Стивен Вайнберг - Пояснюючи світ

Використовуючи таку хвильову теорію світла, Гюйґенс зумів вивести результат, що світло в однорідному середовищі (або в порожнечі) поводить себе там, немов воно рухається по прямих лініях, неначе хвилі, породжені всіма збуреними частинками, складаються разом лише вздовж цих ліній. Він надав нове пояснення правила рівності кутів падіння й відбиття, а також закону заломлення Снелліуса, не спираючись на апріорне припущення Ферма, що промені світла йдуть шляхом, на який потрібен найменший час (див. технічну примітку 30). У теорії заломлення Гюйґенса промінь світла заломлюється, проходячи під непрямим кутом крізь межу між двома середовищами з різними швидкостями світла, подібно до того, як змінюється напрямок маршової лінії солдатів, коли авангард вступає на болотисту місцину, де його швидкість просування вперед меншає.

Відхилившись трохи від теми, зазначу, що важливим моментом хвильової теорії Гюйґенса був рух світла зі скінченною швидкістю, усупереч уявленням Декарта. Гюйґенс стверджував, що ефекти цієї скінченної швидкості важко спостерігати тому, що світло рухається дуже швидко. Якби, наприклад, світлу потрібна була година, щоб подолати відстань від Землі до Місяця, то під час місячного затемнення Місяць було б видно не прямо навпроти Сонця, а з відставанням приблизно на 33°. З того факту, що жодного відставання не видно, Гюйґенс зробив висновок, що швидкість світла має бути щонайменше у 100 000 разів більша за швидкість звуку. І це правильно: фактичне співвідношення цих швидкостей становить приблизно 1 млн разів.

Далі Гюйґенс описав нещодавні спостереження супутників Юпітера, які зробив данський астроном Оле Ремер. Ці спостереження показували, що період обертання Іо здається коротшим, коли Земля та Юпітер наближаються одне до одного, і довшим, коли вони віддаляються (увагу зосередили на Іо, бо вона має найкоротший орбітальний період з усіх ґалілеївських супутників Юпітера – лише 1,77 доби). Гюйґенс побачив у цьому те, що пізніше стали називати «ефектом Допплера»: коли Юпітер та Земля зближуються або віддаляються, відстань між ними за кожного наступного завершення всього періоду обертання Іо відповідно зменшується або збільшується. Тому якщо світло рухається зі скінченною швидкістю, то часовий проміжок між спостереженнями завершених орбітальних періодів Іо має бути відповідно менший або більший, ніж якби Юпітер та Земля перебували у стані спокою. Зокрема, незначна зміна видимого періоду обертання Іо має дорівнювати відношенню відносної швидкості Юпітера та Землі вздовж напрямку, що їх розділяє, до швидкості світла, де відносну швидкість беруть як позитивну або негативну залежно від того, віддаляються чи зближуються Юпітер та Земля (див. технічну примітку 31). Якщо виміряти видимі зміни періоду Іо і знати відносну швидкість Землі та Юпітера, то можна обчислити швидкість світла. Оскільки Земля рухається значно швидше за Юпітер, у значенні відносної швидкості головну роль відіграє швидкість Землі. Масштаб Сонячної системи був тоді не дуже добре відомий, тому й числове значення відносної швидкості розходження Землі й Юпітера було неточне, але за допомогою даних Ремера Гюйґенс зумів обчислити, що світлу потрібно 11 хвилин, щоб подолати відстань, яка дорівнює радіусу орбіти Землі, причому цей результат не залежить від конкретного розміру орбіти. Інакше кажучи, оскільки астрономічну одиницю (а. о.) відстані визначають як середній радіус орбіти Землі, швидкість світла, яку вивів Гюйґенс, дорівнювала 1 а. о. на 11 хв. Сучасним значенням є 1 а. о. на 8,32 хв.

Ньютону та Гюйґенсу мали б бути приступні вже наявні на той час експериментальні докази хвильової природи світла: відкриття дифракції болонським єзуїтом Франческо Марією Ґрімальді (учнем Річчолі), опубліковане вже після його смерті в 1665 році. Ґрімальді виявив, що тінь від вузького непрозорого стовпчика на сонячному світлі не ідеально чітка, а облямована смужками. Ці смужки є наслідком того факту, що довжина хвилі світла не є незначною проти товщини стовпчика, але Ньютон стверджував, що вони були результатом якогось заломлення на поверхні стовпчика. Для більшості фізиків питання про світло як корпускулу або хвилю вже було розв’язано, коли на початку XIX століття Томас Юнґ відкрив інтерференцію – картину підсилення або затухання світлових хвиль, що збігаються в одну точку різними шляхами. Як ми вже згадували, у XX столітті відкрито, що ці два погляди не виключають один одного. У 1905 році Ейнштейн усвідомив, що, хоч здебільшого світло поводить себе як хвиля, енергія в ньому передається як невеличкі пакети, пізніше названі фотонами, кожен із яких має крихітну енергію та імпульс, пропорційні частоті світла.