Шаровые (сферические) волны в толще воды (изображены в разрезе).

Волны, о которых говорилось до сих пор, все-таки походили на настоящие. Но физики знают и другие виды волн. Распространение звука в воздухе — это тоже волновой процесс. Радиосвязь осуществляется посредством радиоволн, электромагнитных волн. Об их длинах и сообщает нам диктор, начиная передачу.

Радиоволны уж совсем непохожи на «водяные гребни», на «долгие бугры». Более того, они способны распространяться в пустоте. И в этом случае они могут распространяться даже дальше, чем в любой другой среде.

Не так давно этот факт казался непостижимым даже самим физикам. Они не могли представить себе, каким образом волна может распространяться в пустоте. Ведь всегда считалось (и математика подтверждала это), что волна — это процесс передачи от частицы к частице, которые обязательно должны быть связаны между собой какой-либо силой взаимодействия.

В понимании ученых прошлого волны могли распространяться лишь в какой-либо среде. Существование их в пустоте было равносильно «ничему», распространяющемуся в «ничем». Они еще слишком мало знали, чтобы объяснить подобный парадокс, и, естественно, не могли принять такую точку зрения.

Но, поскольку волны подобного рода им приходилось наблюдать в действительности, они вынуждены были как-то объяснять это явление.

Для этого физикам пришлось отказаться от понятия абсолютной пустоты. Они вынуждены были предположить, что всюду и везде присутствует некая таинственная и вездесущая субстанция, некий тончайший газ «эфир», обладающий целым рядом необычайных свойств. В те времена ученые, знавшие еще слишком мало, вообще склонны были объяснять самые различные физические явления наличием разных неуловимых субстанций.

Гипотезу о существовании эфира впервые предложил Гюйгенс. Гипотеза эта понадобилась ему для объяснения свойств другой физической реальности — света. Потому что, в отличие от Ньютона, Гюйгенс считал, что свет имеет волновую природу.

Возможно, к мысли о том, что свет имеет волновую природу, Гюйгенс пришел благодаря одному очень важному обстоятельству, о котором Ньютон, приступая к созданию своей теории света, еще не мог знать.

Это обстоятельство — огромная, непостижимая скорость распространения света. Скорость, «превосходящая мечтания человеческие», как говорил Ломоносов.

Скорость звука в воздухе равна примерно 340 метрам в секунду. Всего лишь двадцать лет назад только пули и артиллерийские снаряды могли перемещаться быстрее. Мировой рекорд скорости, установленный до войны на итальянском гидроплане «Маки-Кастольди», был равен 210 метрам в секунду. Преодолеть звуковой барьер удалось на турбореактивных самолетах; теперь их скорость уже перевалила за 2 маха, то есть более чем в два раза выше звуковой. Это огромная скорость.

Но в наши дни и этот предел остался далеко позади. Есть теперь такие летательные аппараты, которые преодолели более высокие барьеры: первую и вторую космические скорости (примерно 8000 и 11 200 метров в секунду). Это ракеты. Но и эти величины ничто в сравнении со скоростью света, которая равна 299 780 километрам в секунду.

Правда, за последние десятилетия с помощью ускорителей научились разгонять элементарные частицы вещества до скоростей, почти равных этой скорости. Встречаются частицы с такими скоростями и в природе.

Но во времена Гюйгенса об этом не было известно, и даже мушкетные пули очень заметно отставали от звука выстрела. И нет ничего удивительного в том, что Гюйгенс не мог себе представить, что какое-либо материальное тело, даже мельчайшая ньютоновская корпускула, может нестись со скоростью, почти в миллион раз превышающей скорость распространения звуковых волн. Гораздо проще и естественнее, казалось ему, считать, что с такой скоростью движутся волны, а не частицы.

Но если частицам ничто не мешает распространяться в пустоте, то для волны, по воззрениям Гюйгенса, пустота представляла непреодолимое препятствие. Тогда-то он и предложил свою гипотезу о существовании эфира.

Свои мысли Гюйгенс изложил в книге под названием «Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что происходит со светом при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла».

Возможно, что непосредственным толчком к написанию этого трактата послужило открытие, сделанное в 1675 году датским астрономом Оле Ремером (1644–1710). Наблюдая затмения спутников Юпитера, он установил, что время их возникновения не всегда одно и то же, а зависит от расстояния между Юпитером и Землей. Этот факт он объяснил тем, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой скоростью. И на основании такого предположения впервые в истории определил скорость света.

Об этой скорости и о других удивлявших его фактах Гюйгенс писал:

«…тем самым мы допускаем существование странной скорости, которая была бы в 1 000 000 раз больше скорости звука. Ибо звук, по моим наблюдениям, делает примерно 180 туаз[2] за время 1 секунду или одного удара артерии…

…Если принять во внимание чрезвычайную быстроту, с которой распространяется свет во все стороны, а также то, что, когда он приходит из различных и даже совершенно противоположных мест, лучи его проходят один через другой, не мешая друг другу[3], то станет совершенно понятно, что, когда мы видим светящийся предмет, это не сможет происходить вследствие переноса материи, которая доходила бы до нас наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух. Это слишком противоречит указанным двум свойствам света».

Для Гюйгенса эти противоречия были решающими и привели его к сомнениям в правильности корпускулярной теории. Однако для создания новой гипотезы одних сомнений еще недостаточно. Необходимы и новые понятия и представления, с помощью которых удавалось бы так же хорошо или более обоснованно объяснить природу света. Во времена Гюйгенса ученые хотя не полностью, но уже достаточно ясно представляли себе процессы распространения волн в воздухе и в воде. И это знание позволило Гюйгенсу утверждать, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу.

В какой же среде, по мнению Гюйгенса, могли распространяться световые волны? В воде? Да, свет проходит и через воду. Но ведь в воздухе он распространяется еще лучше. Тогда, значит, в воздухе? Нет, и воздушная среда оказалась ненужной для распространения света. Гюйгенс помещал под стеклянный колпак звучащее тело и с помощью вакуумного насоса, изобретенного английским физиком Бойлем, откачивал воздух. Звук уже не распространялся под колпаком, и это доказывало, что он распространяется в воздухе. Однако, сколько бы ни продолжалась откачка воздуха, никаких изменений в прохождении света через сосуд не наблюдалось. Гюйгенс не мог себе представить, что световые волны способны распространяться в пустоте, — ведь в ту пору все то, что было известно ученым о волновых процессах, утверждало, что волны могут существовать только в какой-либо среде. Но что это за среда, каковы ее свойства? На эти вопросы не было ответа.

«Я называю ее эфирной», — писал Гюйгенс.

Но как обнаружить ее, как выделить, если это возможно, он не знал.

Правда, он указывал, каким, по его мнению, должен быть эфир, для того чтобы в нем оказалось возможным распространение световых волн.

«…частицы эфира, несмотря на их малость, можно себе представить состоящими еще из других частей… упругость их заключается в очень быстром движении тонкой материи, которая проходит сквозь них со всех сторон…»

Итак, по мнению Гюйгенса, свет есть волна, распространяющаяся в эфире; свет и эфир нераздельны. Но что представлял собой сам эфир, это было непонятно даже самому Гюйгенсу.

Итак, мы ознакомились с двумя гипотезами, в которых сделана попытка объяснить природу света. Обе они родились почти одновременно и на основе одних и тех же фактов, с той лишь разницей, что Гюйгенсу, когда он создавал свой «Трактат», скорость света была уже известна довольно точно. Но не следует забывать, что Ньютон, узнав об открытии Рёмера, не изменил своей гипотезы, считая, что она не противоречит этому новому факту.