Нераскрытые тайны природы - [59]

Ньютон высказал также предположение, что свет состоит из очень маленьких частиц (названных им «корпускулами» по аналогии с уже известными кровяными тельцами), которые вылетают из источника подобно дробинкам из ствола ружья. Эта идея получила признание, хотя природа самих частиц света оставалась неясной еще в течение более двухсот лет. Тем временем другое важное открытие было сделано датским астрономом Оле Рёмером в 1676 г. С античных времен люди были уверены, что свет распространяется с бесконечно большой скоростью. Этот принцип был сформулирован еще в 350 году до н.э. Аристотелем, авторитет которого был столь велик, что никто не осмеливался опровергать даже его ошибочные теории (например, предложенная им геоцентрическая модель строения Солнечной системы была заменена гелиоцентрической системой Галилея и Коперника лишь в XVII веке). Наблюдая в мощный телескоп Парижской обсерватории затмение Ио (одного из спутников Юпитера), Рёмер заметил, что время затмения зависит от расстояния между Землей и Юпитером, т. е. обнаружил, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью. Идея быстро получила широкое признание, а вычисленное Рёмером на основе наблюдений значение скорости оказалось поразительно точным (298 050 км/с) и почти совпадает с данными, получаемыми самыми современными методами.

К началу восемнадцатого века о свете было известно следующее: он представляется белым, но слагается из многих цветов; он распространяется с конечной (хотя и весьма высокой) скоростью, превосходящей скорость звука в миллионы раз; он, по-видимому, состоит из отдельных частиц. Эти представления просуществовали в науке около 200 лет, пока в 1900 г. немецкий физик Макс Планк не опубликовал первую статью, послужившую началом квантовой физики, которая во многом противоречила классической физике Ньютона. Планк обнаружил, что нагретые тела излучают энергию только строго определенными порциями, которые он назвал квантами. До этого считалось, что излучение «возбужденных» атомов происходит непрерывным образом. Из теории же Планка следовало и было подтверждено экспериментально, что энергия излучения распадается на огромное количество крошечных «порций», или квантов, и энергия каждого из них определяется их частотой.

Работа Планка началась с попытки согласовать два разных закона излучения, которые получили еще в 1890-х годах Вильгельм Вин и лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) отдельно для высокочастотной (Вин) и низкочастотной (Рэлей) областей спектра излучения. Оба закона были получены в предположении волновой природы света, однако Планку, рассматривающему свет как поток частиц, удалось вывести общий закон излучения, справедливый во всем диапазоне частот и температур. Уравнение Планка содержало константу, которая оказалась фундаментальной. За эту работу Планк в 1918 г. был удостоен Нобелевской премии, а константа была названа постоянной Планка.

Концепция, согласно которой энергия представляла собой поток «частиц», была подхвачена и развита Альбертом Эйнштейном. В 1905 г. он опубликовал четыре работы, сыгравшие важную роль в истории физики. В последней из них он применил теорию Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что частицы света могут выбивать электроны с поверхности некоторых металлов. Порции световой энергии (сам Эйнштейн называл их световыми квантами, но позднее за ними закрепилось название фотоны) в теории Эйнштейна выглядели скорее частицами, чем волнами.

В статье 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности (в 1916 г. была развита общая теория относительности), Эйнштейн рассмотрел другую характеристику света, а именно скорость, и предположил, что она постоянна для любого наблюдателя независимо оттого, приближается он к источнику света или удаляется от него. Из этого утверждения вытекает целый ряд важных следствий, одно из которых заключается в том, что в системе координат, связанной с наблюдателем, размеры предметов сокращаются, время замедляется, а масса тел увеличивается. При обычных скоростях этот эффект практически незаметен, законы Ньютона выполняются, однако при высоких скоростях, сравнимых со скоростью света или близких к ней, изменения, например замедление течения, времени, становятся заметными. Если бы какое-то тело (скажем, космический корабль) удалось разогнать до скорости света (или большей), то время на корабле остановилось бы, его размеры сократились бы до точки, а масса стала бесконечно большой. Таким образом, теория Эйнштейна демонстрирует невозможность достичь (или превысить) скорость света.

^{Альберт Эйнштейн (одетый с неожиданным щегольством) за работой в Патентном бюро в Берне, Швейцария, в 1905 г. В этом году он опубликовал первые четыре статьи, сыгравшие очень важную роль в науке XX века и кардинально изменившие привычную ньютоновскую картину строения Вселенной. (Фотография Лотты Джакоби, любезно предоставлена архивом Лотты Джакоби, Университет Нью-Гемпшир.)} 

Природа света, о которой размышлял Ньютон, теперь получила свое объяснение, однако при этом выяснилось, что наша Вселенная устроена еще более странно, чем он мог предположить. Модель Вселенной в теории относительности долгое время увлекала и одновременно сбивала с толку писателей-фантастов. Они в сюжетах многочисленных романов и рассказов с восторгом обыгрывали «загадки времени» или необычные ситуации, связанные с космическим путешественниками, которые после длительного полета в другие галактики возвращаются на Землю молодыми, в то время как все их сверстники давно умерли. С другой стороны, даже фантастам было не под силу описать все «загадки скорости», вынуждающие создавать для космических путешествий причудливые устройства типа использованных в известном сериале «Стар Трек».