Квинтэссенция. Книга первая

Так разгоревшаяся дискуссия стимулировала немецкого физика Й. Фраунгофера к углубленному исследованию дисперсии — связи показателя преломления вещества с длиной волны света, для которого производятся измерения. Во время своих исследований Фраунгофер изучил расположение множества (до 700) темных линий, видимых в спектре Солнца. Эти исследования в конце концов привели немецких ученых Г. Кирхгофа и Р. Бунзена к разработке спектрального анализа, совершившего революцию в физике и химии.

Особое место в нашем повествовании занимает ирландец У. Гамильтон. Гамильтон уточнил научный метод, созданный Ньютоном. Он различал три стадии развития науки. В первой стадии необходимо накапливать и систематизировать опытные факты и на их основе, пользуясь индукцией и анализом, получать законы (Ньютон называл их «принципами»). Во второй стадии, пользуясь дедукцией и синтезом, извлекать следствия из этих законов, предсказывая неизвестные ранее явления. Затем следует ставить новые опыты, чтобы подтвердить или отвергнуть полученные следствия.

Гамильтон решил построить такую формальную математическую теорию света, которая не нуждается ни в волновой, ни в корпускулярной модели оптических явлений и не противоречит ни одной из них. За образец при построении новой теории Гамильтон принял аналитическую механику, созданную великим французским математиком и механиком Ж. Лагранжем.

Лагранж следовал идеям Эйлера, начавшего построение механики на основе небольшого набора определений и аксиом. Лагранж предупреждал читателя:

«В этой работе вы не найдете рисунков. Излагаемые мною методы не нуждаются ни в построениях, ни в рассуждениях геометрического или механического характера, а лишь в алгебраических операциях, подчиняющихся строгим и единообразным правилам».

В результате Лагранж объединил и развил все разделы механики — статику и гидростатику, динамику и гидродинамику (в позднейшее время к ним были присоединены аэродинамика, теория упругости и механика твердых тел).

Двигаясь в этом направлении Гамильтон создал удивительную оптику, превратив геометрическую оптику в формальную теорию, позволяющую проектировать приборы без геометрических построений. В формализме Гамильтона неожиданно объединились оптика и механика. Этот формализм почти через девяносто лет лег в основу волновой механики Л. де Бройля и квантовой механики Э. Шредингера. Скачок в микромир, о котором Гамильтон даже не помышлял!

Гамильтон доказал, что он достиг поставленной цели, предсказав на основе своей теории неизвестные явления, обнаруженные последующими опытами. Самое известное из них — коническая рефракция: узкий луч света, падающий на некоторые кристаллы, например, на кристалл исландского шпата, ведет себя необычно. В зависимости от ориентации луча света относительно осей кристалла, узкий луч распространяется внутри кристалла в форме расходящегося полого конуса и выходит из кристалла в форме полого цилиндра. Поставив на пути этого луча экран, можно увидеть на нем светлое кольцо, размеры которого не зависят от расстояния до экрана. Это явление называют внутренней конической рефракцией. При другом положении осей кристалла падающий на него луч испытывает обычное преломление, но выходит из кристалла в форме расходящегося полого конуса. В этом случае размер светлого кольца на экране зависит от расстояния до экрана (внешняя коническая рефракция).

Так Гамильтон построил математическую теорию оптических явлений, не связанную ни с эфиром, ни с корпускулами. Но физики не могли избежать вопроса — что же такое свет?

ЭФИРНЫЙ ВЕТЕР

Френелевская гипотеза упругости эфира породила вопрос: неподвижен ли эфир? Или он неподвижен только в пустом пространстве, а та его часть, что проникает внутрь материальных тел, движется вместе с ними?

Араго проделал простой опыт, наблюдая преломление света, приходящего от звезд. Оказалось, что вопреки корпускулярной теории, которой он придерживался, движение Земли не влияет на преломление света.

Араго попросил Френеля рассмотреть задачу: совместим ли этот результат с волновой теорией света? Френель ответил, что результат согласуется с волновой теорией, если признать, что эфир увлекается веществом лишь частично. Это значит, что движущееся тело увлекает не весь содержащийся в нем эфир, а лишь его избыток.

Вспомним, что для объяснения преломления света Френель предположил, что эфир, проникая внутрь прозрачных сред, уплотняется. Это значит, что внутри прозрачных тел имеется избыток эфира по сравнению с его количеством, находящимся в равновеликом объеме пустого пространства. Чем больше в данном теле избыток эфира, тем больше преломляющая способность этого тела, тем меньше в нем скорость распространения света. Отвечая Араго, Френель был вынужден принять, что движущееся тело увлекает с собой только избыток находящегося внутри него эфира.