Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Ньютон не заявлял о своей приверженности ни этой, ни какой-либо другой конкретной модели. Это была бы лишь гипотеза! Но примерно так он мыслил, планируя свою дальнейшую экспериментальную программу.

Как далеко можно зайти в этой сортировке световых лучей? Мы можем позволить лишь маленькой части спектра беспрепятственно идти дальше, таким образом получая лучи чистых спектральных цветов. Составные части таких отфильтрованных лучей, чем бы они ни были, при прохождении сквозь призму были развернуты на один и тот же угол. Действительно ли этот процесс выделил одинаковые, фундаментальные составляющие света? Или в них кроется еще какая-то новая структура, которую можно иным способом обнаружить и произвести их дальнейшую очистку?

Ньютон подвергал свои очищенные цвета, лучи спектральных цветов, всевозможным издевательствам. Он отражал их от различных поверхностей, пропускал сквозь линзы и призмы из всяческих прозрачных (или частично прозрачных) материалов, не только лишь из обычного стекла. И обнаружил, что все эти процессы оставляют неизменным результат изначальной спектральной сортировки при помощи призмы.

Спектрально желтый, будучи отраженным, остается желтым; спектрально синий остается синим – и т. д. Часто свет поглощается теми предметами, которые мы воспринимаем как цветные. Например, какой-либо синий предмет может поглощать все спектральные цвета, кроме близких к синему, который он отражает, – и именно поэтому он и представляется синим. Но никогда не бывает так, чтобы спектрально желтый отразился бы как спектрально синий или какой-либо другой цвет, кроме того же желтого.

То же правило справедливо и для прохождения света сквозь материалы (преломление). Спектральные цвета и тут сохраняют свою целостность. Разные цвета, как правило, преломляются под различными углами, разумеется – ведь прежде всего именно таким образом призма их и разделяет, – но любой данный материал будет преломлять лучи любого данного спектрального цвета определенным образом.

При помощи экспериментов наподобие этого Ньютон установил, что лучи света, полученные при помощи спектрального разложения, – чистые субстанции с постоянными, воспроизводимыми свойствами. И белого цвета в спектре нет. Лучи белого света всегда можно подвергнуть анализу на составляющие спектральные цвета, и они всегда оказываются смесью различных компонентов. Забавно, но, несмотря на связанную с ним символику, белый свет никогда не чист.

(Во имя точности я должен упомянуть о том, что не все так просто. То, что лучи чистого спектрального цвета нельзя дальше раскладывать на составляющие, не совсем правда. На самом деле можно – на составляющие различной поляризации. Естественно будет обсудить этот вопрос дальше, в связи с работами Максвелла. Хотя это и возможно, не так просто разделить луч единого спектрального цвета на две поляризованные компоненты, поэтому для большинства задач различиями между ними можно пренебречь. Похожая ситуация и с составляющими веществ – химическими элементами. Образец чистого элемента может оказаться смесью изотопов, которые непросто, но возможно отделить друг от друга.)

И хотя я ни разу не слышал, чтобы работу Ньютона описывали таким образом, я думаю, что уместно отметить: то, что сделал Ньютон в этих экспериментах и создавая свой труд «Оптика», стало отправной точкой химии света. Анализ или очистка – первый шаг в химии.

Химия света

Теперь, когда мы очистили свет, мы можем дальше заниматься его химией.

До сих пор наш анализ не противоречил путеводной идее о том, что свет состоит из фотонов и что различные виды фотонов по-разному отклоняются стеклом и за счет этого можно добиться их разделения, пропуская поток фотонов сквозь призму. Каждый спектральный цвет после этого – выделенная и очищенная фракция фотонов определенного вида. Таким путем мы определили элементы света.

Давайте сравним и найдем общие и отличительные черты химии света и более знакомой, хотя и развившейся позже, гораздо более сложной науки – химии вещества, начиная с сопоставления их периодических таблиц.

• В периодической таблице света есть лишь одна строчка – радуга из спектральных цветов. Спектрально чистые цвета – это ее элементы. В периодической системе вещества несколько строк, и элементы в ней расположены в столбцах, каждый из которых означает, что входящие в него элементы имеют в чем-то схожие, хотя и отличающиеся химические свойства. Также в ней имеются два несообразных протяженных выступа – последовательности лантаноидов (редкоземельных элементов) и актиноидов, – в пределах которых химические свойства веществ почти не меняются.

• Периодическую таблицу света можно получить в ощутимой, физической форме. И в самом деле, достаточно лишь взять луч от солнца или от другого светящегося раскаленного предмета, пропустить сквозь призму и спроектировать на экран – и вот вы ее видите. Периодическая таблица химических элементов, напротив, лишь мысленная абстракция. В природе нет соответствующего ей объекта.

• Периодическая система света – непрерывная последовательность, а периодическая система вещества дискретна.

• Элементы света лишь очень слабо взаимодействуют друг с другом. Отметим, что, если перекрестить два световых луча, они свободно пройдут друг сквозь друга, не взаимодействуя (т. е. от этого не полетят искры, к примеру, и в пространстве не останутся висеть отвалившиеся молекулы света). В этом смысле каждый элемент света похож по своим свойствам на «благородные» или «инертные» газы из химии вещества.

Обобщая, естественно рассматривать оба вида химии в единой связке, как науку об атомах и их взаимодействиях, причем не важно, идет ли речь об атомах света или об атомах вещества. В этом, более общем видении атомы света уже не ведут себя как инертные. Хотя и не взаимодействуют так просто друг с другом, они вступают по определенным правилам в сочетания с атомами вещества. Этот вопрос мы как следует разберем ниже и углубимся в него, когда станем рассматривать главу «Квантовая красота I: музыка сфер».

Великой целью алхимиков было получение философского камня, который, как они верили, обладает способностью превращать один вид атомов в другой – например, свинец в гораздо более ценное золото. Для атомов света философский камень существует – это движение! Если мы двигаемся навстречу лучу спектрально чистого цвета, то он будет видеться нам тоже как спектральный цвет, но другой. Цвета сдвигаются прочь от красного цвета в сторону синего, и мы говорим, что такой свет испытывает синее смещение. Точно так же, двигаясь вдоль луча прочь от источника света или глядя на удаляющийся от нас источник света, мы увидим красное смещение. Размеры этих смещений пропорциональны скорости относительного движения и очень малы, если только эта скорость не сопоставима со скоростью света. Они были заведомо малы для того, чтобы Ньютон имел возможность их заметить. Для большинства практических целей ими можно пренебречь. Но красное смещение света, исходящего от далеких галактик, – в особенности те изменения, которое красное смещение оказывает на расположение темных и светлых линий спектра, – несет в себе информацию о том, как быстро каждая из таких галактик удаляется от нас, и позволяет составить карту расширения Вселенной.

Идея о том, что свет состоит из отдельных частиц или, как мы называли их, фотонов, прошла в своем развитии несколько периодов расцвета и упадка. Как мы уже сказали, хотя Ньютону и нравилась эта идея, но решительно связываться с ней узами брака он не стал (хотя, так сказать, пофлиртовал с нею слегка, но она так и не стала для него единственно верной). Однако его авторитет был столь велик, что основанная на представлении о свете как о потоке частиц теория доминировала в науке почти до середины XIX в., когда волновые теории света взяли над нею верх. После того как Максвелл объяснил природу света электромагнитными колебаниями, о чем мы в подробностях поговорим позже, триумф волновой теории света казался неоспоримым. Но в XX в., с возникновением квантовой механики, корпускулярная (основанная на частицах) теория света вернулась вновь – и теперь атомы света были официально наречены фотонами. Привычка Ньютона не выводить из игры множество возможных альтернатив и при этом не отдавать исключительное предпочтение какой-либо одной гипотезе стала провозвестием современного принципа дополнительности.

Выгода от анализа

Для своего фундаментального понимания природы цвета Ньютон нашел отличное практическое применение – он усовершенствовал конструкцию телескопа. До него во всех телескопах использовали пару линз, обычно размещавшихся на противоположных концах длинной трубы. Принцип их действия был таков: свет, исходящий от удаленных объектов, вначале собирался, а затем фокусировался, чтобы создать увеличенные изображения этих объектов. Поскольку лучи разных цветов проходят сквозь линзы по различным траекториям, не все лучи различного цвета получалось точно сфокусировать одновременно, и изображение в телескопе выходило размытым. Эта проблема называется хроматической аберрацией. Ньютон предложил вместо линзы использовать для сбора лучей света вогнутое зеркало и создал телескопы, в которых реализовал эту идею. Его отражающие телескопы (рефлекторы) уменьшали хроматическую аберрацию, а также были проще в изготовлении[26]. По сути, все современные телескопы являются рефлекторами.