Такой характеристикой (человеком, одаренном способностью удивляться) снабдил известный французский физик Франсуа Араго своего английского коллегу Томаса Юнга (1773—1829). В книге «Биография знаменитых астрономов, физиков и геометров» Араго пишет о Юнге: «…он сделался истинно живою энциклопедией: Юнг был глубокий геометр, физик, астроном, медик, толкователь иероглифов, ученый знаток живописи, музыкант, танцор и искуснейший вольтижер». Это перечисление само по себе достойно того, чтобы читатель, заинтересовавшись, нашел и прочитал биографию человека, выбравшего себе правилом жизни девиз: «Каждый может делать то, что делают другие» — и всей своей жизнью доказавшего справедливость этого утверждения.
Схема прохождения лучей через стенку мыльного пузыря
Поводом к одному из открытий Юнга в оптике явились мыльные пузыри. Детская игрушка? Да! Но именно здесь нужно было обладать способностью удивляться кстати.
Почему тонкие стенки мыльных пузырей переливаются всеми цветами радуги? Этот вопрос занимал уже Бойля, составившего описание тех обстоятельств, при которых мыльные пузыри расцветают всеми цветами радуги.
Его помощник по части постановки опытов Роберт Гук приписал причину возникновения окраски взаимному наложению волн, отражающихся от двух поверхностей тонкой пластинки. Это было гениальным предположением. Но, к сожалению, оно не было развито. Да и взгляд на свет как на поток волн был на родине и во времена Ньютона крайне непопулярен. Лишь Гук, постоянно враждовавший с Ньютоном, мог позволить себе придерживаться точки зрения Гюйгенса, хотя бы в силу противоречия.
Цветами тонких пленок занимался и сам Ньютон, посвятивший этому явлению целую книгу своей «Оптики». Но из-за корпускулярной теории света, лежащей в основе его рассуждений, выводы оказались неудовлетворительными.
Юнг обнаружил, что два луча света, попадая в одну и ту же точку после прохождения пути разной длины, могут ослабить и даже потушить друг друга. Но это явление можно было объяснить только в том случае, если считать свет волной…
Посмотрите на рисунок. Мы показали на нем схему прохождения лучей через тонкую стенку мыльного пузыря. Отраженный от внутренней стенки луч-волна попадает своей впадиной туда, куда прямой луч приходит горбом. В результате впадина и горб взаимно уничтожаются…
Поскольку белый свет состоит из смеси цветных лучей, каждый из которых должен иметь свою длину волны, то в зависимости от толщины стенки мыльного пузыря одни лучи гасятся или ослабляются, а другие, наоборот, усиливаются. И мы видим переливающиеся радужные пятна и полоски.
Явление наложения двух лучей света друг на друга и их соответствующее усиление или ослабление было названо Юнгом интерференцией.
Впрочем, замечательное открытие принесло автору немало горя. Поклонники Ньютона не могли простить дерзости человеку, выступившему с опровержением взглядов своего кумира. Завязалась длинная полемика, жестоко оскорблявшая Юнга.
В результате всех споров решительная победа корпускулярной теории казалась совсем близкой. Оставалось объяснить совсем немного явлений, которые трудно было понять, если представлять себе свет в виде потока материальных частиц.
Одним из таких явлений была дифракция, то есть некоторое огибание лучами света стоящего перед ними препятствия. Это уже давно заметили наблюдатели по образованию полутеней.
Вообще дифракцией называются любые отклонения движения волн от законов геометрической оптики — например, огибание лучами света краев предметов. Вы, наверное, не раз видели луну, окруженную светлым кольцом? Такой венец — тоже результат дифракции и интерференции (наложения волн друг на друга). Лунный свет проходит через атмосферу, содержащую множество кристалликов льда или капелек воды, и отклоняется от своего первоначального направления.
В 1815 году во французскую Академию пришло письмо с изложением объяснения явления дифракции, но не с позиций корпускулярной теории, а с позиций волн. Затем последовало несколько дополнений к представленному мемуару.
В конце концов академики оказались перед необходимостью рассматривать полную работу о дифракции, подписанную неизвестным инженером в отставке Огюстом Френелем (1788—1827).
Разбор работы был поручен Араго и Пуансо — двум известным французским физикам.
Схема опыта Араго: а — источник света; б — экран; в — плоскость; г — тень со светлым пятном
Араго сразу же обратил внимание на сходство мыслей автора французской работы с работами англичанина Юнга. Но Френель шел дальше Юнга, развивал теорию глубже, и в его работе картина явления выглядела значительно полнее.
Но и во французской Академии сторонников корпускулярной теории оказалось больше. И работа Френеля подверглась жестокой критике. Правда, математический аппарат самозванного оптика безукоризнен, но… Один из академиков — известный всем отличный математик Пуассон, с пристрастием проверявший присланный мемуар, обнаружил вдруг в выводах Френеля вопиющую нелепость.
Если верить Френелю, то стоит в потоке света поместить небольшую круглую мишень, как при некоторых условиях лучи света ее обогнут и в центре тени за нею зажгут световой зайчик… Но это же невозможно! И Пуассон спешит поделиться своим возмущением с коллегами. Все ему сочувствуют. Все рады. Все бранят малограмотного инженера, вздумавшего опровергать гипотезу самого Ньютона!
А через несколько дней другой академик — Араго, поставив опыт, обнаружил, что неизвестный инженер Френель был прав!.. За круглой маленькой мишенью в потоке света тень кажется продырявленной светлым пятном…
Опыт был настолько убедительным, что окончательно подрывал корпускулярную теорию.
В 1816 году, находясь в Англии, Араго завел разговор об открытии Френеля с Юнгом. Не говоря ни слова, супруга английского физика принесла толстый том сочинений своего мужа, изданных девять лет назад, и там на 787 странице показала описание и рисунок френелевского опыта, еще тогда обдуманного и изложенного Томасом Юнгом.
Победа волновой теории потребовала среды, в которой могли бы распространяться световые волны. По общему мнению, ею был эфир. Но что он собой представлял?..