Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Из-за неумения Юнга пропагандировать собственные идеи волновая теория света распространялась крайне медленно. Лет через пятнадцать после первых демонстраций Юнга французский ученый Огюстен Френель независимо от Юнга открыл феномен интерференции и представил свой вариант юнговского эксперимента, в котором луч света разделялся на два источника при помощи плоской призмы, в настоящее время именуемой «бипризмой Френеля». (С тех пор, как мы убедимся в этом снова в десятой главе, эксперимент Юнга проводится в двух классических вариантах: варианте самого Юнга и в варианте с бипризмой Френеля.) Энтузиазм французских ученых по поводу открытия Френеля наконец-таки заставил бо́льшую часть научного сообщества принять волновую теорию света и с громадным опозданием воздать должное Юнгу.

Феномен интерференции не только подтвердил волновую природу света, но и стал полезным инструментом научного исследования в принципе, так как сама интерференционная картина довольно проста и легко узнаваема. Если какой-то феномен ее демонстрирует – значит, он имеет волновую природу.

Однако признание волновой природы света, по мнению многих ученых, не решило всех проблем. Особенно сложным был вопрос о среде, в которой распространяются световые колебания. Звуковые волны были колебаниями частиц воздуха точно в таком же смысле, в каком водяные волны были колебаниями частиц воды. Но в какой среде перемещались световые волны? Другими словами, световая волна – это колебания чего ? Традиционный ответ звучал так: это колебания невидимой субстанции, именуемой «эфиром» и пронизывающей собой пространство. Когда человеческий глаз видит звезду, он реагирует на волну в эфире, начавшуюся от этой звезды, прокатившуюся по эфиру через всю Вселенную и достигшую сетчатки глаза.

В конце XIX столетия Альберт Майкельсон и Эдвард Морли показали, что интерференционную картину световых лучей, движущихся в двух разных направлениях, можно использовать для измерения их скорости относительно друг друга. И то, что они не смогли обнаружить никакой разницы в упомянутых скоростях, стало одним из подтверждений того, что никакого эфира в действительности не существует и что свет для своего распространения не нуждается ни в какой среде. Данный эксперимент перевернул не столько наше представление о свете, сколько наше понимание характера и особенностей волнового движения в принципе. Эксперимент Майкельсона – Морли в скором времени стал важной составляющей обоснования теории относительности Эйнштейна.

В XIX столетии эксперимент Юнга, перенесший волновую аналогию с акустики на оптику, ознаменовал собой начало смены научной парадигмы – с корпускулярной теории света к волновой. В XX веке произойдет еще более значимое расширение эксперимента Юнга – будет проведен его третий вариант, в котором будут участвовать не волны (водяные и световые), а частицы. Это дальнейшее развитие волновой аналогии станет, вероятно, самой потрясающей и удивительной в своей простоте демонстрацией тайн квантовой механики, экспериментом, который многие ученые считают самым красивым во всей истории науки. В этой книге ему посвящена последняя глава.

Интерлюдия Наука и метафора

Красота эксперимента Юнга заключается в его удивительной ясности: ученый заставил одно явление (свет) выступать в качестве другого (волна). Этот эксперимент является классическим примером успешного использования аналогии в науке. Однако аналогия (от древнегреческого άναλογία – «соответствие») и метафора (фигура речи, в которой одно явление или объект выступает в качестве другого; от древнегреческого μεταφορά – «перенос») могут вводить в заблуждение и становиться помехой на пути научного исследования. По этой причине об аналогии трудно говорить как об однозначно положительном методе, и многие ученые относятся к ней с предельной осторожностью88.

Некоторые полагают, что аналогии и метафоры в лучшем случае отвлекают от сути, а в худшем вообще запутывают. «Когда вы размышляете о природе, – писал биолог Ричард Левонтин, – опасайтесь метафор». Физик Эрнст Мах считал полезными высказывания типа «рассматриваемый в настоящее время факт А ведет себя… подобно старому и хорошо известному факту В», но отрицал их структурирующее значение для науки. Подобно Маху, химик и историк науки Пьер Дюэм считал метафоры и аналогии важными психологическими, объясняющими и просветительскими инструментами. Однако и он полагал, что настоящая наука со временем отбрасывает любые аналогии.