Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной

Облака, о которых предупреждал Кельвин, имели отношение к природе света. Почти столетием ранее Томас Юнг (1773–1829) показал, что свет распространяется в виде волн, так же как, например, вода или звук. Для движения волнам необходима среда – вода или воздух. Юнг полагал, что свет от Солнца или другой яркой звезды достигает нас, проходя через вакуум. Однако что может обеспечивать передачу световых волн в вакууме?

Никто не представлял, как это происходит. Отчаявшись найти объяснение, ученые вспомнили о небесном эфире Аристотеля. Если вы помните, Аристотель, обосновывая свою теорию о том, что «все движется двояким образом – или при посредстве другого, или само по себе»[409], полагал, что пространство, или plenum, в котором движутся тела, заполнено неким веществом или материей, в роли которой на небесах выступает тончайшая субстанция – эфир. После того как Бойль доказал своими экспериментами, что природа не боится пустоты или вакуума, идея Аристотеля была предана забвению, однако эксперименты Юнга воскресили ее: пространство, заполненное эфиром, могло быть той самой средой, необходимой для распространения световых волн. Более того, эфир мог заполнить пробел в теории Ньютона, поскольку он создавал ту самую систему координат, в которой всегда можно измерить скорость или ускорение движущегося тела. Ньютона вполне устраивало божественное происхождение этой системы координат, однако к концу XIX века физики полагали более подходящим вариантом принадлежащий этому миру эфир.

Первый трудноразрешимый вопрос, поставивший в тупик лорда Кельвина, касался природы эфира. Если это действительно какая-то невидимая субстанция, заполняющая пространство и позволяющая распространяться световым волнам, тогда скорость движения любого тела действительно можно измерить относительно этой субстанции, подобно тому как можно измерить скорость движения судна относительно воды. Конечно, в этом была определенная трудность, поскольку световые волны движутся со скоростью около 300 миллионов метров в секунду, то есть намного быстрее, чем любое земное тело. Однако в 1887 году американские ученые Альберт Майкельсон (1852–1931) и Эдвард Морли (1838–1923) предложили измерять скорость света относительно самого быстродвижущегося земного тела, которым является сама Земля в ее движении относительно Солнца. Земля вращается вокруг своей оси со скоростью около 447 метров в секунду, а вокруг Солнца – со скоростью около 30 000 метров в секунду. Оба ученых понимали, что, как в эффекте Доплера, скорость света будет разной при измерениях в разных направлениях: в направлении движения Земли, то есть когда свет проходит через эфир, и в противоположном направлении.

Однако их ожидания не оправдались. Несмотря на все усилия, Майкельсон и Морли все время получали одни и те же значения, независимо от направления движения Земли и световых волн относительно друг друга. Это заставило усомниться в том, что средой для распространения световых волн является эфир, что, собственно, и озадачило лорда Кельвина.

Вторая проблема, о которой задумался лорд Кельвин, касалась классической теории термодинамики. Немногим ранее Максвелл и Больцман, объединив кинетическую теорию тепла Карно и механику Ньютона, сформулировали современную теорию термодинамики, или статистической механики. Согласно этой теории, материя состоит из триллионов атомов, хаотичное движение которых порождает тепло. При взаимодействии материи со светом он поглощается, и тепловая энергия – скорость атомов – увеличивается. И наоборот, при излучении света движение атомов замедляется. Эти процессы подчинялись законам классической термодинамики, однако она не могла объяснить спектр излучения физического тела, поглощающего весь свет, падающий на него, так называемого абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело можно условно представить в виде отверстия в стене самой темной комнаты, однако куда проще описать это явление, обратившись к более знакомому миру звуков.

Представьте, что у вас есть рояль, а еще у вас есть кувалда, и вы, размахнувшись со всей силы, наносите по нему удар кувалдой (вы проделываете все это мысленно, и на самом деле ни один рояль не пострадает в результате этого эксперимента). В рояле полно струн, и все они задрожат от удара, создавая какофонию звуков на разных частотах, которая постепенно ослабевает, превращаясь в слабый гул. Поглощение удара струнами рояля на молекулярном уровне аналогично тому, что происходит при нагревании абсолютно черного тела – оно испускает излучение не на разных частотах, а в узком спектре, который зависит только от температуры черного тела. Это как если бы в результате удара по роялю раздался только звук до, который мог бы превратиться в ре или ми, если бы температура в помещении стала увеличиваться. Кельвин обратил внимание на это странное явление, связав его с постоянством скорости света.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ПРОСТОТА