Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

• Название: Глаз и Солнце
• Автор: Сергей Вавилов
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2015
• ISBN: 978-5-367-03594-0, 978-5-367-03603-9

Книга «Глаз и Солнце», созданная выдающимся ученым, академиком С. И. Вавиловым (1891–1951), стала классикой научно-популярной литературы. В ней представлена история изучения света, рассказано об устройстве человеческого глаза и свойствах излучения Солнца. Дополняют книгу тексты знаменитого физика Г. Г. Слюсарева, а также суждения мыслителей прошлого – Р. Декарта, Х. Гюйгенса, И. Ньютона, Дж. Беркли, О. Ж. Френеля и И. В. Гёте.

---

В настоящее время длина этих «волн вещества» измеряется с большой точностью и оказалась равной h/mv. Здесь h – та же постоянная величина, с которой мы уже встречались в свойствах света, т – масса частицы и v – ее скорость.

Можно предполагать, что не только элементарные частицы – электроны, атомы и молекулы – соответствуют волнам; имеются основания утверждать, что любое отдельное скопление вещества, будет ли то человек, трамвай или Солнце, характеризуется подобающей его массе и скорости волной.

Во всей истории точного естествознания трудно указать другое открытие, которое было бы столь же непредвиденным и так же резко порывало бы с нашими привычными представлениями.

С механикой случилось то же, что и с оптикой. Древнее учение о свете считало пучок света снопом прямолинейно распространяющихся лучей, но явления дифракции заставили понять, что свет есть волновое движение, которое в отсутствие малых препятствий и отверстий на пути действительно ведет себя так же, как пучок лучей. За кажущейся лучевой геометрической оптикой скрывалась волновая оптика. Механика Ньютона была «лучевой механикой», но открытия нашего времени показали, что за ней скрывается более общая «волновая механика».

Не следует, впрочем, отождествлять «волны вещества» с волнами света. Мы видели, что световые волны имеют электромагнитную природу, чего нельзя сказать относительно волн вещества. Последние органически совпадают с самим веществом, с его частицами, в то время как световые волны излучаются, отдаются веществом и имеют совсем другие свойства.

Ошибочно думать также, что теория частиц сменилась более верной теорией волн. Существование частиц материи, атомов и электронов в веществе, квантов в световом потоке столь же достоверно, как и существование волн вещества и света. Были попытки представить материю как механическое сочетание частиц и волн, причем волны должны в этой схеме играть роль только рулевого или пилота, направляющего частицу туда, куда следует по законам распространения волн. На первый взгляд возможно обратное механическое предположение, что волны вызываются частицами в эфире, подобно тому как корабль оставляет волны за кормой. Эти предположения, однако, в своих выводах полностью расходились с действительностью.

Весьма распространено мнение, что в опытах одного типа (например, в опыте с кольцами Ньютона) свет полностью ведет себя как волновое движение, а в опытах другого типа (например, выцветание окрашенной ткани) свет целиком проявляет себя как поток частиц. Это, однако, ошибочно.

Если опыт Ньютона производить с чрезвычайно слабым светом, то при некоторых условиях есть возможность наблюдать статистические беспорядочные колебания яркости светлых колец, свидетельствующие о том, что энергия света и в этом типично волновом явлении сосредоточена в отдельных центрах фотона. С другой стороны, если освещать окрашенную ткань через узкие отверстия, то при выцветании обнаруживаются дифракционные явления.

Материя, т. е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы и не смесь того и другого. Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов.

Формальная математическая теория света, хотя и не вполне совершенная, в настоящее время создана, она охватывает почти весь круг известных явлений. Эта теория остается, однако, крайне отвлеченной и «непонятной» (в смысле отсутствия наглядных образов).

Теперь уместно вернуться к затруднению, с которым пришлось встретиться в начале этой главы. Читатель, вероятно, не забыл, что мы столкнулись с неясностями в самом определении предмета учения о свете. Прояснился ли этот вопрос теперь? Принципиально – да. Постепенно были установлены основные объективные свойства света, отличающие его от других видов материи. Но практическое применение различающих признаков, особенно в их совокупности, до сего времени иногда связано с трудностями.

В конце прошлого века физики довольно долго пребывали в нерешительности по поводу природы катодных лучей – вещество это или свет? Вопрос решен был экспериментальным доказательством существования отрицательного электрического заряда у катодных лучей. Световая природа лучей Рентгена также долгое время подвергалась сомнению. Только после обнаружения дифракции лучей Рентгена в 1913 году физики окончательно согласились, что перед ними световое явление. Впрочем, строго говоря, этот вывод надлежало проверить, после того как дифракцию открыли у пучков заряженных частиц электронов и протонов, а также и незаряженных – нейтронов. В конце концов, только совокупность различных явлений, ясно указывающих на электромагнитную природу лучей Рентгена, безукоризненно доказывает их световую природу.

В течение нескольких десятилетий исследователи радикально изменяли свое мнение о природе так называемых космических лучей, непрерывно приходящих на Землю со всех сторон из мировых пространств и обладающих огромной проникающей способностью. Два десятилетия назад считалось установленным, что космические лучи в основной своей части состоят из световых лучей с чрезвычайно малой длиной волны, с более короткой в среднем, чем у лучей гамма радия. Однако позднее было доказано, что космические лучи отклоняются магнитным полем Земли и, следовательно, состоят из электрически заряженных частиц. Сначала предполагалось в связи с этим, что первичные космические лучи состоят из электронов. Однако исследования последнего времени, в особенности опыты советских физиков, произведенные в верхних слоях атмосферы, с несомненностью доказали, что основная часть первичных космических лучей состоит из положительно заряженных протонов. Заметим, что космические лучи распространяются с громадной скоростью, практически совпадающей со скоростью света.

Приведенные примеры ясно показывают, насколько практически трудно в отдельных случаях с несомненностью установить световую природу того или иного явления.

Неисчерпаемость содержания реальной материи в различных ее проявлениях, вещества и света, раскрывается все больше по мере углубления научного исследования. Противопоставляя свет веществу, несмотря на многие сходные свойства у того и другого (свойства волн и частиц, квантовые закономерности), мы до сих пор считали свет и вещество, по существу, разнородными, отличающимися друг от друга примерно так же, как отличается звук скрипки от самой скрипки и радиоволны от радиопередатчика. Но около двадцати лет назад было сделано еще одно поразительное открытие в области учения о свете.

На основании своей формальной математической теории света, о которой мы только что упоминали, Дирак пришел к теоретическому выводу, что при некоторых условиях свет должен превращаться в вещество и обратно. В сильном электрическом поле атомного ядра световые кванты с длиной волны не более примерно 0,001 mµ, по Дираку, могут распадаться на две противоположно заряженные частицы – электрон и позитрон. Это весьма удивительное теоретическое предсказание все же полностью подтвердилось на опыте. Превращение света в вещество было экспериментально доказано. Более того, этот поразительный процесс был сфотографирован. Возможность такого рода фотографий основана на том, что быстрые заряженные частицы, проходя в воздухе, пересыщенном водяными парами, оставляют следы из осевших капелек воды. Противоположно заряженные частицы, электрон и позитрон, пролетают в сильном магнитном поле, вследствие чего загибаются в противоположные стороны.

Перед нашими глазами разыгрывается изумительное зрелище преобразования светового гамма-луча в пару легких частиц вещества. Происходит нечто, действительно, до известной степени напоминающее сказочное превращение мелодии в скрипку!

Для объяснения этого явления наука до сих пор не имеет ничего, кроме формальной и в этом смысле явно нас не удовлетворяющей теории Дирака. Во всяком случае с несомненностью обнаруживается глубочайшая связь света и вещества, о которой ранее не подозревали. Человек овладел природой еще с одной стороны.

Мы начали с субъективных зрительных ощущений света и яркости, а затем, шаг за шагом следуя за историей развития оптики, подошли к современному сложному состоянию объективной науки о свете. Читатель, вероятно, не удовлетворен концом повествования о судьбах развития воззрений на природу света. Загадка оказалась неразгаданной в обычном смысле слова и сделалась еще более сложной, чем казалось во время Ньютона и Ломоносова. Но такова судьба всякой области настоящего знания. Чем ближе мы подходим к истине, тем больше обнаруживается ее сложность и тем яснее ее неисчерпаемость. Непрерывная победоносная война науки за истину, никогда не завершающаяся окончательной победой, имеет, однако, свое неоспоримое оправдание. На пути понимания природы света человек получил микроскопы, телескопы, дальномеры, радио, лучи Рентгена; это исследование помогло овладению энергией атомного ядра. В поисках истины человек безгранично расширяет область своего владения природой. А не в этом ли подлинная задача науки? Мы уверены, что история исследования света, его природы и сущности далеко не закончена; несомненно, что впереди науку ждут новые открытия в этой области, что мы ближе подойдем к истине, а техника обогатится новыми средствами.