Глаз и солнце. (О свете, Солнце и зрении)

Вавилов Сергей Иванович

Волновая теория торжествовала, казалось, окончательную победу. В оптике все было «приведено в порядок». Но торжество оказалось очень кратковременным. Не прошло и пяти лет со времени открытия радио, как выяснились квантовые законы действий света, непостижимые с волновой точки зрения. Как может энергия поглощаться целыми порциями, если она подводится непрерывными волнами? С тех пор прошли десятилетия, а недоумение осталось прежним; волновая теория не может ответить на этот вопрос и теперь.

Волновая теория беспомощна перед квантовыми законами действия света. Это неудобное положение таково, что снова приходится вспомнить Ломоносова, который по адресу теории истечения сказал: «Неудобность часто живет в соседстве с невозможностью».

С другой стороны, именно «невозможная» теория истечения снова получила

шансы на признание. Для нее нет эфирных затруднений: световые корпускулы летят в пустоте, для них не нужен эфир. Квантовые законы также вполне согласуются с воззрением Ньютона. Молекулы поглощают свет целыми квантами, потому что к ним подлетает либо целая корпускула, либо ничего; поэтому при химических превращениях под действием света разлагаются не сразу все молекулы, а только те, на которые попал квант – корпускула.

Уменьшая яркость волн, мы уменьшаем их размах, напряженность, а ослабляя поток корпускул, мы оставляем действие каждой корпускулы прежним, уменьшая только число корпускул. Квантовые законы действий света в теории истечения значат только то, что свет распространяется целыми квантами – корпускулами.

Но в то же время воскресшая теория истечения по-прежнему не может объяснить интерференции, дифракции и других свойств света, где автоматически все затруднения разрешает теория волн.

Положение, создавшееся в оптике, было совершенно нетерпимым, и физик имел все основания повторять горестную фразу Ломоносова, приведенную в начале этой главы и сказанную именно по поводу теории света. Два совершенно различных воззрения на природу света властвовали каждое в своей области и оставались бессильными в соседней.

Проблеск разрешения трудности появился с неожиданной стороны. Вспомним, как мы пришли к выводу о возможности только двух представлений о свете. Мы основывались на привычных повседневных наблюдениях, показывающих, что механическая передача энергии происходит только двумя способами: посредством частиц или посредством волн. Мыслимо, конечно, сочетание того и другого, но этими возможностями и исчерпывается все, что удается «представить» и «понять».

Классическая механика, созданная, так же как и оптика, Ньютоном, есть математическое обобщение нашего привычного опыта, и выводы ее, в смысле возможных способов передачи энергии на расстояние, ничем не отличаются от наших простых заключений. Так называемая «классическая физика» характеризуется уверенностью, что в законах Ньютона найдена полная истина, сомневаться в которой невозможно. На основе этой уверенности возникло «механистическое» естествознание, стремившееся объяснить все явления природы движением частиц, связанных некоторыми силами и подчиняющихся законам Ньютона.

Основой уверенности в непогрешимости этих законов была, во-первых, их понятность, полное соответствие нашим привычным, вненаучным представлениям, во-вторых, огромный успех классической механики во всех областях естествознания и техники. Между тем эти доводы в пользу законов Ньютона далеко не безупречны. «Понятным» мы называем то, что соответствует нашим привычкам. Мы сравниваем, например, летящий атом с летящей пулей, объясняя или поясняя себе образ атома посредством более привычного образа пули. Но всякому ясно, что в действительности пуля безмерно сложнее атома, и наше «объяснение» сводит более простое к более сложному, но привычному. «Понятность» тех или иных законов и явлений еще не залог их действительной простоты и достоверности. С другой стороны, человек исторически развивается, меняются его навыки, и бывшее ранее непонятным становится постепенно очевидным. Наши привычные представления во многом соответствуют действительному ходу явлений, и по мере развития человек все ближе подходит к постижению истины, однако говорить о полном совпадении наших представлений с абсолютной истиной значило бы отрицать другую бесспорную истину о развитии человека. Короче говоря, уверенность в механистичности природы и в непреложности законов Ньютона покоится, в сущности, на очень зыбком фундаменте «привычки».

Существующий материальный мир – движущаяся материя – представляется нам в двух основных формах – как вещество и свет. Постепенно окрепло убеждение,

что вещество во всем своем многообразии построено из отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Вещество казалось поэтому более понятным, чем свет, в котором одновременно обнаруживались свойства и волн и частиц. В то время как неотделимое свойство света – его движение, и мысль о «неподвижном свете» кажется абсурдом, механическая физика вполне примирялась с «покоящимся веществом». Волна немыслима без движения. Если физик и говорит о «стоячих волнах», то он разумеет при этом результат сложения двух волн, бегущих навстречу одна другой. Наоборот, отдельно взятую частицу можно представить вполне неподвижной. Однако такая форма материи, лишенной движения, т. е. ее неотъемлемого свойства, чистая абстракция с точки зрения диалектического мировоззрения. Она действительно оказалась таковой, как это показали новые, совсем неожиданные и удивительные ответы. В опытах, произведенных впервые около четверти века назад, было обнаружено, что поток электронов, протонов и молекул, встречая малые препятствия и отверстия, дает такие же отчетливые дифракционные явления, как и свет, т. е. обладает теми же основными свойствами волн.

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.