Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

«Волны на поверхности стоячей воды, проходя вокруг широкого препятствия, задерживающего часть волн, после этого загибаются и постоянно расширяются в покоящуюся воду за препятствием. Волны, пульсации или колебания воздуха, из каковых состоит звук, ясно загибаются, хоть и не так сильно, как водяные волны. Ибо колокол или пушку можно слышать за холмом, загораживающим вид звучащего тела, и звук распространяется так же легко по извилистым трубкам, как по прямым. Относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутри тени. Ибо при прохождении одной из планет между Землей и неподвижными звездами последние перестают быть видимыми…»79

Несмотря на авторитет Ньютона, Юнга захватила идея о том, что звук и свет все-таки являются сходными феноменами. А так как медицинская практика отнимала у него не так уж много времени и энергии и особого пристрастия не вызывала, он смог полностью отдаться научным изысканиям в этой области. Юнг регулярно посещал заседания незадолго до того образованного Королевского института, основной целью которого было распространение «полезных новшеств в механике» и «обучение применению науки с пользой для жизни». В 1801 году он был избран профессором этого престижного учреждения, и одной из главных его обязанностей была подготовка и чтение серии лекций по «естественной философии и механическим искусствам».

Упомянутые лекции демонстрируют определенные способности Юнга не только к экспериментальной науке, но и к преподавательской деятельности. Кроме того, это настоящая золотая жила для современных историков науки, так как в них кратко, но с удивительной тщательностью и точностью обобщается практически весь спектр научных знаний того времени. Трудно даже представить область знания, о которой Юнг не имел бы вполне профессионального представления. Кроме этого, он использовал свои лекции для обсуждения некоторых фундаментальных концепций. На одной из них присутствующие услышали термин «энергия», который был тогда впервые употреблен в его современном научном смысле. В то же время лекции подчас превращались в настоящее испытание для слушателей, так как лаконичный и несколько монотонный стиль изложения Юнга в сочетании с широчайшим диапазоном затрагиваемых тем превращал их в сложное и изматывающее интеллектуальное упражнение. Через два года Юнг отказался от почетного титула профессора Королевского института, и более подходящее применение для его талантов нашло в 1802 году Лондонское королевское общество, назначившее Юнга секретарем по внешним связям. Огромную пользу на этом посту Юнгу приносило владение множеством иностранных языков, и ученый занимал его до конца жизни.

За год до вступления в члены Королевского института, в 1800 году, Юнг опубликовал свою первую крупную работу, где рассматривалась аналогия между звуком и светом: «Опыты и проблемы по звуку и свету»80. Еще несколько лет ушло на разработку эксперимента, который войдет в историю под именем ученого и подтвердит упомянутую аналогию. Однако трактат 1800 года стал значительной вехой в истории науки, поскольку содержал первое объяснение явления интерференции, на котором будет основан знаменитый эксперимент Юнга. Объяснение состояло в том, что при встрече двух волн результирующее движение соединяет в себе характеристики движения каждой волны в отдельности. «Интерференция» – не вполне удачный термин для этого явления, так как он предполагает нечто незаконное, агрессивное, в общем, негативное, на самом же деле происходит просто соединение двух сущностей, которые в результате порождают новую сущность. Возможно, чувствуя это несоответствие, Юнг часто употреблял более элегантный термин – «коалесценция».

Ньютон отчасти предугадал феномен интерференции, объясняя причины приливов в заливе Бакбо (Вьетнам), на берегу которого стоит крупный портовый город Хайфон. Британские купцы XVII столетия, пытавшиеся наладить торговлю с Вьетнамом, знали, что прибрежные воды залива отличаются необычным поведением. В 1684 году один английский путешественник опубликовал в Philosophical Transactions письмо об особенностях прилива в этих местах. Раз в две недели наступал день, когда ни прилива, ни отлива не было и вода стабилизировалась на одном уровне. Затем в течение семи дней наблюдался только прилив, который медленно достигал своего пика к концу недели. В течение следующей недели имел место столь же медленный непрерывный отлив.

Это странное явление вызывало интерес у многих ученых, и Ньютон предложил объяснение происходящему в своем научном шедевре «Математические начала натуральной философии» (1688). Океанские приливные волны, по его мнению, входили в залив с двух различных направлений – из Южно-Китайского моря и с юга, со стороны Индийского океана, – двумя путями различной длины, из-за чего одной приливной волне требовалось шесть часов, чтобы достичь берега, а другой – двенадцать. В результате одна приливная волна часто компенсировала отлив на другом направлении, и это приводило к исчезновению одного прилива, а дважды в течение лунного месяца – к исчезновению как прилива, так и отлива (уровень воды тогда оставался неизменным)81. И хотя данное явление в настоящее время рассматривается как частный пример волновой интерференции, Ньютон не стал распространять обобщение на все волновые явления в принципе, считая приливы Бакбо исключительным явлением, характерным для одного конкретного места.

В своем трактате 1800 года Юнг рассматривает интерференцию только применительно к звуковым волнам, не перенося свои выводы на свет, несмотря на то, что основная часть исследования посвящена именно свету. Главным достижением Юнга стало установление существования самого явления интерференции, осознание его фундаментальной роли в волновом движении и понимание того, что оно имеет место повсюду, где сталкиваются различные волны. Однако из описания, которое Юнг приводит в своей работе, невозможно понять ни всю степень оригинальности открытия, ни даже роль самого ученого. Юнг как будто вовсе не стремится привлечь внимание читателя к своему открытию и просто пишет о том, что при пересечении звуковых волн каждая частица той среды, через которую они проходят – например, молекулы воды или воздуха, – принимает участие в движении обеих волн. Юнг не высказывает никаких притязаний на научный приоритет в обнаружении этого явления, словно оно давно уже всем известно и всеми хорошо понимается. Он скромно, как бы между прочим, упоминает о нем, просто исправляя ошибочное мнение одного коллеги82.

В следующем году Юнг распространил объяснение явления интерференции на волны на поверхности воды и света. Позднее он писал:

«В мае 1801 года, размышляя над прекрасными экспериментами Ньютона, я обнаружил закон, который, как представляется, способен пролить свет на гораздо большее число интересных феноменов, нежели любой другой оптический принцип, известный доселе.

Я попытаюсь объяснить данный закон с помощью сравнения. Предположим, что некоторое количество одинаковых волн проходит по поверхности стоячего озера с определенной постоянной скоростью и входит в узкий канал, ведущий из озера. Предположим, что какая-то сходная причина вызывает еще одну подобную серию волн, которые попадают в тот же канал с той же скоростью и в то же самое время, что и первые. Ни одни из этих волн не уничтожат другие, но, напротив, их воздействия объединятся. Если, к примеру, они войдут в канал в тот момент, когда максимальный подъем одной серии волн совпадет с максимальным подъемом другой, они вместе вызовут последовательность еще больших объединенных максимумов. Но если подъем в одной серии волн совпадет со спадом в другой, то подъем скомпенсирует упомянутый спад и поверхность воды останется ровной. По крайней мере, мне не удалось отыскать никакого альтернативного объяснения ни на основе теоретических изысканий, ни с помощью эксперимента.

В настоящее время я склонен полагать, что подобный эффект имеет место всякий раз, когда таким образом смешиваются две порции света, и это я называю общим законом интерференции света»83.

При интерференции волн на поверхности воды гребни различных волн могут накладываться друг на друга, приводя к еще большему подъему воды, в то время как при «гасящей» интерференции, то есть при совпадении гребня одной волны и долины другой водная поверхность остается неизменной. Нечто подобное происходит и в случае со светом, если считать, что его сила связана с амплитудой колебаний в какой-то волне. В тех случаях, когда фазы колебаний накладывающихся световых волн совпадают, волны усиливают друг друга и возникают участки большей освещенности. В тех же случаях, когда гребень одной волны приходится на долину другой, они гасят друг друга и возникают темные участки.