Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

На самой Земле были известны еще два способа передачи силы сквозь вакуум. Магнит может притягивать к себе железо, а электрически заряженное тело может притягивать практически любое легкое вещество. Один магнит может или притягивать, или отталкивать другой; один электрический заряд может либо притягивать, либо отталкивать другой. Эти притяжения и отталкивания свободно проходили сквозь самый чистый вакуум, который только удавалось создать. Итак, в середине XIX века были известны четыре способа передачи силы через вакуум и соответственно четыре возможных вида воздействия на расстоянии: свет, гравитация, электричество и магнетизм. И снова представление о воздействии на расстоянии оказалось неприемлемым для физиков XIX столетия, так же как и для философов Древней Греции.

Оставались два возможных решения дилеммы, два способа избежать мысли о воздействии на расстоянии. Во-первых, предположить, что вакуум не является вакуумом в полном смысле. Очевидно, что в хорошем вакууме содержится так мало обычной материи, что ее можно проигнорировать. Но предположим, что обычная материя — не единственная форма вещества, которая может существовать.

Аристотель предположил, что веществом Вселенной, лежащей вне Земли, является нечто, что он назвал эфиром. Понятие эфира сохранялось в современной науке даже тогда, когда все остальные части Аристотелевой физики обнаружили свою несостоятельность и были отброшены. Однако он сохранялся в более усложненной версии. Он составлял структуру пространства, заполняя все, что считалось вакуумом, и, более того, проникал внутрь всей обычной материи.

Ньютон отказался объяснить, как гравитация передается от тела к телу через пустоту. «Я не делаю предположений», — строго сказал он. Однако же его последователи толковали, что гравитация прокалывает путь сквозь эфир так же, как звук прокладывает путь сквозь воздух. Гравитационное воздействие тела будет выражено как искажение той части эфира, которая с ним контактирует, это искажение будет исправляться, в процессе чего будет искажать соседний участок эфира. Перемещаясь, это искажение в конце концов достигнет другого тела и повлияет на него. Можно представить такое перемещающееся искажение как «эфирную волну».

Другой выход из дилеммы о воздействии на расстоянии заключался в том, чтобы допустить, что силы, которые заставляют почувствовать себя через вакуум, на самом деле проходят сквозь него в виде потока мельчайших частиц. Эти частицы могут быть слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но, тем не менее, они есть. К примеру, свет может состоять из мчащихся с огромной скоростью частиц, пересекающих вакуум. Проходя от Солнца к Земле, они сперва находятся в контакте с Солнцем, затем — с Землей, и получается, что никакого воздействия на расстоянии нет, как и в случае бросания мяча в бутылку.

Два столетия после Ньютона физики колебались между этими двумя точками зрения: волны или частицы. Первое требовало эфира, второе — нет. Этот том будет посвящен по большей части деталям колебания между этими точками зрения. В XVIII веке доминировало представление о частицах, в XIX — о волнах. Затем, когда наступил XX век, произошла любопытная вещь — две точки зрения растворились одна в другой и стали едины. Чтобы объяснить, как это произошло, давайте начнем с первой сущности, известной своим прохождением сквозь вакуум, — со света.

Очевидно, что свет вломился в сознание человека, как только это сознание возникло. Происхождение самого слова похоронено глубоко в тумане начала индоевропейских языков. Важность света была высоко оценена самыми первыми мыслителями. Даже в Библии первый приказ Бога и создании мира гласил «Да будет свет!».

Свет распространяется по прямой. Это каждый из нас знает с детства. Мы уверены в том, что если мы смотрим на предмет, то этот предмет находится там, куда мы смотрим. (Это полностью верно, если только мы не смотрим в зеркало или сквозь стеклянную призму, но эти исключения из общего правила так несложно запомнить.)

Такое прямолинейное движение света, его прямолинейное распространение, является базовым допущением оптики (от греческого «взгляд»), изучающей физику света. Там, где поведение света анализируется так, что его лучи представляют прямые линии, и где эти линии изучали геометрическими методами, мы говорим о геометрической оптике. Именно геометрической оптике посвящены эта и следующая главы.