречаются впадины или гребни двух волн, они сливаются, образуя одну новую впадину или гребень. Это конструктивная интерференция. А там, где встречаются гребень и впадина, они гасят друг друга, оставляя поверхность воды невозмущенной. Это деструктивная интерференция.
В эксперименте Юнга световые волны, исходящие из двух щелей, прежде чем попасть на экран, точно так же интерферируют. Яркие полосы являются результатом конструктивной интерференции, темные — деструктивной. Юнг понял, что этот результат можно объяснить, только предположив, что свет — это волна. Корпускулы Ньютона просто привели бы к появлению на экране двух ярких изображений щелей, а между ними все осталось бы темным. Иная интерференционная картина была бы просто невозможна.
В 1801 году Юнгу, впервые выдвинувшему идею интерференции и сообщившему о результатах своих экспериментов, пришлось выдержать яростную атаку в печати. Ведь он посягнул на самого Ньютона! В свою защиту Юнг напечатал брошюру, в которой объяснил свое отношение к Ньютону: “Но, как бы я ни благоговел перед Ньютоном, это не значит, что я должен считать его непогрешимым. Без торжества, но с сожалением я вижу, что и он совершал ошибки, а его авторитет, возможно, иногда даже замедлял развитие науки”70. Юнг продал один-единственный экземпляр своей брошюры.
Человеком, вслед за Юнгом попытавшимся выйти из тени Ньютона, был французский инженер Огюстен Жан Френель. Он был на пятнадцать лет моложе Юнга и ничего не знал о нем. Френель независимо открыл не только явление интерференции, но и повторил многие другие результаты Юнга. В сравнении с экспериментами его английского коллеги изящные эксперименты Френеля отличались тщательностью, а результаты сопровождались безупречными математическими расчетами. Они были поданы так, что к 1820 году число новообращенных маститых сторонников волновой теории стало расти. Работы Френеля убеждали: волновая теория лучше корпускулярной теории Ньютона объясняет целый ряд оптических явлений. Мало того, Френель опротестовал обвинение, давно тяготевшее над волновой теорией: якобы она не дает ответа на вопрос, почему свет не может поворачивать за угол. Френель утверждал, что может. Но поскольку длина волны света в миллионы раз меньше длины волны звука, отклонение светового луча от прямой линии очень мало, и поэтому его трудно заметить. Волна изгибается только вокруг таких препятствий, размеры которых несущественно превышают длину волны. Звуковые волны очень длинны, и поэтому они могут огибать большинство барьеров.
Убедить оппонентов и скептиков сделать выбор между двумя конкурирующими теориями можно было, поставив эксперимент, для которого эти теории предсказывали разные результаты. Таким экспериментом, проведенным в 1850 году во Франции, стало измерение скорости света в средах плотнее, чем воздух. Оказалось, что в стекле или воде свет распространяется медленнее. Это полностью совпадало с предсказанием волновой теории. Корпускулярная теория Ньютона не могла объяснить, почему свет движется именно с такой скоростью. Но оставался вопрос: если свет — это волна, то каковы ее свойства? Здесь на сцене появляется Джеймс Клерк Максвелл со своей теорией электромагнетизма.
Родившемуся в 1831 году в Эдинбурге сыну шотландского дворянина было предопределено стать величайшим физиком XIX столетия. Свою первую научную работу о математических методах черчения овалов Максвелл опубликовал, когда ему было пятнадцать лет. В 1855 году Кембриджский университет присудил ему премию им. Адамса за исследование устойчивости колец Сатурна. Он показал, что эти кольца должны состоять из маленьких, раздробленных осколков вещества — метеоритов. В 1860 году Максвелл фактически завершил кинетическую теорию газов, объясняющую свойства газа постоянным движением составляющих его частиц. Но главным достижением Максвелла стала теория электромагнетизма.
В 1819 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед показал, что текущий по проволоке электрический ток отклоняет стрелку компаса. Через год француз Франсуа Араго обнаружил, что проволока с током ведет себя как магнит и может притягивать железную стружку. Вскоре его соотечественник Андре Мари Ампер выяснил, что две параллельные проволочки притягиваются друг к другу, если направление текущих по ним токов одинаково. Если же направления токов разные, то проволочки отталкиваются. Заинтригованный возможностью создать магнетизм с помощью электрического тока, великий английский экспериментатор Майкл Фарадей решил выяснить, можно ли превратить магнетизм в электричество. Вставив магнит в катушку, на которую была намотана проволока, он убедился, что если магнит двигать вверх и вниз, то по проволоке течет электрический ток. Ток исчезал, если магнит внутри катушки переставал двигаться.
В 1864 году Максвелл показал, что так же, как лед, вода и пар суть формы одного и того же вещества, электричество и магнетизм — разные проявления одного и того же явления: электромагнетизма. Ему удалось описать поведение столь разных на первый взгляд электричества и магнетизма с помощью системы четырех очень красивых математических уравнений. Увидев их, Людвиг Больцман сразу осознал величие сделанного Максвеллом открытия. В восторге он процитировал Гете: “Начертан этот знак не Бога ли рукой?” (пер. Н. Холодковского)71. Используя свои уравнения, Максвелл сделал удивительное открытие: электрические волны распространяются по эфиру со скоростью света. Этот результат нуждался в проверке. Если утверждение справедливо, то свет является одной из форм электромагнитного излучения. Но существуют ли электромагнитные волны на самом деле? Если да, распространяются ли они со скоростью света? Максвелл не дожил до экспериментального подтверждения своего открытия. В ноябре 1879 года, в возрасте сорока восьми лет он умер от рака. В тот год родился Эйнштейн. А меньше чем через десять лет, в 1887 году, предсказания Максвелла были проверены в экспериментах Генриха Герца. Объединение электричества, магнетизма и света стало величайшим достижением физики XIX века.