Как все было – до квантов света

До того, как Эйнштейн в 1905 году вернулся к этой теме, природу света обсуждали много раз. Как и с материей, первые теории света пришли от древних греков. Демокрит, основоположник атомизма, считал, что свет состоит из частиц, мало чем отличающихся от атомов, из которых, как он представлял, состоит вся материя. Аристотель думал, что свет – это «возмущение» того, что он рассматривал как один из четырех элементов – воздуха. Декарт в его «Диоптрике», опубликованной в 1637 году, описал свет как «живое действие», которое проходит через воздух и другие прозрачные тела. По большей части «возмущение» Аристотеля и «живое действие» Декарта были очень ранними описаниями света как своего рода волны, не то чтобы не похожей на волны в океане.

В 1666 году Ньютон купил свою первую призму, желая опровергнуть волновую теорию света Декарта. В 1672 году он дал краткий отчет о результатах исследования в форме письма Королевскому обществу, и, после небольшого ряда уговоров, его опубликовали в «Философских трудах Королевского общества». Работу Ньютона встретили с большим одобрением, хотя и не единодушным. Однако один критик высказался против Ньютона, начав вражду длиною в жизнь.

С объемной критикой на Ньютона обрушился Роберт Гук, считавшийся в Англии экспертом по теме света. Одним словом, говорили, что Гук провел все те же эксперименты, получил другие выводы, и что Ньютон был откровенно не прав. В 1704 году Ньютон наконец опубликовал полный отчет о своей теории света в «Оптике». Он уже подготовил труд, охватывающий бо2льшую часть его работы в 1672 году, но никогда его не публиковал. Крайне болезненно реагируя на критику, он ждал – более чем тридцать лет – до смерти своего давнего конкурента Гука. Ньютоновская теория света связала цвет света с той идеей, что свет состоит из частиц, которые Ньютон называл «корпускулами». При том, что его теория цветов уходила своими корнями в результаты экспериментов с призмами, свет как поток частиц был всего лишь теоретической концепцией. Тем не менее главным образом вследствие известности Ньютона, его корпускулярная теория господствовала в течение более чем века после публикации «Оптики».

Ньютон думал, что свойства света лучше всего объясняются рассмотрением света как потока частиц. Например, он считал, что его законы движения могут объяснить преломление – свойство света, приводящее к тому, что он изгибается при переходе из одного вещества в другое. К примеру, переходя из воздуха в воду, свет будет отклоняться на ее поверхности к перпендикуляру к этой поверхности. Именно из-за преломления света объект, подобный карандашу, частично погруженный в воду, выглядит согнутым, или «разломанным».

Согласно Ньютону, преломление происходит из-за того, что частицы света изменяют направление своего движения (которое вызывает изгиб) вследствие сил, действующих на них на границе раздела двух сред. Для Ньютона и его сторонников корпускулярная теория света также объясняла отражение. Если мы представим частицы подобными бильярдным шарикам, тогда отражение является ничем иным, как столкновением частиц света с поверхностью и их «отскакиванием» от нее, что очень похоже на столкновение бильярдного шара с бортом стола, за которым следует только отскакивание назад (или «отражение»). Вдобавок Ньютон чувствовал, что были некоторые свойства, которые волновая теория света просто не могла объяснить, например дифракцию.

Дифракция – это свойство волн, позволяющее им огибать предметы и проходить через отверстия. Вот почему в случае звуковых волн звук из одной комнаты часто может слышать кто-то другой, не находясь непосредственно на пути идущего звука; звуковая волна выходит из одной комнаты, распространяясь через дверной проем, в другую, где ее потом слышно.

Ясно, что свет так себя не ведет. Ведь вы не можете видеть что-то, находящееся за углом, не так ли? Степень дифракции зависит от отношения длины волны к размеру отверстия, через которое она проходит. Если длина волны много меньше отверстия, дифракция будет незаметной. Но степень дифракции будет значительной, если длина волны сравнима с размером отверстия, и даже еще более значительной, если отверстие меньше длины волны. Обычно она незаметна, потому что у света достаточно короткие волны – намного короче в сравнении с длинами звуковых волн. Тем не менее, свет будет дифрагировать, если отверстие достаточно маленькое. Франческо Гримальди (1618–1663) примерно в 1660 году открыл дифракцию света.

Несмотря на доводы Ньютона, Гук опубликовал волновую теорию света в 60-е годы XVII века. В 1678 году Христиан Гюйгенс развил волновую теорию (опубликовав ее в 90-е годы XVII века в «Трактате о свете»), способную объяснить отражение и преломление. Однако конец корпускулярной теории Ньютона ознаменовался в начале XIX века, когда Томас Юнг (1773–1829) провел первую явную демонстрацию волновой природы света, показывая, что он обладает свойством интерференции. При подходящих условиях, когда световые волны, идущие от двух отдельных источников, объединяются, покажутся области ярче (усиливающая интерференция) и темнее (ослабляющая интерференция), чем если бы присутствовал только один из источников. Другие волны, например на воде или звуковые, также демонстрируют этот эффект.

Представим, что мы уронили камень вертикально вниз в спокойное озеро. Он вызовет рябь, или волны, распространяющуюся из точки, где он приземлился (она служит источником). Теперь вообразим то же самое с двумя камнями – возможно, по одному в каждой из ваших рук, широко раскинутых, – и выпустим их одновременно. Ясно, что теперь волны будут исходить от двух источников. Поскольку они продолжают распространяться, появятся такие участки поверхности воды, где волны от одного источника будут накладываться на волны от другого. Более того, на одних участках наложения высота волны (которая связана с ее интенсивностью) может увеличиться, тогда как на других – уменьшиться. Это иллюстрирует усиливающую и ослабляющую интерференцию соответственно.

Интерференционная природа света, которую позже подтвердили эксперименты и вычисления Огюстена Жана Френеля (1788–1827) семь лет спустя, нанесли серьезный удар поклонникам корпускулярной теории. Окончательным ударом стало определение скорости света в разных средах. Согласно корпускулярной теории света, скорость должна увеличиваться, когда свет проходит из одной среды в другую, более плотную, как и в случае перехода из воздуха в воду. Однако волновая теория света предсказывала прямо противоположный эффект: свет должен двигаться медленнее в веществе с большей плотностью, и работа Жана Бернара Леона Фуко (1819–1868) и Армана Ипполита Луи Физо (1819–1896) в 1850 году это подтвердила. Дальнейшее развитие взглядов на природу света в XIX веке привело к тому, что волновую теорию приняли все.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал последнюю из цикла статей по электричеству и магнетизму. В ней он написал (теперь знаменитые) четыре уравнения, которые образуют основу всего классического учения об электричестве и магнетизме. Эта работа и его двухтомный «Трактат об электричестве и магнетизме», опубликованный в 1873 году, объединили электрические и магнитные силы и вывели понимание природы света на абсолютно новый уровень. В своей теории Максвелл описывал свет как электромагнитную волну и смог верно рассчитать ее скорость:

«Она [вычисленная скорость] настолько близка к скорости света, что кажется, будто мы имеем серьезное основание заключить, что сам свет (включая тепловое излучение и другие виды излучения, если таковые имеются) является электромагнитным возмущением в форме волн…»

Хотя скорость света уже измерили, концепция света как электромагнитной волны была совершенно новой. К сожалению, Максвелл прожил недостаточно долго (он умер в 1879 году), чтобы дождаться подтверждения данного аспекта своей теории.

В 1887 году Генрих Герц (1857–1894) подтвердил теорию Максвелла, фактически создав электромагнитные волны, предсказанные им. Также Герц и другие ученые продемонстрировали, что эти волны показывают ожидаемые свойства: отражение, преломление и дифракцию. Впоследствии эти результаты утвердили теорию Максвелла и волновую концепцию света в умах всех физиков. До того, как Эйнштейн в 1905 году решил встряхнуть самые ее основы.