Сам Эйнштейн не придавал трагического значения этому противоречию. Наоборот, он считал его естественным, отражающим сложный, многогранный (мы сказали бы – диалектический) характер природы света. Он считал, что в этом проявляется реальная двойственная сущность света и что это лежит в природе вещей. А постоянная Планка играет существенную роль в объединении волновой и квантовой картины. Она иллюстрирует собой союз волн и частиц.
Как мы увидим позже, распространив эти идеи Эйнштейна на микрочастицы, французский физик Луи де Бройль заложит основы волновой механики – одного из краеугольных камней фундамента современной квантовой физики.
При создании теории фотоэффекта и гипотезы световых квантов проявилась особенность гения Эйнштейна – вместо введения частных гипотез, отвечающих на конкретные вопросы, давать революционные решения, одновременно проясняющие множество сложных и разнообразных проблем.
Эта черта во всем блеске проявилась в основном деле жизни Эйнштейна – в создании теории относительности, приведшей к революции в современной науке.
Великий путаник эфир
Рождение нового мировоззрения происходило под грохот рушившегося здания классической физики. В цемент, скреплявший фундамент этого величественного сооружения, наряду с законами Ньютона входила волновая теория света. Она была создана Гюйгенсом, старшим современником Ньютона, и, по существу, исходила из глубокой аналогии света со звуковыми волнами. Она служила людям два века, и почти никто не замечал ее изъянов.
...Вынужденный уединиться в деревне после «чистки» 1815 года, проведенной наполеоновским правительством Ста дней, инженер Службы мостов и дорог, раньше и не думавший заниматься физикой, Френель на досуге много и глубоко размышлял о тайнах света. Но он не имел достаточно денег на ценное оборудование, и ему приходилось обходиться для опытов примитивными средствами. Самый простой эксперимент отнимал у него массу времени, его нужно было повторять вновь и вновь, чтобы убедиться в его безупречности, проанализировать результаты с помощью новейших средств современной ему математики.
И вот, проведя серию экспериментов со светом, Френель понял, что, исходя из буквальной аналогии света со звуком, невозможно объяснить ряд наблюдаемых явлений. Он вынужден был предположить, что свет – это не продольные колебания, подобные звуку в воздухе, как считал Гюйгенс, а поперечные колебания и переносить их в мировом пространстве может только особая среда со свойствами твердого тела.
Так в науку с легкой руки Френеля надолго вошел эфир, удивительное вещество, поперечные колебания которого и есть свет. Предполагалось, что эфир заполняет все мировое пространство, проникая во все прозрачные тела, которые сами по себе не участвуют в передаче света.
Довольны ли были ученые таким выходом из положения? Как видно, да. Во всяком случае, после недолгого ворчания они признали незаконнорожденное дитя путейского инженера. Эфир надолго пережил своего родителя. Френель, сломленный туберкулезом, умер в тридцатидевятилетнем возрасте в полной уверенности, что эфир существует.
Могли ли физики, нежданно-негаданно обретя эфир, продолжать проводить аналогию между световыми и звуковыми волнами? Оказывается, могли. Надо было только заставить себя поверить в удивительное. Нужно было признать, что эфир прозрачен, как воздух, но тверд... как камень. Впрочем, что там камень! По предположениям, эфир был тверже стали.
Правда, частицы твердого тела, связанные силами упругости, могут колебаться не только поперек направления распространения звука, но и вдоль этого направления, Поэтому в твердых телах существуют два типа звуковых волн – поперечные и продольные. Но Френель предположил, что световые волны аналогичны только поперечным волнам в твердых телах. Продольные же он оставил без внимания.
Усовершенствованная таким образом волновая теория света прекрасно объясняла все известные науке того времени факты, часть из которых противоречила продольным волнам сжатия и разрежения, с которыми оперировала волновая теория Гюйгенса.
Правда, новая теория света содержала некоторые трудности. Во-первых, никто не мог обнаружить в эфире продольных волн. И нужно было принять на веру, что такие волны в нем вообще не существуют. А если и существуют, то не взаимодействуют с обычными телами и поэтому не могут наблюдаться. Во-вторых, большая скорость света заставляла считать эфир чрезвычайно упругим. Ведь его частицы должны были дрожать в такт со световой волной с необыкновенной быстротой. Это и заставило физиков считать эфир чуть ли не в сто тысяч раз более упругим, чем сталь. Но при этом эфир должен был обладать бестелесностью привидения – сквозь него можно было беспрепятственно проходить. Он никак не препятствовал движению звезд и планет в мировом пространстве и движению обычных тел, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни.
Были в новой теории света и другие трудности: нужно было специально объяснять, что происходит с эфиром на границе двух прозрачных тел с различными показателями преломления. Например, на стеклянной стенке аквариума, отделяющей воду от воздуха. Ведь скорость света в воздухе, стекле и воде различна. Значит, прозрачные вещества как-то взаимодействуют с эфиром, изменяя своим присутствием его огромную упругость. Иначе нельзя объяснить различные скорости света во всевозможных прозрачных средах. Нужно было объяснять, как непрозрачные тела задерживают световые волны. Удивительным было и то, что, выполняя роль переносчика световых волн, эфир никак не проявлял своего присутствия ни в каких опытах. Он был неуловим, напоминая этим теплород – другую невесомую субстанцию, долго признававшуюся учеными, царившую в теории теплоты и изгнанную из нее прогрессом науки.
Все это принудило ученых признать эфир исключительной средой, обладающей крайне противоречивыми свойствами.
Волновая теория, доведенная таким образом до совершенства и воплощенная в изящные математические формулы Френелем, объясняла все известные науке того времени оптические явления. Она предсказывала и новые явления, казавшиеся невероятными и невозможными. Противники Френеля указывали, что на основе его теории можно было бы осуществить такой невероятный опыт: пропустив свет от свечи через отверстие в непрозрачной перегородке и, двигая позади нее экран, можно было бы увидеть, как центр экрана поочередно освещается и затемняется по мере его удаления от отверстия. Это противоречило всему многовековому опыту человечества. Всякий разумный человек сочтет такое предсказание безумным. Что может затенить свет позади отверстия? Этот результат теории Френеля выдвигался в качестве решающего аргумента против волновой природы света. Но французский ученый Араго проделал такой опыт, и каждый, кто хотел, мог увидеть, как на экране, передвигающемся вдоль оси его установки, свет чередуется с темнотой! Сообщение, сделанное им во Французской академии наук, потрясло ее членов. Это был триумф волновой теории Френеля.
Шаг к абстракции
Эта тишь и гладь были нарушены взрывом максвелловского гения.
После долгой и кропотливой работы в период 1860...1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы были объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.
Он свел все известное людям об электричестве и магнетизме к четырем удивительно простым уравнениям. Именно эти уравнения сообщили, что свет – это просто электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Причем из уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учеными как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.
Можно представить, какую смуту посеяла эта концепция. Еретическая сущность ее заключалась прежде всего в том, что она вопреки многовековым традициям и идеалам не покоилась на механических движениях и силах. Переменные величины, изображавшие в математическом аппарате Максвелла электромагнитные поля, по существу, не могли быть представлены какими-либо обычными моделями и поэтому казались современникам крайне абстрактными понятиями. Ведь конкретным и реальным еще со времен Декарта считалось только то, что можно изобразить «посредством фигур и движений».
Большие трудности понимания сущности уравнений и всей теории Максвелла коренились в том, что входящая в них напряженность электрического и магнитного полей не поддавалась непосредственному восприятию. Их можно было изобразить на бумаге в виде стрелочек-векторов, направленных под углом друг к другу, но представить себе их физический смысл в то время казалось невозможным. Эти величины не имели ни очертаний, ни формы, ни веса, их нельзя было сравнить ни с чем известным в повседневной жизни. Конечно, и тогда существовали приборы, реагировавшие на силы, вызываемые электромагнитными полями. Можно было безошибочно сказать, что напряженность одного поля больше или меньше другого. Но сами напряженности были столь странной величиной, что представить их себе зримо было трудно.
Известные физикам законы природы хорошо объясняли движение материальных частиц, потоков жидкостей, упругих твердых тел. Но, описывая электромагнитные поля. Максвелл предлагал в качестве иллюстрации символ, математическую абстракцию! По тем временам – почти нелепость! Как могли воспринять такую абстракцию ученые, воспитанные в духе классических представлений, привыкшие все на свете изображать с помощью наглядных механических моделей? Как могли они поверить в какой-то мир электромагнитных полей, который существует сам по себе и не нуждается ни в каких дополнительных иллюстрациях?
Мало кто из физиков хотел ломать себе голову над этой безумной теорией.
Поэтому-то и через двадцать лет после создания новой теории в ее смысл проникли лишь несколько физиков. Остальным она оставалась чуждой. И причина была та же: никто не мог понять и прочувствовать какое-нибудь явление иначе, как в виде конкретной механической модели. Сам Максвелл был изобретательным творцом моделей электромагнитного поля. В одной из таких моделей шестиугольные «молекулярные вихри» приводятся в движение «направляющими колесиками». Это показывает, что он сам еще долго не понимал, что создал новую науку, которая не нуждается в опоре на динамику Ньютона, а входящие в нее величины являются столь же фундаментальными, как силы и движения. Действительно, через семь лет после создания теории Максвелл писал: «Я приложу все усилия к тому, чтобы представить как можно яснее соотношение между математической формой этой теории и математической формой фундаментальной науки о динамике для того, чтобы мы могли в какой-то мере подготовиться к выбору тех динамических моделей, среди которых мы будем искать иллюстрации или объяснения явлений электромагнитных».
То, что сам Максвелл не сумел вырваться из пут механических моделей, пожалуй, самое курьезное во всей этой истории. Не будучи в силах отрешиться от желания иметь наглядную модель, он нашел ее в упругих силовых трубках Фарадея, преобразовав их в наглядные картины силовых линий электромагнитных полей, верно служащих нам и поныне.
Теперь наши приборы позволяют измерять реальные величины – поля, входящие в уравнения Максвелла. Все это вместе с многолетней тренировкой, через которую прошли не только поколения ученых, но и поколения школьников, сделало для нас уравнения Максвелла не менее понятными, чем уравнения механики. И нам зачастую трудно понять, какого напряжения мысли требовало освоение этих уравнений менее чем сто лет назад.
Да и полвека назад никто не представлял себе электромагнитные поля иначе, чем натяжениями и волнами эфира.
Впрочем, по признанию одного из крупнейших физиков нашего времени, даже «современные представления не могут служить основой для понимания этих электромагнитных колебаний, которые «не сводятся к классическому и наглядному представлению о колебаниях материального тела; висящие в пустоте, если можно так сказать, они выглядят для непосвященных (а может быть, даже и для физиков) чем-то довольно таинственным».
Что же требовать от современников Максвелла! Несмотря на свои невероятные свойства, эфир прочно утвердился в их сердцах, ибо люди, сформировавшие свои взгляды под влиянием ньютоновской физики, идеалом которой было сведение всех явлений к механическим, не могли отказаться от эфира как переносчика световых волн. Не могли поверить в самостоятельную сущность света и других еще неведомых электромагнитных волн.
Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.
Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного – в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам.
Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.
Но, несмотря на то, что через 12 лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно продолжали пытаться подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Одни считали электромагнитные поля Максвелла особыми натяжениями эфира, так же как ранее принимали свет за поперечные волны в эфире.
Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя его в разряд непознаваемых невесомых субстанций.
Первая влюбленность
В это переломное время в науку вошел провинциальный юноша Генрих Антон Лорентц. Он уже год как считался студентом Лейденского университета и даже получил в 1871 году (в 18 лет – небывалый случай!) диплом кандидата наук с отличием. Он познакомился с теорией Максвелла случайно, обнаружив в библиотеке физической лаборатории университета нераспечатанные конверты со статьями Максвелла.
Эти работы в Лейдене почти никто не читал, так как в них развивались новые, непривычные идеи, изложенные при помощи сложных математических выкладок. Большинству лейденских физиков они были не по зубам. Но юному студенту они показались откровением. Он навсегда подпал под влияние идей великого английского ученого.
Трудно сказать, чего больше в этой главе истории науки: элементов романтики или драмы.
...Лорентц приступает к написанию докторской диссертации, где решает задачу об отражении и преломлении света согласно электромагнитной теории. В этой диссертации двадцатидвухлетний Лорентц с легкостью показывает, как просто решаются теорией Максвелла все загадки отражения и преломления света. Загадки, для разрешения которых в механической теории эфира приходилось наряду со световыми волнами вводить ненаблюдаемые продольные волны эфира. Теория Максвелла не нуждалась в призрачных продольных волнах.
Впоследствии Лорентц, верный своей первой влюбленности, существенно развил теорию Максвелла, введя в нее наряду с электромагнитными полями атомы электрического заряда – электроны. Так в теорию Максвелла были введены элементы атомистики.
Согласно новой теории в безбрежный океан электромагнитных полей вкраплены заряды, сочетания которых образуют все существующие тела. Электромагнитные поля – эти натяжения эфира – проникают всюду, и для них остаются справедливыми уравнения Максвелла. Взаимодействия этих полей и зарядов образуют все многообразие мира. Это был большой шаг вперед, но вместе с тем и своеобразное возвращение к старому. Вот что писал об этом в 1895 году сам Лорентц: «В предполагаемой мною гипотезе имеется в некотором смысле возврат к старой теории электричества».
Но иначе Лорентц поступить не мог. Он верил, что электромагнитные волны – это особые натяжения эфира, и должен был объяснить, как они возникают. И он представил себе, что волны эфира взаимодействуют с электронами, входящими в состав материальных тел. При этом электромагнитные волны вызывают движения электронов, а движения электронов, в свою очередь, вызывают электромагнитные волны. Таким образом, электронная теория Лорентца, продвигаясь вперед, исходила из представлений, которые сам Максвелл отбросил. Зато она позволила вычислить показатели преломления прозрачных тел и многие другие величины, которые теория Максвелла не могла рассчитать и поэтому просто принимала в качестве характеристик вещества, определяемых из опыта.
При помощи своей теории Лорентц смог сделать ряд тонких предположений. Он предсказал своеобразное расщепление спектральных линий излучения атомов под действием магнитного поля. Это явление вскоре обнаружил соотечественник и друг Лорентца Зееман. Лорентц смог непринужденно объяснить замечательный опыт Физо, открывшего в 1857 году, что текущая вода увлекает за собой свет. Скорость света в текущей воде была больше, чем его скорость в неподвижной воде. Так получалось, если свет шел вдоль течения. А его скорость против течения оказывалась меньшей. Это выглядело непостижимым, пока Лорентц не объяснил странное явление влиянием электронов, находящихся в текущей воде.
Казалось бы, кризис, возникший на почве понимания сущности электромагнитных волн, миновал. Но...
Хвосты в эфире
Электромагнитная теория и ее улучшенный вариант – электронная теория одерживали одну победу за другой. С их помощью удалось объяснить все известные в то время явления. На их основе бурно развивалась электротехника. Более того, теория предсказывала еще неизвестные явления, и эти предсказания блестяще сбывались.
Однако существовало одно очевидное следствие, проверка которого требовала чрезвычайно точных измерений. Тогда его называли эфирным ветром.