Главная » Хабрахабр » [Перевод] Величайшая ошибка в истории физики

[Перевод] Величайшая ошибка в истории физики


Сегодня мы считаем, что все частицы, от массивных кварков до безмассовых фотонов, имеют двойную корпускулярно/волновую природу. Сотни лет назад люди рассматривали только частицы. Но в 1818 году волнам суждено было совершить триумфальное возвращение на основе исследований природы света.

Наша концепция реальности часто неразрывно связана с нашим представлением о самих себе. Все мы любим наши наиболее ценные идеи по поводу устройства мира и Вселенной. Всего лишь одного наблюдения, измерения или эксперимента, противоречащего теории, бывает достаточно для того, чтобы пересмотреть или полностью отказаться от нашего представления о реальности. Но быть учёным – значит, быть готовым подвергать сомнению все эти представления при каждой их проверке. Но если кто-то не хочет подвергать теорию или предположения проверкам, он, возможно, совершает величайшую ошибку в истории физики.

"Математические начала натуральной философии" (лат. Если мы можем воспроизвести эту научную проверку и убедительно показать, что она не совпадает с преобладающей теорией, мы закладываем основы научной революции. Трактаты Ньютона на такие темы, как механика, гравитация и свет, стали основами большей части современной физики. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) Исаака Ньютона, третье издание, 1726 год.

Величайшим героем физики много столетий был Исаак Ньютон. Человеческая природа требует героев: людей, на которых мы равняемся, которыми восхищаемся, на которых стремимся стать похожими. Его теория всемирного тяготения прекрасно описывала всё, от движения комет, планет и лун, до того, как объекты падают на Землю. Ньютон представлял собой столп научных достижений человечества. Спорить с Ньютоном было глупо. Его описание движения объектов, включая законы движения и влияние на них сил и ускорений, остаются верными практически в любых условиях даже сегодня.

Поэтому в начале XIX века молодой французский учёный Огюстен Жан Френель должен был понимать, что ввязывается в авантюру.

Ньютон первым объяснил отражение, преломление, поглощение и пропускание света, а также способность белого света расщепляться на несколько цветов.
Поведение белого света, проходящего через призму, демонстрирует, как в среде свет различных энергий движется с разными скоростями, в отличие от вакуума.

Он объяснил отражение, преломление, поглощение и пропускание света, а также то, как белый цвет состоит из разных цветов. Хотя сегодня это менее известно, чем его заслуги в механике или гравитации, но Ньютон также был одним из первых учёных, объяснивших, как работает свет. Переходя из воздуха в воду и обратно, лучи света изгибаются, и у каждой поверхности появляется отразившийся компонент, и компонент, прошедший насквозь.

Хотя во времена Ньютона существовала и волновая теория света, выдвинутая Христианом Гюйгенсом, она не могла объяснить эксперименты с призмами. Его корпускулярная теория света была основана на частицах, а идея о том, что луч – это свет, согласовывалась с широким набором экспериментов. В результате победителем стала Ньютоновская Opticks, как и его механика с гравитацией.

Эти эксперименты для классических волн известны с 17 века; в районе 1800-го года Юнг показал, что они применимы и к свету.
Волновые свойства света начали понимать ещё лучше благодаря двухщелевым экспериментам Томаса Юнга, где ярко проявлялись конструктивная и деструктивная интерференция.

Томас Юнг провёл ныне ставший классическим эксперимент, в котором свет проходил через двойную щель: две узкие щели, находящиеся на небольшом расстоянии друг от друга. Однако на заре XIX века она начала испытывать трудности. И свет, вместо того, чтобы вести себя, как корпускула, и проходить либо через одну щель, либо через другую, продемонстрировал интерференционную картину: последовательность светлых и тёмных полос.

Если красный цвет соответствовал длинноволновому свету, а синий – коротковолновому, то свет вёл себя точно так, как можно было ожидать от волны. Более того, картина полос определялась двумя настраиваемыми параметрами эксперимента: расстоянием между щелями и цветом света. У эксперимента Юнга был смысл, только если природа света была фундаментально волновой.

Свойства различных цветов света изучено благодаря различию их длин волн.
В двухщелевом эксперименте со светом появляются интерференционные картины, как и у любой волны.

Природа света стала противоречивой темой среди учёных начала XIX века. Но при этом нельзя было игнорировать успехи Ньютона. Волна ли это, или частица? В 1818 году Французская академия наук объявила о конкурсе на объяснение природы света. Как его испытать и как подтвердить испытание?

Он сформулировал новую теорию света, которой был несказанно рад, в основном основав её на работе Гюйгенса XVII века и недавних экспериментах Юнга. Огюстен Жан Френель принял участие в конкурсе, несмотря на то, что по образованию был инженером-строителем, а не физиком или математиком. Всё было готово для совершения величайшей ошибки физики.


Освещение когерентным светом (например, от лазера) непрозрачного сферического объекта – один из наиболее чётких способов проверки волновой, а не корпускулярной, природы света.

Если свет был частицей, как описывал Ньютон, он бы просто перемещался по прямой в пространстве. После того, как он внёс свою работу на рассмотрение, один из судей, знаменитый физик и математик Симеон Дени Пуассон, изучил теорию Френеля весьма тщательно. Различные геометрические конфигурации могут давать разные рисунки, однако общая картина сохраняется. Но если свет был волной, он бы участвовал в интерференции и дифракции при встрече с препятствием, щелью или гранью поверхности.

Представим, что такой свет имеет форму конуса и встречает сферический объект. Пуассон представлял себе свет единственного цвета: одну длину волны в теории Френеля. По теории Френеля, как продемонстрировал Пуассон, в самом центре тени должна быть одна яркая точка. По теории Ньютона тень должна получиться круглой, окружённой светом. Это предсказание, как заключил Пуассон, было очевидно абсурдным.

Яркая точка в центре была абсурдом, заставившим многих отказаться от волновой теории.
Теоретическое предсказание того, как должен выглядеть волновой рисунок света вокруг сферического непрозрачного объекта.

Пуассон захотел вывести предсказание из теории волнового света, у которого было бы очевидно абсурдное следствие, что доказывало бы её ложность. Пуассон попробовал опровергнуть теорию Френеля, показав, что она ведёт к ложным выводам: доказательство от противного. Ньютон был прав, Френель был неправ, дело закрыто. Если предсказание было абсурдным, то и волновая теория должна быть ложной.

Нельзя делать выводы, неважно, насколько очевидными они кажутся, не проведя решающего эксперимента. Однако это и есть величайшая ошибка в истории физики! Она устанавливается запросами к самой природе – а значит, проведением соответствующих экспериментов. Физика делается не на основе элегантности, красоты, простоты доказательства или споров.

Иногда это пятно называют пятном Пуассона, но его необходимо прославить в веках, как пятно Араго, отметив его старания, приведшие к проведению реального эксперимента.
Модель эксперимента, в котором яркое пятно обнаружил Араго.

Франсуа Араго, позже ставший знаменитым в качестве политика, аболициониста и премьер-министра Франции, встав на защиту не только Френеля, но и всего процесса научных изысканий, провёл решающий эксперимент самостоятельно. К счастью для Френеля и науки, глава судейской коллегии не впечатлился рассуждениями Пуассона. И прямо в центре тени можно было легко различить яркое пятно света. Он изготовил сферическое препятствие и светил на него монохроматическим светом, проверяя предсказание волновой теории насчёт конструктивной интерференции. Абсурд, или не абсурд – природа сказала своё слово. Хотя предсказание теории Френеля казалось абсурдным, экспериментальное свидетельство готово было его подтвердить.


Результат эксперимента с использованием лазерного света, обтекающего сферический объект и реальные оптические данные.

Ещё большей ошибкой будет предположить, что и эксперимент проводить не нужно, поскольку его интуиция подскажет, что бывает в природе, а чего не бывает. Большой ошибкой учёного-физика может стать то, что он решит, будто ответ ему известен заранее. Но физика не всегда является интуитивной наукой, и по этой причине мы всегда должны обращаться к экспериментам, наблюдениям и измеримым проверкам наших теорий.

Мы бы не открыли Специальную теорию относительности, квантовую механику или текущую теорию гравитации: Общую теорию относительности Эйнштейна. Без такого подхода мы бы никогда не опровергли взгляд на природу Аристотеля. И мы бы наверняка никогда не открыли волновую природу света.

То, что свет – это волна, одновременно совпадает с и является более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно расщепить на разные цвета
Схематическая анимация постоянного луча света, расщепляемого призмой.

И то, что эта ошибка практически ни на что не повлияла, случилось только из-за научной последовательности Франсуа Араго, не испугавшегося постоять за самый важный научный принцип. Со времён величайшей ошибки в истории физики прошло 200 лет. Ведь именно сам Ньютон в своей Opticks писал: Мы обязаны отвечать на вопросы о Вселенной, подвергая её испытаниям.

Моя цель для этой книги – не объяснять свойства света предположениями, но предположить и доказать их на основании разума и экспериментов.

Предположение о том, что мы можем посмотреть на предсказание и объявить его абсурдным, является нашим большим недостатком, как людей. Без экспериментов никакой науки у нас не получится. Чтобы всё сделать правильно, нужно провести эксперимент. Природа может быть или не быть абсурдной; это не зависит от того, правильна ли она или нет. Без этого вы не занимаетесь наукой.

Читайте: как возникло биоразнообразие, как рентгеновские лучи доказали существование тёмной материи, как грубая сила помогает физикам на Большом адронном коллайдере, почему Титан больше похож на Землю, чем мы думали; серию статей по космологии "Спросите Итана". Больше статей на научно-популярную тему вы сможете найти на сайте Golovanov.net.

Спасибо всем, кто уже оказал поддержку! Напоминаю, что проект существует только благодаря поддержке читателей (банковские карты, яндекс.деньги, вебмани, биткоины, да хоть как).


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Теория счастья. Случайности неслучайны

Продолжаю знакомить читателей Хабра с главами из своей книжки «Теория счастья» с подзаголовком «Математические основы законов подлости». Это ещё не изданная научно-популярная книжка, очень неформально рассказывающая о том, как математика позволяет с новой степенью осознанности взглянуть на мир и жизнь ...

Снежинки в стилистике StarWars своими руками (upd. 2018)

Для изготовления снежинок вам потребуется: Файл со схемой.2. 1. Ножницы.4. Принтер (думаю лазерный будет предпочтительней).3. Бумага.5. Скальпель.5. Лично мое мнение — при печати на стандартной офисной бумаге плотностью 80г/м2 становится не очень удобно вырезать (все-таки при складывании бумаги получается толстый ...