Идеи Ньютона о свете во многом связаны с его идеями о поведении твердых объектов и орбитах планет. Он осознал, что наше повседневное восприятие поведения объектов может быть ошибочным и что объект, или частица, которая свободна от каких-либо внешних воздействий, должна вести себя совершенно иначе, нежели такая же частица, находящаяся на поверхности земли. Так, наш повседневный опыт указывает, что вещи склонны оставаться на одном месте, пока их не толкнешь, а если перестать их толкать, они перестанут двигаться. Тогда почему же тела вроде планет или Луны не останавливаются, двигаясь по орбитам? Что-то подталкивает их? Вовсе нет. Планеты находятся в естественном состоянии, свободные от внешнего воздействия, а взаимодействие происходит с телами на поверхности земли. Если я попробую заставить ручку скользить по столу, моему подталкиванию будет противодействовать сила трения ручки о стол, и именно она заставит ручку остановиться, когда я перестану толкать ее. В этом состоит первый закон Ньютона – каждое тело остается в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью, пока на него не окажет воздействия внешняя сила. Второй закон показывает, насколько велико воздействие силы – подталкивания – на тело. Такая сила изменяет скорость тела, а изменение скорости называется ускорением. Если разделить силу, воздействующую на тело, на его массу, то в результате получится ускорение, придаваемое телу этой силой. Обычно этот второй закон описывают немного по-другому: сила равна массе, умноженной на ускорение. А третий закон Ньютона показывает, как тело реагирует на внешнее воздействие: на каждое действие существует равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Если ударить ракеткой по теннисному мячу, то сила воздействия ракетки на теннисный мяч будет в точности равна силе, действующей обратно на ракетку. На ручку, которая лежит на столе, действует сила гравитации, притягивающая ее вниз, но в то же время стол оказывает на нее равное воздействие в противоположном направлении. Сила взрыва, которая выталкивает газы из камеры сгорания ракеты, создает равную и противоположную по направлению силу противодействия, действующую на саму ракету и толкающую ее в противоположном направлении.

Вместе с законом гравитации Ньютона эти законы объяснили вращение планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли. Когда было должным образом учтено трение, они также объяснили поведение тел на поверхности Земли и заложили основы механики. Но они имели и глубокое философское значение. Согласно законам Ньютона поведение частицы может быть в точности предсказано на основании ее взаимодействия с другими частицами и силами, воздействующими на нее. Если бы была возможность узнать положение и скорость каждой частицы во Вселенной, то стало бы возможным с огромной точностью предсказывать будущее каждой частицы, а следовательно, и будущее Вселенной. Означало ли бы это, что Вселенная работает подобно механизму, сконструированному и запущенному Творцом по какому-то абсолютно предсказуемому пути? Классическая механика Ньютона дала серьезную поддержку такому детерминистскому взгляду на природу Вселенной, сформировав картину, где мало места осталось для случайности или свободной воли человека. Неужели мы все просто марионетки, которые движутся по жизни по заранее установленным направлениям, не имея никакого настоящего выбора? Большинство ученых не возражало отдать этот вопрос на откуп философам. Но с полной силой он вернулся в сердце новой физики двадцатого столетия.

Добившись такого успеха в физике частиц, Ньютон, что неудивительно, попытался с помощью частиц объяснить и поведение света. Что ни говори, лучи света с позиции наблюдателя распространяются по прямой, а свет отражается от зеркала очень схожим образом с тем, как мяч отскакивает от твердой стены. Ньютон сконструировал первый зеркальный телескоп, определил белый цвет как наложение всех цветов радуги и сделал многое другое в сфере оптики, но его теории всегда покоились на предположении, что свет представляет собой поток крошечных частиц, которые он называл корпускулами. Лучи света преломляются, проходя границу раздела двух сред, например воздуха и воды или стекла (именно поэтому соломинка в стакане джин-тоника кажется надломленной), и это преломление в точности объясняется корпускулярной теорией, которая предполагает, что корпускулы движутся быстрее в оптически более «плотной» среде. Однако даже во времена Ньютона существовало альтернативное объяснение всего этого.

Рис. 1.1. Параллельно идущие волны воды проходят сквозь маленькое отверстие в препятствии и расходятся кругами от него, не оставляя «тени».

Голландский физик Христиан Гюйгенс родился в 1629 году, на тринадцать лет раньше Ньютона, и был его современником. Он развил идею о том, что свет является не потоком частиц, а волной и распространяется подобно волнам на поверхности моря или озера, однако по невидимой среде, называемой «светоносным эфиром». Как и рябь, создаваемая камнем, брошенным в пруд, световые волны в эфире, по представлениям Гюйгенса, должны распространяться во все стороны от источника. Волновая теория, как и корпускулярная, объясняла отражение и преломление. Однако она утверждала, что волны света должны не ускоряться, а, напротив, замедляться в оптически более плотной среде. Поскольку в XVII веке не существовало способа измерить скорость света, это различие не могло разрешить конфликт между двумя теориями. Однако в одном ключевом аспекте эти два представления давали различие в наблюдениях. Когда свет проходит мимо острого края, он оставляет после себя тень, также имеющую острый край. Именно так должны вести себя потоки частиц, движущихся по прямым линиям. Волна склонна огибать препятствия, или дифрагировать, немного заходя внутрь тени (представьте себе рябь на пруду, огибающую скалу). Триста лет назад это стало наглядным доказательством в пользу корпускулярной теории, а волновая теория хоть и не была забыта, но оказалась отвергнутой. Однако к началу девятнадцатого века статусы двух теорий практически поменялись местами.

Рис. 1.2. Круговые возмущения, подобные тем, что создает камень, брошенный в пруд, распространяются подобно круговым волнам с центром в точке, где они проходят через узкое отверстие (и, разумеется, волны, наталкивающиеся на препятствие, отражаются обратно).

В XVIII веке очень немногие воспринимали волновую теорию света всерьез. Одним из тех, кто не только принимал ее всерьез, но и писал работы в ее поддержку, был швейцарец Леонард Эйлер – ведущий математик своего времени, внесший значительный вклад в развитие геометрии, математического анализа и тригонометрии. Современная математика и физика записываются на языке арифметики при помощи уравнений. Методы, на которых в значительной степени основывается это арифметическое описание, были развиты Эйлером, и в процессе работы над ними он ввел несколько удобных способов записи, дошедших и до наших дней, – число «пи» для отношения длины окружности к ее диаметру, символ для квадратного корня из минус единицы (мы встретимся с ним, как и с числом «пи», чуть позже), а также символы, используемые математиками для обозначения операции интегрирования. Забавно, но статья об Эйлере в Британской энциклопедии не упоминает о его взглядах на волновую теорию света, которых, по словам современников, не придерживался «ни один великий физик» [1] . Единственным значительным современником Эйлера, который разделял эти взгляды, был Бенджамин Франклин. Однако физикам удавалось легко игнорировать их, пока в начале девятнадцатого столетия англичанином Томасом Юнгом, а чуть позже французом Огюстеном Френелем не были проведены новые важные эксперименты.

Юнг использовал знание того, как волны движутся по поверхности пруда, чтобы разработать эксперимент, позволяющий проверить, ведет ли свет себя таким же образом. Мы все знаем, как выглядит волна воды, однако важно представить себе именно рябь, а не большую волну, чтобы аналогия была верной. Отличительной особенностью волны является то, что она слегка поднимает уровень воды, а затем, уходя, опускает. Высота гребня волны над уровнем невозмущенной водной поверхности является ее амплитудой, и для идеальной волны она равна высоте, на которую уровень воды снижается, когда волна отходит. Волны, идущие друг за другом, подобно тем, что отходят от камня, брошенного в пруд, имеют одинаковые промежутки, называемые длиной волны, которая измеряется как расстояние от одного гребня до другого. От места, в котором камень попал вводу, волны начинают распространяться кругами, тогда как волны на море или рябь от ветра на озере могут двигаться последовательными прямыми линиями, параллельными волнами, одна задругой.

Рис. 1.3. Способность волн огибать углы также означает, что они могут быстро заполнять тень позади препятствия, если только препятствие по размерам значительно не превышает длину волны.

Иными словами, число гребней, проходящих через некоторую фиксированную точку (вроде скалы) в секунду, показывает нам частоту волны. Частота – это число длин волн, проходящих каждую секунду, соответственно, скорость волны, то есть скорость движения каждого гребня, – это произведение длины волны и ее частоты.

Рис. 1.4. Способность света дифрагировать на углах и маленьких отверстиях может быть проверена при помощи одиночной прорези для образования круговой волны и двух прорезей для возникновения интерференции.

Краеугольный эксперимент начинается с параллельно идущих волн, сходных с полосами волн, набегающих на пляж до того, как они обрушиваются. Вы можете представить себе эти волны, вообразив, что они исходят от очень большого объекта, упавшего в воду очень далеко от берега. «Рябь», распространяющаяся расширяющимися кругами, кажется параллельными, или плоскими, волнами, если находиться достаточно далеко от источника волн, поскольку трудно определить кривизну очень большого круга с центром в месте источника возмущений. Легко проверить, что происходит с такими волнами в емкости с водой, когда на их пути помещено препятствие. Если препятствие маленькое, то волны огибают его и оказываются позади из-за дифракции, оставляя очень маленькую «тень». Однако если преграда велика в сравнении с длиной волн, то они лишь слегка огибают ее, оставляя зону невозмущенной воды. Если свет – это волна, то появление теней с резкими углами все же возможно, при условии, что длина волны света гораздо меньше, чем размер объекта, отбрасывающего тень.