ДИАЛЕКТИКА СВЕТОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

 

 

«Раздвоение единого и познание противоречивых частей его… есть суть... диалектики... Правильность этой стороны содержания диалектики должна быть проверена историей науки» [1].

В. И. Ленин. Философские тетради, 1947, стр. 327.

 

 

Исторически установленные стадии развития учения о свете простираются на громадный промежуток времени и заслуживают внимательного и подробного изучения. Эта глава истории науки, несомненно, должна привести к обоснованным общим выводам, имеющим значение для понимания структуры и процесса развития науки в целом. Насколько можно усмотреть даже из поверхностного анализа истории и содержания оптики, здесь исключительно рельефна диалектическая динамика природы в познании. Если вообще, по словам Ленина, «естествознание показывает нам... объективную природу в тех же ее качествах, превращение отдельного в общее, случайного в необходимое, переходы, переливы, взаимную связь противоположностей» [2], то оптика — один из наиболее очевидных примеров такого процесса. Сложность и изменчивость световых явлений, поскольку мы можем судить по настоящий день, безграничны. Цель стремления оптики, ее абсолютная истина — «природа света», асимптотически приближаясь по мере развития науки, вместе с тем оказывается до сего времени асимптотически недостигнутой. Грани, устанавливавшиеся в оптике, становятся относительными и «выражают только приближение нашего ума к познанию природы». Необязательность механической картины мира и необходимость замены ее совершенно иной в учении о свете сделались бесспорными и очевидными.

Несколько замечаний исторического характера, излагаемые ниже, очень эскизны, отрывочны и схематичны, в них поневоле за отсутствием и сил и времени соблюдены законы зрительной, а не исторической перспективы. Надо надеяться, что это будет кем-то и когда-то исправлено в подробном анализе развития учения о свете [3].

 

 

1. Материальность света

 

В отличие от тел, от вещества, свет поражал древнего исследователя прежде всего свой «бестелесностью». Вечно по самому существу своему подвижный, (распространяясь с чудовищной скоростью, нежданно появляясь и бесследно пропадая, свет не оказывает никакого заметного сопротивления или силы, т. е. не проявляет основного свойства движущихся тел. Так с незапамятных времен возникает противопоставление света материи, автоматически сохраняющееся очень часто и у современного фи­зика или заменяющееся более осторожным противоположением света веществу. Нужен был инстинктивный материализм древних физиков, чтобы, вопреки примитивному (но и единственному) опыту, верить в вещественность света, в очень гипотетическую картину материальных зрительных лучей, выходящих из глаза, атомов света, или летающих материальных образов-отпечатков Эпикура и Лукреция. Эта материалистическая убежденность тем более удивительна, что она нередко сохранялась при совершенно субъективной концепции света, смешивавшей зрение со светом, и, полагавшей источником света самый глаз. У более осторожного и идеалистически настроенного Аристотеля свет теряет определенные материальные очертания, становясь расплывчатой энтелехией прозрачного, прозрачным в действенности, существующим в прозрачном, пока оно темно, только потенциально, как возможное. Явно идеалистическая теория света, впрочем для своего времени не менее обоснованная, чем предыдущие, культивировалась в мистической философии неоплатоников и отцов-церкви. Здесь процесс видения объясняется сродством, души и внешнего мира. Душа видит самое себя в предметах, которые как и весь мир, содержатся в ней как ее эманация.

Многовековая борьба корпускулярного и волнового воззрения на природу света, к которой более подробно придется вернуться дальше, была до некоторой степени в неявной, неотчетливо сознаваемой форме борьбой материализма и идеализма в оптике. Распространение световых волн в межзвездном, невещественном пространстве мыслилось как «чистое движение», движение без материи. Даже для механических, водных и звуковых волн перемещение энергии без одновременного поступательного движения материальных масс понималось плохо, и элементарная теория волн даже у Гримальди, Гука, Гюйгенса и Ньютона оставалась во многом неясной и ошибочной. Классическая физика XIX в. сохраняла видимость материальной интерпретации света только при помощи сомнительной картины вещественного эфира, решительно опровергнутой позднее оптическими опытами в движущихся системах. По существу, без этого воображаемого костыля свет в классической физике оставался, как и у древних, «чистым движением».

Экспериментальным фактом, указавшим дорогу к преодолению этих трудностей, явилось обнаружение давления света или количества движения в световом потоке и, следовательно, установление массы света; признанного физического атрибута материальности. С этого момента, или, правильнее, со времени выяснения общего принципа эквивалентности энергии и массы в теории Эйнштейна [4], свет с полным основанием стал для физика одной из форм движущейся материи, и противопоставление света и материи навсегда исчезло в этом синтезе. Независимо от правиль­ности или ошибочности волновой или корпускулярной точки зрения свет материален с той же степенью достоверности, как материально вещество. Материя света неразрывно сопряжена с движением, определяющим его материальность, и, наоборот, материальность вещества является выражением его внутреннего движения.

Тысячелетняя дилемма получила нежданное синтетическое разре­шение, оно явилось, впрочем, предварительным, так как за ним последо­вало новое раздвоение, иного характера. Несомненны электрическая природа вещества и его атомизм в электрическом отношении. Элементарные электрические заряды вещества — его наиболее прочные инварианты, они оставались (до последнего времени) неизменными при всех явлениях, известных физику. С другой стороны, свет существует только в движении, не обладает электрическим зарядом или моментом и характеризуется единственным инвариантом (при постоянном поле тяготения) — своею скоро­стью. Таким образом, возникает противопоставление вещества свету, устанавливающее между ними новую резкую грань.

Но и эта грань стушевывается и делается неопределенной. На наших глазах превращение вещества в свет сначала предугадывается астрофизи­кой и затем наблюдается на опыте превращение жестких гамма-лучей, в пару электронов с противоположными знаками и обратное явление — превращение электронов в световые гамма-лучи. Свет превращается в вещество, и вещество переходит в свет. Вопрос о материальности cвета разрешается, таким образом, с нежданной полнотой и глубиной. Свет матери­ален настолько же и в тех же отношениях, как материален весь мир.

Сложный путь прошла оптика в этом вопросе от Демокрита до Кюри и Жольо, и, как всегда, хочется думать, что мы у предела, что проблема исчерпана до конца. Но взгляд назад, на пройденные стадии, попрежнему заставляет ожидать дальнейших усложнений, новых расхождений и но­вых синтезов, формы которых мы еще не подозреваем.

 

 

2. Корпускулы и волны

 

Альтернатива корпускулы или волны для объяснения света имеет, по-видимому, такую же давность, как и сама научная оптика.

Учение греческих и римских атомистов о свете как потоке мельчай­ших телец в существенных чертах повторялось Кеплером, Гассенди, Нью­тоном, Бошковичем, Лапласом, Брюстером, Био и пр. Глубоко изменялась и изощрялась форма корпускулярной теории света от дискретных зри­тельных лучей Эвклида до безразмерных центров Бошковича и вращаю­щихся полярных частиц Ньютона и Лапласа, но при этом сохранялись-основные признаки т е л е с н о с т и  и  д и с к р е т н о с т и.

Истоки волнового представления о свете несомненны в концепции Аристотеля о посредстве прозрачной среды при распространении света более отчетливы, например, в воззрениях стоиков, учивших, что глаз при зрении приводит окружающий воздух в состояние натяжения, рас­пространяющееся шаровыми волнами с центром в зрачке глаза. Тысяче­летия непрерывного развития отделяют эти примитивы от волновой тео­рии Рэлея, но их объединяет единая мысль — о б о т с у т с т в и и п е р е м е щ е н и я тел при распространении света и с п л о ш н о с т и, н е п р е­ р ы в н о с т и этого распространения.

Первые догадки о природе света, несомненно, должны были основы­ваться на некоторых эмпирических сведениях о свойствах света, но оши­бочно думать, что защита той или другой теоремы подкреплялась какими-нибудь сильными экспериментальными аргументами. Едва ли не главным доводом Аристотеля в пользу участия среды в распространении света служили отсутствие отчетливого видения предмета, прижатого к глазу, и, наоборот, ясная видимость его на большом расстоянии. Соображения Эв­клида о дискретной структуре света основывались - на том, что маленький предмет, упавший на пол, не сразу замечается глазом. Для этого, по Эвклиду, необходимо, чтобы дискретный зрительный луч как раз попал на поте­рянный предмет. Очевидно, не в этих курьезных доказательствах нужно искать ответа на очень существенные для истории оптики вопросы о том, п о ч е м у с у щ е с т в о в а л о т о л ь к о д в а в з а и м о и с к л ю ч а ю­ щ и х р е ш е н и я п р о б л е м ы с в е т а и п о ч е м у в ы б и р а л о с ь о д н о и л и д р у г о е.

Бесспорными свойствами света для древнего исследователя, как и для нас, являлись движение и то, что мы называем энергией. «Нельзя сомневаться, — писал, например, Гюйгенс в своем «Трактате», — что свет со­стоит в движении некоторой материи. Ибо, если обратиться к его возникновению, то здесь, на земле, его порождают главным образом огонь и пламя, которые, несомненно, заключают в себе тела, находящиеся в быстром движении... Если рассмотреть его действия, то можно видеть, что при собирании света, например вогнутыми зеркалами, он обладает свойством жечь как огонь, т. е. разъединяет части тела. Это, очевидно, означает движение, по крайней мере в истинной философии, в которой причина всех действий природы усматривается в механических основаниях. По моему мнению, это необходимое следствие, или следует вообще отказаться от всякой надежды понять что-либо в физике». Почти тождественные соображения повторяются у Эйлера, Ломоносова и очень многих других. За этим во всех случаях следует рассмотрение возможных с м е х а н и ч е с к о й т о ч к и з р е н и я способов переноса энергии. Механика знает "только два таких способа: перенос энергии вместе с движущимся телом и передачу импульса в сплошной телесной среде.

Таким образом, первоисточником теоретической альтернативы оптики является механическая картина мира, и теоретико-познавательный центр вопроса о генезисе основных воззрений на природу света переносится на уже решенную, как нам кажется, проблему возникновения классиче­ской механики. В современной фазе развития физики несомненно, что механика является научным оформлением вненаучного человеческого опыта с обыденными предметами в привычных пространственных и времен­ных масштабах. В своих основах механика опирается на отчетливые, наглядные представления, поэтому она проста, очевидна и чрезвычайно практична. Эволюция основ механики от Аристотеля до Ньютона состояла не столько в изменениях по существу, сколько в уточнении определений, разделении практически сливавшегося во вненаучном сознании и математической формулировке и некотором обобщении качественно иско­ни известных соотношений.

В общем случае механическая теория света допускает, конечно, наряду с дискретным телесным потоком и непрерывное истечение массы во всех направлениях. Атомизация света исторически определилась гласным образом тем, что теория света составляла только часть общей древней атомистики, она создавалась в точном соответствии с теорией вещества. Позднее к этому присоединились и другие, более специальные аргументы: необходимость разреженности и дискретности световой материи для объяснения прохождения света через плотные прозрачные тела и для пони­мания регулярности движения небесных тел.

Если доводы в пользу механической альтернативы в целом были со­вершенно неизбежны, ибо исторически, по совершенно правильному заме­чанию Гюйгенса, отказ от механики значил бы отказ от физики вообще, то выбор волн или корпускул и борьба между защитниками этих воззре­ний определялись соображениями иного характера.

Два способа передачи энергии, очевидные в самых обыденных явле­ниях (распространение удара по твердому телу, морские волны, падение тяжелых тел и т. д.), для древнего наблюдателя должны были казаться глубоко различными. В одном случае движение имело неразрывно связан­ного о ним носителя — тело, в другом оно неизбежно должно было казаться бестелесным. Приверженцы учения Демокрита и Эпикура до XVII в. включительно именовали свет Аристотеля светом бестелесным. Как уже упоминалось, при выборе между корпускулами и волнами иногда в явной, иногда в скрытой форме, по существу, шла борьба между, материализмом и идеализмом, хотя оба враждующих лагеря заимствовали свои образы из механических движений. Откуда же можно было взять конкретное представление, как не из природы с ее вполне доступной в понятной механикой? Даже мистическая физика неоплатоников опира­лась в сущности да механические образы, и загадочное для того времени распространение импульсов и волн являлось наиболее адэкватным выра­жением идеалистической тенденции.

В этом случае философская идеалистическая направленность имела известное положительное значение для развития науки [5]. По словам Ленина, «философский идеализм есть т о л ь к о чепуха с точки зрения материализма грубого, простого, метафизического. Наоборот, с точки зре­ния д и а л е к т и ч е с к о г о материализма философский идеализм есть о д н о с т о р о н н е е, преувеличенное, überschwengliches (Dietzgen) развитие (раздувание, распухание) одной из черточек, сторон, граней по­знания в абсолют, о т о р в а н н ы й от материи, от природы, обожествленный» [6].

Единственным упреком и доводом атомистов против теории света Аристотеля была ее бестелесность, т. е. нематериальность, собственная картина света атомистов оставалась крайне примитивной и неразвитой, отсутствие конкретности щедро компенсировалось словарем названий для неизвестных частиц света. В очень типичном для атомистов письме пизанского профессора Джузеппе дель Папа, адресованном в 1675 г. знаме­нитому Франческо Реди, предлагается коллекция таких названий: «minimi della Luci», «corpicinole», «atomi della Luci», ignicoli» и т. д., но смысл всего рассуждения ограничивается традиционным отождествле­нием света и огня.

Философская тенденция, идеализм или материализм как критерии определяли смену концепций света от греков до великой эпохи возникновения физической оптики в XVII в., когда, наконец, расцвел новый могущественный метод — намеренный, сознательный опыт. Дилемма, однако, не разрешилась, наоборот, она чрезвычайно обострилась.

Обе соперничавшие теории находились далеко не в равных условиях. Механика движущейся точки была в существенных чертах уже создана, поэтому корпускулярная теория света могла развиваться вполне систематически. Учение о механических волнах, наоборот, только начинало принимать отчетливые контуры. Гук и Ньютон еще неясно понимали различие длины волны и амплитуды, великий принцип Гюйгенса был интуитивным открытием, не до конца понятым самим его создателем. Не удивительно поэтому, что даже Эйлер, много позднее защищая теорию волны, не понимал принципа Гюйгенса и вместо шаровой волны пользовался совершенно ошибочной картиной суммы независимых радиальных волн, идущих от центра.

Ньютон в суждении о природе света проявил особую осторожность. С совершенно изумительной дальновидностью он был крайне сдержан в этом отношении. Формально никогда, до конца своей жизни, Ньютон не отстаивал никакой определенной теории света, но вместе с тем он, не­сомненно, склонялся больше в сторону корпускул, чем волн. Главным до­водом против теории волн у Ньютона была недоказанность существова­ния вещественного эфира в межпланетных пространствах. Это сомнение сохранило свое значение в полной мере и до настоящего времени для всяких попыток построения механической волновой теории света. Если против волн говорило отсутствие эфира, то для корпускул эфир не нужен. Вместе с тем корпускулы согласовались со всеми .известными во времена Ньютона свойствами света.

В глазах Ньютона постоянство «простых» цветов подтверждало нали­чие субстанциональности или «атомов» в световом потоке. Поляризация света механически проще всего понималась как выражение анизотропии составных частиц. Явления диффракции предположительно сводились к проявлению особых гравитационных сил со стороны диффрагирующих отверстий. Закон преломления света выводился из теории корпускул вполне безукоризненно.

Ньютон не отрицал возможности существования наряду с корпуску­лами также и световых волн, но они могли возникать только внутри или в непосредственной близости от тела, где допустимо предполагать наличие механического эфира. К этой возможности Ньютон возвращался неод­нократно.

Таким образом, позиции Ньютона с механической точки зрения были действительно неприступными, и совершенно ошибочно мнение, что взгля­ды Ньютона в течение 150 лет держались только его высоким авторите­том. Нельзя было опровергнуть Ньютона на основании существовавших опытных данных, для этого прежде всего требовалось доказать существо­вание вещественного эфира между планетами.

Утверждения защитников теории волн аргументировались несравнен­но слабее. Единственным ее положительным результатом до конца XVIII в. был вывод законов двойного лучепреломления, вывод, обоснованный на большом числе произвольных гипотез и, кроме того, вполне приемлемый для ньютонианцев в предположении наличия эфира в веществе. Мы су­дим о «Трактате» Гюйгенса с точки зрения людей, знающих результаты оптики XIX в., но забываем, что объективно эта книга полна произвола и не устраняет главного сомнения Ньютона об эфире. Против теории кор­пускул Гюйгенс, а впоследствии Эйлер и Ломоносов выдвигали возраже­ние о необходимости с этой точки зрения саморассеяния света в простран­стве и о непостижимости прямолинейного прохождения атомов света через плотное прозрачное вещество. Защитой от такого возражения, конечно, могли служить ничем не ограниченная возможность приписывать кор­пускулам сколь угодно малые размеры и позволительность допущения волн внутри тела.

Таким образом, господство ньютоновской точки зрения в XVIII и на­чале XIX в. не является прискорбным недоразумением, а с логической необходимостью вытекает из наличного запаса экспериментальных све­дений в эту эпоху и из последовательных механических предпосылок. Небесная механика Ньютона совокупно с данными астрономии д о к а­ з ы в а л а с огромной степенью точности небытие вещественного эфира, а вместе с тем при строго механических предпосылках она доказывала неизбежность корпускулярной природы света. С этой точки зрения сдер­жанность Ньютона в окончательном ответе на вопрос о природе света мо­жет свидетельствовать только о его неполной уверенности в механической природе света.

 

 

3. Интерференция света

 

Как известно теперь каждому школьнику, смертельный удар механи­ческой теории корпускул был нанесен интерференционными опытами Юнга и Френеля, но далеко не всегда отдается отчет в том, что эти опы­ты одновременно ставили под сомнение вообще всякую механическую тео­рию света для физика, считающего доказанным отсутствие эфира. Н. И. Лобачевский, современник блестящей эпохи развития новой теории волн, с полным основанием мог написать в 1842 г. следующие замечатель­ные строки: «Систему волнений нельзя справедливо назвать теорией; а только выражением тех явлений, которые желают объяснить... Теория волнений представляет верно некоторые законы в явлениях света, но не дает еще понятия, в чем существенность заключается». «Существенность» Лобачевского — это, конечно, механическое объяснение волн, и он не видит никакого иного выхода из создавшейся трудности, кроме компро­миссной гипотезы Ньютона о корпускулах в пустоте и волнах в эфире, заполняющем тела. «Поступательное движение потока эфира,— пишет он,— есть причина нагревания и освещения; его колебания объясняют диффракцию, интерференцию цвета и поляризацию».

Все детали диффракционных опытов в том виде, как они производи­лась со времен Юнга и Френеля, безошибочно описывались волновым дифференциальным уравнением при данных граничных и начальных ус­ловиях. Самое уравнение легко выводится в теории упругой сплошной среды. Если бы независимо удалось доказать ее существование, механи­ческая теория света была бы спасена. Ньютон на основании астрономиче­ских наблюдений полагал наличие такой среды сомнительным. Весь XIX век — это непрерывная цепь теоретических попыток построить меха­нический эфир и экспериментально доказать его существование. Эти попытки, как мы знаем, оказались тщетными; наоборот, отсутствие механической вещественной среды в межпланетном пространстве стало несомненным.

Волновые свойства света, с полной достоверностью доказанные опыта­ми Юнга и Френеля, не допускают корпускулярного истолкования, вооб­ще говоря, потому что уравнения движения тел в классической механи­ке отличны от волнового уравнения. Именно поэтому доказанное отсут­ствие эфира плюс доказанные волновые законы света равносильны доказательству немеханической природы света. Ретроспективно ста­новится вполне понятным поэтому, что опыты Юнга и Френеля не представляли собою experimentum crucis за теорию волн и против теории корпускул. Повторяем, при доказанности отсутствия вещественного эфира они указывали только на немеханическую природу света, механическая теория корпускул терпела такое же крушение, как и механическая теория волн. Весь XIX век в теоретической оптике — это скрытая, бессознатель­ная подготовка к принятию такого тезиса.

Выводы, делавшиеся из опытов Юнга и Френеля, как всякие физиче­ские выводы на основании единичного эксперимента, содержали в себе весьма широкую экстраполяцию на любые разновидности света и на лю­бые интенсивности. Такой метод применяется всегда, если есть уверен­ность в правильности общей теоретической предпосылки; в данном случае такой предпосылкой была механическая природа света, но она же и опро­вергалась самими опытами. Иначе говоря, бесконтрольная экстраполяция выводов из опытов Юнга и Френеля являлась малообоснованной. Насто­ящую почву для широких заключений создала только электродинамика, немеханическая теория Максвелла. Путем, совершенно независимым от классической механики, математическим обобщением эмпирических за­конов электромагнетизма (т. е. на основе математической гипотезы) Максвелл получил основные уравнения электродинамики, из которых вполне однозначно вытекало волновое уравнение света.

Если при отсутствии упругого эфира классическая механика допуска­ла только корпускулярную теорию света, то, наоборот, классическая элек­тродинамика с необходимостью приводила к теории волн, волн немеха­нических, электромагнитных, не требовавших вещественного субстрата.

Неудача бесчисленных попыток дать механический вывод уравнений Максвелла даже в предположении существования эфира явилась но­вым независимым доказательством немеханической природы света и све­товых волн

Древняя альтернатива корпускулы или волны, неизбежно возникшая как мы говорили, из примитивных наблюдений и решавшаяся долгое вре­мя в ту или иную сторону в зависимости от материалистической или иде­алистической склонности исследователя, в новой физике появляется вновь, на совершенно иной почве, и с новой силой разгорается борьба, приводя­щая к дальнейшему развитию учения о свете. Корни механики и электро­динамики чрезвычайно прочны, та и другая опирались на колоссальный опыт, на безошибочность многих своих заключений, но одна противоречи­ла другой в выводах о природе света. Инстинктивные попытки синтеза шли по проторенной механической дороге поисков вещественного эфира, но его не было, и к началу нашего века оптика предстала воплощенным «раздвоением единого». В диаде волны и корпускулы были налицо оба всесильных оруженосца: механика и электродинамика, но электродина­мика обладала могучим экспериментальным аргументом — волновыми свойствами света, в то время как корпускулярные свойства, требуемые механикой, были бы просто излишни.

 

 

4. Свойства света при малых интенсивностях

 

Нет надобности приводить здесь перипетии развития оптики за послед­ние десятки лет: они протекали на глазах у всех, мы их свидетели и участ­ники. Я остановлюсь только на очень простых опытах, подсказанных этим новым развитием учения о свете и представляющих именно вслед­ствие своей простоты специфический гносеологический интерес.

Выше уже упоминалось, что экстраполяция результатов опытов Юнга и Френеля на любые интенсивности, вообще говоря, произвольна. Как в действительности ведет себя пучок света при чрезвычайно малых интенсивностях, — вот основной вопрос, поставленный в излагаемых опы­тах. Осуществление опыта чрезвычайно облегчается тем, что человеческий глаз, находившийся долгое время в темноте, приобретает исключительно большую чувствительность особенно в зеленой части видимого спектра или периферическом зрении, т. е. зрении частями ретины, которые уда­лены от центрального углубления на сетчатке. Вторым свойством глаза, также необычайно ценным для данных опытов, служит прерывность кри­вой чувствительности глаза в зависимости от интенсивности света. При некотором очень малом значении этой интенсивности чувствительность глаза резко падает до нуля, достигается так называемый «порог раздра­жения». Если интенсивность несколько больше порожного значения, глаз ее замечает, при уменьшении ее, хотя бы на очень малую величину, зри­тельное ощущение пропадает.

Я опускаю подробности этих опытов с человеческим глазом, опытов, требующих довольно длительной предварительной тренировки глаза и специальной установки, и перехожу непосредственно к результатам. Прежде всего оказывается, что при малых интенсивностях световой; поток перестает быть стационарным, наблюдаются беспорядочные колебания, флуктуации интенсивности. Далее, совершенно вопреки ожиданиям теории волн, наблюдаются относительные флуктуации в двух световых пучках, полученных разделением на две части первичного луча (когерент­ные лучи). Производя измерения таких флуктуации и подвергая их статисти­ческому анализу, можно обычными приемами определить то среднее число дискретных элементов, из которого состоит световой поток. При этом дискретность является, разумеется, неизбежным доводом наличия статистических флуктуации. Таким образом, визуальной опыт непосредственно доказывает атомистичность света и хаотичность движения фото­нов, точно так же как броуновское движение доказывает реальность мо­лекул вещества.

Как совместить этот атомизм и хаос с регулярностью волновых свойств, доказанных Юнгом и Френелем? Обратимся снова к визуальному опыту. Что происходит в поле интерференции, в тех местах, где Юнг и Френель наблюдали чередующиеся светлые и темные полосы? Оказывается, что при малых интенсивностях света, близких к значению зрительного порога, интерференционное поле сохраняется, но со следующей особенностью: в области темных полос, так же как и при больших интенсивностях, света нет, на месте светлых полос наблюдаются снова хаотические флуктуации, происходящие независимо в каждой такой полосе, иначе говоря, интерференция, волновые свойства соблюдаются только в среднем, в каж­дый данный момент они нарушаются. Эта порождающаяся картина единства противопо­лож­ностей — регулярных волн и беспорядочных корпускул в едином акте, наблюдаемая глазом в особых напряженных условиях; вполне характеризует современную фазу состояния оптики.

В нашем схематическом рассмотрении исторического процесса мы оста­новили оптику в таком состоянии: электродинамика с необходимостью при­водила в согласии с опытом к существованию световых волн, безэфирная механика допускала Свет только в виде телесного потока, подчиняющегося в своем движении законам механики в противоречие с опытом. Новая оптика также сохранила волны, но это уже не максвелловские электро­магнитные волны и не механические волны в эфире, это волны, имеющие лишь статистический средний смысл, абрис этих волн вырисовывается движением корпускул-фотонов. Эти волны не имеют физического смысла, нереализуемы вне фотонов, точно так же как фотоны вполне управля­ются в своем статистическом хаосе законами волн.

Достигнутый синтез устранил и электродинамические регулярные вол­ны и механические регулярные корпускулы; Одновременно строгая, совершенно отчетливая каузальность световых явлений при больших интен­сивностях сменилась статистическим законом, иначе говоря, сейчас нет никаких способов предсказать, в какое место интерференционной картины и когда попадет определенный фотон; нам известны только свойства светового коллектива. Природа развертывает перед нашим взором в интер­ференционной картине диалектическую борьбу и синтез своих противо­речивых частей, столь непохожую и вместе с тем родственную догадкам и схемам науки прошедших столетий и тысячелетий.

 

 

5. Современная теория света

 

В какие теоретические рамки можно уложить эту, ранее скрытую от нас сложность световых явлений? Метод теоретических построений классической физики был по существу прост и неизбежен. Основные ме­ханические законы природы считались вполне установленными и очевид­ными, поскольку они в конечной стадии опирались на примитивный, все­общий опыт. Теория состояла или в математических выводах из общих принципов при данных конкретных условиях, или в построении механи­ческих гипотез или гипотез, не противоречащих механике (например, об атомизме вещества и об элементарном беспорядке) относительно пред­полагаемой сущности явлений. На основе этих гипотез и при соблюде­нии общих принципов снова делались математические заключения. Роль математики при этом была только техническая — как средства для вы­полнения количественных расчетов.

По этой схеме построены кинетическая теория вещества, акустика, те­ория тепла и различные главы механики. Такой же по своей структуре оставалась долгое время теория света в ее многочисленных вариантах до появления электродинамики Максвелла. Могущественным средством этого метода была возможность осуществления моделей, хотя бы в виде Gedanken Experimente: теория всегда апеллировала в конечном счете к при­вычным образам, вследствие чего становились возможными к а ч е с т в е н­ н ы е заключения, предваряющие математический, количественный ре­зультат. Качественная теория немыслима без наглядной модели, конкре­тизирующей понятия и действия.

Нет сомнения в том, что живое существо, помещенное в совершенно иные условия жизни, может и будет считать понятными модели и обра­зы, не совпадающие с нашими. Человек, родившийся в темноте и имею­щий дело только с интенсивностями света, близкими к порогу зритель­ного раздражения, разумеется, создал бы механику и теорию света, совершенно отличные от классических представлений. Для него волны а корпускулы были бы само собой разумеющейся единой, неразрывной сущ­ностью, для него абстрактно-каузальные закономерности являлись бы очевидным, грубым приближением истинных, вполне «понятных» стати­стических соотношений. Построение классической механики являлось бы для него, вероятно, очень трудной, отвлеченной задачей, требующей отка­за от модельности и наглядности.

Мы не являемся такими существами, и человечество, невидимому, ни­когда не находилось в условиях, требуемых для столь резкого изменения характера наглядных образов и представлений. Поэтому для нас «непоня­тен» живой язык интерференционного поля.

К счастью, «наглядность» и требование моделей теряют в большой сте­пени свою остроту, как только мы переходим от качественных соображе­ний к количественным соотношениям. Составив на основании модельных представлений некоторое уравнение, связывающее несколько величин, мы имеем полную возможность по произволу менять математические фор­мы связи. В области физики этот произвол ограничивается только тем, что новые математические формы не должны противоречить 1) фактам и 2) другим, вполне достоверным математическим соотношениям. Такое экстраполированное математическое выражение может не соответствовать привычным механическим моделям, потому что у нас нет никаких осно­ваний утверждать их абсолютную правильность, наоборот, весь ход разви­тия науки убеждает нас в их ограниченности. Для точного естествозна­ния (и, повидимому, только для него) открыт, таким образом, новый, весьма абстрактный, но и необычайно широкий метод исследования, ко­торый можно назвать методом математической гипотезы или математи­ческой экстраполяции. Математика приобретает здесь эвристическое зна­чение и вместе с контролирующим и также эвристическим методом опыта образует могучее орудие исследования.

Первые опыты применения такого метода связаны, повидимому, с фор­мулировкой различных вариационных принципов оптики и механики. Эти математические принципы значительно шире уравнений, являющих­ся выражением опыта, и, не противореча им, позволяют сделать совер­шенно новые выводы. Уравнения электродинамики являются вторым замечательным примером могущества метода математической гипотезы. Современная физика, в частности теория света, необходимо должна была пойти и пошла по этому же пути математической экстраполяции.

Разумеется, отыскивание новых математических форм, адэкватных действительности, очень трудно и не может полностью оторваться от классической почвы. Оглядка назад, на классику, на модели, так называ­емый «принцип соответствия» — неизбежный прием современной теоре­тической физики, и новая теория света, временно сменившая классиче­скую электромагнитную схему Максвелла и эйнштейновские фотоны, яв­ляется типичным примером построения такого рода.

Теория состоит из следующих этапов. Сначала рассматривается элек­тродинамическая картина электронов, излучающих в пустом замкнутом пространстве. Составляется выражение для энергии электронов, энергии электромагнитного поля и энергии связи между ними. Вычисляемая на этом основании функция Гамильтона дает возможность составить меха­ническое уравнение движения Гамильтона. После этой подготовительной стадии осуществляется математическая экстраполяция, производится пе­реход от классического уравнения Гамильтона к квантово-механическому уравнению Шредингера. Переход действительно является обобщением: достаточно положить в новом уравнении постоянную h равной нулю, чтобы перейти снова к классической форме. Новое уравнение «непонятно», в процессе его получения было несколько немеханических стадий, начи­ная от уравнений Максвелла, но оно охватывает, по крайней мере в пер­вом приближении, все известные свойства света, как волновые, так и корпускулярные, оно достаточно передает диалектику действительных явлений.

Новый ответ на вопрос о природе света носит негативный характер: не волны и не корпускулы только по той причине, что наши понятия и язык примыкают к примитивным, обыденным образам.

Абстрактность и «непонятность» новой теории света, теории несомненно преходящей и не вполне точной, бесспорно тягостны, но, как мы видели, неизбежны. К этой абстрактности, думается нам, вполне применимо замечание Ленина к гегелевской «Науке логики»: «Мышление, восходя от конкретного к абстрактному, не отходит — если оно п р а в и л ь н о е..., — от истины, а подходит к ней... От живого созерцания к абстракт­ному мышлению и о т н е г о к п р а к т и к е — таков диалектический путь познания  и с т и н ы, познания объективной реальности» [7].

 

 

Источник: С.И.Вавилов. Собрание сочинений. Т.3,

М.: Изд-во АН СССР, 1956, с.9-22.

Первоначальная публикация: «Под знаменем марксизма», 1934, № 4, с.69-79.

 


[1] В. И. Ленин. Философские тетради, стр. 327.

[2] В. И. Ленин. Философские тетради, стр. 329.

[3] С. И. Вавилов в ряде своих более поздних работ дает анализ истории развития учения о свете.— Ред.

[4] На ошибочность применения термина «эквивалентность» и представления о превращении массы в энергию или энергии в массу С. И. Вавилов указывает в своей книге «Глаз и солнце». — Ред.

[5] Неправильность такого утверждения С. И. Вавилов раскритиковал в своих статьях более позднего периода.— Ред.

[6] В. И. Ленин. Философские тетради, стр. 330.

[7] В. И. Ленин. Философские тетради, стр. 146–147.