Корпускулы и волны. Два вида материи

Механистический взгляд на природу оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, термодинамика, теория упругости и множество других дисциплин, где физика достигла огромных успехов. Однако оставались две области, в которых механистической теорией мало что можно было описать и объяснить. Этими областями были свет и электричество.

Пытаясь объяснить свет с помощью своей механики, Ньютон говорил, что он представляет собой поток маленьких частиц, или, как часто говорят в науке, корпускул (от лат. corpusculum – «тельце»), которые несутся от источника света, взаимодействуют по механическим законам и вызывают ощущение света, попадая в человеческий глаз. Однако такое объяснение не было вполне удовлетворительным: ведь один луч света свободно проходит через другой, а если бы это были два потока частиц, как считал Ньютон, то они сталкивались бы и как-то изменяли направление своего движения, отклоняясь или изламываясь. Значит, свет – не поток корпускул, а что-то другое. Но что?

Христиан Гюйгенс (1629–1695)

На этот вопрос попытался ответить нидерландский ученый XVII в. Христиан Гюйгенс. Вполне возможно, говорил он, что свет – это не движение частиц. Представьте себе волны на поверхности воды. Нам кажется, что они движутся, но на самом деле никакого движения не происходит. Просто на неподвижной поверхности воды одна ее часть поднимается, а другая опускается, что и создает эффект волны и видимость ее движения.

На самом же деле происходит не движение воды, а колебание (вверх-вниз) ее поверхности. Возможно, что то же самое происходит и со светом, предположил Гюйгенс. Все пространство заполнено невидимым светоносным веществом – эфиром, который сам никуда не движется, но может колебаться, как и водная поверхность. Колебания этого эфира и вызывают свет, который, таким образом, представляет собой не движение частиц, а волны эфира. Ньютоновское представление о свете получило название корпускулярное, а теория Гюйгенса стала называться волновой.

Но и против волновой теории имелись возражения. Как известно, волны обтекают препятствия, а луч света, распространяясь по прямой линии, обтекать препятствия не может. Если на пути луча поместить непрозрачное тело с резкой границей, то его тень будет иметь резкую границу. Однако при более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаружилось, что на границах резких теней можно разглядеть участки освещенности, которые выглядят как перемежающиеся светлые и темные полоски. Это явление было названо дифракцией света (от лат. difractus – «разломанный или рассеянный, разбросанный»). Оно показало, что свет все же огибает препятствия, как и водяные волны, хотя мы этого не можем наблюдать невооруженным глазом. Открытие дифракции подтвердило идею Гюйгенса о том, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу. Однако авторитет Ньютона был настолько велик, что его корпускулярная теория все же осталась господствующей: в науке, как и в любом другом виде духовной деятельности, все новое не сразу заменяет старое, каким бы хорошим это новое ни было. Более того, если одни идеи высказал авторитетный (всем известный и всеми уважаемый) человек, а другие, которые намного лучше первых, высказал кто-нибудь менее известный, как правило, все доверяют более авторитетному.

Томас Юнг (1773–1829)

Волновая теория света была выдвинута вновь в XIX в. английским ученым Томасом Юнгом. Он дал объяснение явлению, при котором свет, добавленный к свету, необязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Это явление было названо интерференцией света (от лат. inter – «между» и ferens – «несущий, переносящий»). Оно заключается в том, что при наложении двух волн таким образом, что гребень одной из них совмещается со впадиной другой, они взаимно уничтожаются. Вот почему при добавлении света к свету может возникать темнота. Интерференция подтвердила волновую теорию света.

Майкл Фарадей (1791–1867)

Джеймс Максвелл (1831–1879)

Механистические представления оказались неэффективными при объяснении электрических и электромагнитных явлений. Английские ученые XIX в. Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл обнаружили, что вокруг физических тел, находящихся в электрическом или магнитном состоянии, существует особая среда, которую невозможно наблюдать зрительно или воспринимать с помощью осязания или других органов чувств, но которая фиксируется приборами и имеет определенные физические свойства. Эту среду никак нельзя было назвать веществом, потому что она полностью отличалась от любого вещества. Она была названа полем, или, правильнее, электромагнитным полем. Фарадей и Максвелл предположили, что электричество и свет имеют единую физическую природу, что свет – не что иное, как разновидность электромагнитного поля, а вернее – его колебания. Или, говоря иначе, свет – это колебания (волны) не частиц вещества (корпускул), а особой физической среды – поля. Раньше и в науке, и в философии считалось, что материя – это вещество в различных его состояниях, что материя – это тела и частицы. В XIX в. было установлено, что материя – это не только вещество, а вернее, что она может существовать в виде не только вещества, но и поля. Вещество и поле, таким образом, – это две различные формы материи. К такому выводу подошло классическое естествознание в эпоху своего расцвета. Оно также установило основные различия между ними: 1. Вещество – это корпускулярная сущность, а поле – волновая, то есть вещество состоит из частиц (или тел) и поэтому прерывно (в нем есть промежутки или пустоты), а поле ни из каких частиц не состоит и поэтому непрерывно. 2. Вещество обладает массой, а поле невесомо. 3. Вещество малопроницаемо (можно пройти сквозь пар, но труднее пройти сквозь воду и совсем невозможно – сквозь каменную стену), а поле, наоборот, проницаемо полностью (оно может нас окружать, а мы даже не ощущаем его существования). 4. Скорость распространения поля равна скорости света – это самая большая из всех известных и возможных скоростей (300 000 км/с), а скорость движения частиц вещества в сотни раз меньше.

В XIX в. считалось, что вещество и поле – это два противоположных или взаимоисключающих вида материи. Однако в результате крупных открытий в физике в конце XIX – начале XX в. обнаружилось, что физический мир един, нет пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, – волновыми. Эту удивительную особенность материи назвали корпускулярно-волновым дуализмом (от лат. dualis – «двойственный»). Приведем пример: человек – единое существо, но у него есть физическое тело, или организм, как у любого животного, а также психика, разум, или мышление, духовность. Физическое тело и Мыслящий разум – совершенно разные вещи, однако человек невозможен без того и другого. Следовательно, мы можем сказать, что он характеризуется дуализмом тела и разума. Так и материя по современным представлениям характеризуется дуализмом корпускулярной и волновой природы. Однако это воззрение ХХ в. относится к третьей, или неклассической, научной картине мира, речь о которой впереди.