Глава 4. Критерии реальности. 3 глава

Редукционисты уверены, что законы, управляющие взаимодейст­вием дробноатомных частиц, имеют первостепенную важность, по­скольку они являются основой иерархии всего знания. Но в реальной структуре научного знания и в структуре нашего знания в целом такие законы играют гораздо более скромную роль.

Какова же эта роль? Мне кажется, что ни одна из рассмотренных теорий, претендующих на звание «теории всего», не содержит много но­вого в способе объяснения. Возможно, самый передовой подход с объ­яснительной точки зрения — это теория суперструн, в которой эле­ментарными строительными блоками материи являются удлиненные объекты, «струны», а не точечные частицы. Но ни один существующий подход не предлагает нового способа объяснения — нового в смысле объяснения Эйнштейном сил притяжения на основе искривленного про­странства и времени. В действительности, ожидается, что «теория все­го» унаследует практически всю объяснительную структуру сущест­вующих теорий электромагнетизма, ядерных сил и гравитации: их фи­зические концепции, их язык, их математический формализм и форму их объяснений. Значит, мы можем рассчитывать, что эта структура основной физики, которая нам уже известна из существующих теорий, внесет вклад в наше общее понимание.

В физике существует две теории, значительно более глубокие, чем остальные. Первая — это общая теория относительности, по-моему, наша лучшая теория пространства, времени и гравитации. Вторая — еще более глубокая — квантовая теория. Эти две теории (а никакая другая существующая или ныне рассматриваемая теория дробноатом­ных частиц) предоставляют подробную объяснительную и формаль­ную систему взглядов, в которой выражаются все остальные теории современной физики, и содержат основные физические принципы, ко­торым подчиняются все остальные теории. Объединение общей теории относительности и квантовой теории — с целью получения квантовой теории относительности — стало в последние десятилетия основным предметом поисков физиков-теоретиков и должно было бы стать час­тью любой теории всего, как в узком, так и в широком смысле этого термина. Как мы увидим в следующей главе, квантовая теория, как и относительность, предоставляет революционно новый способ объяс­нения физической реальности. Причина, по которой квантовая теория глубже теории относительности, лежит большей частью не в физике, а вне ее, поскольку ее отрасли простираются далеко за пределы физики и даже за пределы самой науки в привычном ее понимании. Квантовая теория является одной из четырех основных нитей [1], образующих наше настоящее понимание структуры реальности[2].

Прежде чем назвать три других нити, я должен упомянуть еще один способ искаженного представления структуры научного знания редукционизмом. Редукционизм принимает не только то, что объясне­ние всегда состоит из разделения системы на более маленькие и прос­тые системы, но и то, что все поздние события объясняются на основе ранних; другими словами, единственный способ что-то объяснить — сформулировать причины этого. А это подразумевает, что, чем рань­ше произошли события, на основе которых мы что-то объясняем, тем лучше объяснение, так что, в конечном счете, все лучше объяснять на основе первоначального состояния Вселенной.

«Теория всего», исключающая определение первоначального состо­яния Вселенной, не является полным описанием физической реальнос­ти, потому что она содержит только законы движения; а законы дви­жения сами по себе делают лишь условные предсказания. То есть они формулируют не то, что происходит, а только то, что произойдет в ка­кое-то время, если известно, что это происходило раньше. Только если известно полное определение начального состояния, в принципе мож­но вывести полное описание физической реальности. Существующие космологические теории не обеспечивают полного определения началь­ного состояния даже в принципе, но они утверждают, что изначально Вселенная была очень маленькой, очень горячей и имела однородную структуру. Но мы также знаем, что Вселенная не могла иметь абсо­лютно однородную структуру, потому что в соответствии с теорией это будет несовместимо с россыпью галактик, которые мы наблюда­ем сегодня в небе. На первоначальные изменения плотности, «неодно­родность распределения материи», значительное влияние оказало гра­витационное сжатие (то есть относительно плотные участки притянули бы больше материи и стали бы более плотными), так что сначала эти изменения, должно быть, были совсем небольшими. Но какими бы маленькими они ни были, они имеют огромное значение для любых описаний реальности редукционистами, потому что почти все, что мы наблюдаем вокруг от россыпи звезд и галактик в небе до появления бронзовых статуй на планете Земля, с точки зрения основной физики является следствием этих изменений. Если наше редукционное описа­ние стремится охватить нечто большее, чем самые крупные свойства наблюдаемой Вселенной, нам нужна теория, определяющая те важней­шие первоначальные отклонения от однородности.

Я попытаюсь заново сформулировать последнее требование, не принимая во внимание предубеждения редукционистов. Законы дви­жения любой физической системы дают только условные предсказа­ния и, следовательно, совместимы со многими возможными варианта­ми развития этой системы. (Это не зависит от ограничений предсказа­ния, которые накладывает квантовая теория и о которых я расскажу в следующей главе). Например, законы движения, которым подчиняет­ся ядро, выпущенное из пушки, совместимы с многими возможными траекториями, каждая из которых соответствует одному из возможных направлений и подъемов ствола пушки при выстреле (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Некоторые возможные траектории движения пушечного ядра. Каж­дая траектория совместима с законами движения, но только одна из траек­торий относится к конкретному случаю

Математически законы движения можно выразить системой урав­нений, которые называют уравнениями движения. Существует много различных решений этих уравнений, каждое из которых описывает какую-то возможную траекторию. Чтобы определить, какое решение описывает действительную траекторию, необходимо обеспечить допол­нительные данные - некоторую информацию о том, что происходит в действительности. Один из способов осуществить это заключает­ся в определении начального состояния, в данном случае направления ствола пушки. Однако существуют и другие способы. Например, мы точно также могли бы определить конечное состояние — положение и направление движения пушечного ядра в момент его приземления. Или мы могли бы определить положение самой высокой точки траектории. Мы можем давать любые дополнительные данные, если они помога­ют выбрать одно конкретное решение системы уравнений движения. Объединение любых дополнительных данных такого рода с законами движения равноценно теории, которая описывает все, что происходит с пушечным ядром с момента выстрела до удара.

Точно также законы движения для физической реальности в целом будут иметь много решений, каждое из которых соответствует кон­кретному случаю. Для завершения описания нам придется определить, какой случай произошел в действительности, предоставляя достаточ­но дополнительных данных для получения одного из многих решений уравнений движения. В простых космологических моделях, по край­ней мере одним из способов получения таких данных является опре­деление начального состояния Вселенной. Но, кроме того, мы могли бы определить конечное состояние или состояние в любой другой мо­мент времени: или мы могли бы предоставить некоторую информацию о начальном состоянии, какую-то информацию о конечном состоянии и о промежуточных состояниях. В общем, объединив достаточное ко­личество дополнительных данных разного рода с законами движения, мы, в принципе, получили бы описание физической реальности.

Как только мы определим, скажем, конечное состояние пушечно­го ядра, мы сможем непосредственно вычислить его начальное состо­яние, и наоборот, поэтому между различными методами определения дополнительных данных не существует практической разницы. Однако большую часть таких вычислений для Вселенной трудно обработать. Я сказал, что мы делаем вывод о существовании «неоднородности рас­пределения материи» в начальных состояниях из сегодняшних наблю­дений этой «неоднородности». Но это исключение: большая часть на­шего знания о дополнительных данных — о том, что конкретно проис­ходит, — существует в форме теорий высокого уровня об исходящих явлениях и, следовательно, по определению практически не поддает­ся выражению в виде формулировок начального состояния. Например, в большей части решений уравнений движения Вселенная в своем на­чальном состоянии не обладает свойствами, необходимыми для появле­ния жизни. Следовательно, наше знание того, что жизнь появилась, — значительная часть дополнительных данных. Возможно, мы никогда не узнаем, что это ограничение значит для подробной структуры Боль­шого Взрыва, но мы можем сделать выводы непосредственно из него. Например, первая точная оценка возраста Земли была сделана на ос­нове биологической теории эволюции, которая противоречила самым выдающимся достижениям физики того времени. Только предубежде­ние редукционистов могло заставить нас считать, что эти доказатель­ства были по какой-то причине менее вескими или, в общем, теории о начальном состоянии были более «фундаментальны», чем теории об исходящих особенностях реальности.

Даже в области основной физики идея о том, что теории началь­ного состояния содержат наши самые глубокие знания, весьма ошибоч­на. Одна из причин этого состоит в том, что она логически исключает возможность объяснения самого начального состояния: почему было начальное состояние, каким оно было, — однако в действительности у нас есть объяснения многих аспектов начального состояния. В об­щем, ни одна теория времени не способна давать объяснения на основе чего-то «более раннего»; тем не менее, благодаря общей теории относи­тельности, а также квантовой теории (см. главу 2) у нас есть глубокие объяснения природы времени.

Таким образом, характер многих наших описаний, предсказаний и объяснений реальности не имеет ничего общего с теорией «начального состояния в совокупности с законами движения», к которой приводит редукционизм. Не существует причины рассматривать теории высоко­го уровня как «второсортные». Наши теории дробноатомной физики и даже квантовая теория относительности не имеют никаких преиму­ществ перед теориями об исходящих свойствах. Ни одну из этих облас­тей знания нельзя отнести к другим. Каждая теория содержит логичес­кие выводы остальных, однако не все эти выводы можно сформулиро­вать, поскольку они являются исходящими свойствами области других теорий. В действительности, неправильно употреблять сами термины «высокий уровень» и «низкий уровень». Законы биологии, например, — исходящие следствия высокого уровня законов физики. Но логически некоторые законы физики являются «исходящими» следствиями зако­нов биологии. Могло быть и так, что законы, которым подчиняются биологические и другие исходящие явления, полностью определяли бы законы основной физики. В любом случае, когда две теории логически связаны между собой, логика не заставляет рассматривать одну из них как определяющую вторую в целом или частично. Это зависит от объ­яснительных отношений между теориями. Преимущества имеют не те­ории, которые определяют конкретную шкалу размеров или сложности, и не теории, которые расположены на определенном уровне предсказательной иерархии, а те, которые содержат самые глубокие объяснения. Структура реальности состоит не только из составляющих редукционизма, как-то: пространство, время и дробноатомные частицы, — но и из жизни, мыслей, вычислений и многого другого, к чему относятся эти объяснения. Теория становится в большей степени основной, не­жели производной, не из-за своей близости к предсказывающей основе физики, а из-за своей близости к нашим самым глубоким объяснитель­ным теориям.

Квантовая теория, как я уже говорил, является одной из таких те­орий. Три другие основные нити объяснения, через которые мы стре­мимся понять структуру реальности, относятся к «высокому уровню» с точки зрения квантовой теории. Это теория эволюции (первоначально эволюции живых организмов), эпистемология (теория познания) и те­ория вычисления (о вычислительных машинах и о том, что они могут вычислить, а что не могут). Как вы увидите, между основными прин­ципами этих четырех, на первый взгляд, независимых предметов были обнаружены такие глубокие и разнообразные связи, что наилучшим образом понять один из них, не понимая три оставшиеся, стало невоз­можно. Все четыре формируют связную объяснительную структуру, которая имеет настолько обширные перспективы, и охватывает зна­чительную часть нашего понимания мира, что, на мой взгляд, ее уже можно справедливо назвать первой настоящей Теорией Всего. Таким образом, мы подошли к знаменательному моменту в истории идей — моменту, когда масштаб нашего понимания становится действительно универсальным. До настоящего времени все наше понимание касалось некоторого аспекта реальности, нехарактерного для целого. В будущем оно охватит объединенное понятие реальности: все объяснения будут пониматься на фоне универсальности, а каждая новая идея будет ав­томатически стремиться освещать не только конкретный предмет, но в различной степени все предметы. Понимание, которое мы в конечном итоге получим из последнего огромного объединения, может значитель­но превзойти понимание, которое мы получали от предыдущих объяс­нений. Мы увидим, что здесь объединяется и объясняется не только физика и не только наука, но и отдаленные области философии, логи­ки и математики, этики, политики и эстетики: возможно, все, что мы понимаем в настоящее время, а может быть, и многое из того, что мы еще не понимаем.

Какой же тогда вывод я адресовал бы себе-ребенку, который отвер­гал то, что рост знания делает мир менее понятным? Я бы согласился с ним, хотя сейчас я считаю, что важно не то, может ли одна из особей нашего конкретного вида понять все то, что понимает весь вид. Важно то, действительно ли едина и понятна сама структура реальности. Су­ществует множество причин считать, что это так. Будучи ребенком, я просто знал это: сейчас я могу это объяснить.

Терминология.

Эпистемология — наука о природе познания и процессах, кото­рые ее создают.

Объяснение — (грубо) утверждение о природе и причинах вещей.

Инструментализм — система взглядов, в соответствии с кото­рой целью научной теории является предсказание результатов экспе­риментов.

Позитивизм — крайняя форма инструментализма, утверждаю­щая, что все формулировки, отличные от тех, которые что-либо описы­вают или предсказывают, не имеют смысла. (Этот взгляд сам не имеет смысла по своим же критериям).

Редукционный — редукционное объяснение — это объяснение, которое раскладывает все вещи на составляющие низкого уровня.

Редукционизм — система взглядов, в соответствии с которой научные объяснения изначально являются редукционными.

Холизм — идея о том, что обоснованными являются только объ­яснения, сделанные на основе систем высокого уровня; противополож­ность редукционизма.

Исход — исходящим явлением называется такое явление (как жизнь, мысль или вычисление), относительно которого существуют по­нятные факты или объяснения, которые не просто выводятся из теорий низкого уровня, но которые могут объяснить или предсказать теории высокого уровня, относящиеся непосредственно к этим явлениям.

Резюме.

Научное знание, как и все человеческое знание, состоит главным образом из объяснений. Простые факты можно посмотреть в справоч­нике, предсказания важны только при проведении решающих экспери­ментов для выбора более точной научной теории, которая уже прошла проверку на наличие хороших объяснений. По мере того, как новые те­ории вытесняют старые, наше знание становится как шире (когда по­являются новые предметы), так и глубже (когда наши основные теории объясняют больше и становятся более обобщенными). Глубина побеж­дает. Таким образом, мы не удаляемся от того состояния, когда один человек сможет понять все, что понято, а приближаемся к нему. Наши самые глубокие теории настолько переплетаются друг с другом, что их можно понять только совместно, как единую теорию объединенной структуры реальности. Эта Теория Всего имеет гораздо больший мас­штаб, чем та «теория всего», которую ищут ученые, занимающиеся фи­зикой элементарных частиц, потому что структура реальности состоит не только из таких составляющих редукционизма, как пространство, время и дробноатомные частицы, но также, например, из жизни, мыс­ли и вычисления. Четыре основных нити объяснения, которые могут составить первую Теорию Всего — это

квантовая физика, Главы 2, 9, 11, 12, 13, 14;

эпистемология, Главы З, 4, 7, 10, 13, 14;

теория вычислений, Главы 5, б, 9, 10, 13, 14;

теория эволюции, Главы 8, 13, 14.

Следующая глава посвящена первой и самой важной из четырех нитей — квантовой физике.

Глава 2. Тени.

Не существует лучшей, более открытой двери к изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи.

Майкл Фарадей

(Курс из шести лекций по химической истории свечи)

В своих знаменитых научных лекциях в Королевском институте Майкл Фарадей всегда побуждал своих слушателей изучать мир, рас­сматривая, что происходит при горении свечи. Я заменю свечу элек­трическим фонариком. Это правомерно, поскольку устройство электри­ческого фонарика во многом основано на открытиях Фарадея.

Я опишу несколько экспериментов, которые иллюстрируют явле­ния лежащие в основе квантовой физики. Такого рода эксперименты со множеством изменений и уточнений в течение многих лет остава­лись средством к существованию квантовой оптики. В их результатах нет противоречий, однако даже сейчас в некоторые из них трудно по­верить. Основные эксперименты удивительно просты. Они в сущнос­ти не требуют ни специальных научных инструментов, ни глубокого знания математики или физики, они заключаются всего лишь в отбра­сывании теней. Обычный электрический фонарик может производить весьма странные картины света и тени. При более внимательном рас­смотрении можно увидеть, что они имеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новые физические законы, а но­вый уровень описания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научной сферой. Прежде всего, эти картины откры­вают существование параллельных миров. Как это возможно? Какая мыслимая картина теней может повлечь за собой подобные выводы?

Представьте включенный электрический фонарик в темной комна­те где нет других источников освещения. Нить накала лампочки ис­пускает свет, который расширяется, образуя часть конуса. Чтобы не усложнять эксперимент отраженным светом, стены комнаты должны быть матово-черными для полного поглощения света. Или, поскольку мы проводим эти эксперименты только в своем воображении, можно представить комнату астрономических размеров, чтобы до завершения эксперимента свет не успел достигнуть стен и вернуться. Рисунок 2.1 иллюстрирует данный опыт. Но этот рисунок в некоторой степени не соответствует истине: если бы мы смотрели на фонарик со стороны, мы не смогли бы увидеть ни фонарик, ни свет. Невидимость — одно из простейших свойств света. Мы видим свет лишь тогда, когда он попа­дает в наши глаза (хотя, как правило, мы говорим о последнем объекте, на который воздействовал этот свет и который оказался по линии на­шего зрения). Мы не можем увидеть свет, который просто проходит мимо. Если бы в луче оказался отражающий объект или даже пыль или капельки воды, чтобы рассеять свет, мы смогли бы его увидеть. Но поскольку в луче ничего нет, и мы смотрим на него извне, его свет не достигает нас. Наиболее точно то, что мы должны увидеть, следовало бы представить абсолютно черной картинкой. В присутствии второго источника света, мы могли бы увидеть фонарик, но опять же не его свет. Лучи света, даже самого интенсивного света, который мы можем получить (с помощью лазеров), проходят друг через друга, как если бы ничего не было вообще.

На рисунке 2.1 видно, что около фонарика свет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как луч расширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся в луче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше, а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бы так? Способен ли свет действительно рас­пространяться неограниченно все более тонкими лучами? Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысяч километров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глаз мог его раз­личить, и наблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; а животное с более чувствительным зрением? Глаза ля­гушки в несколько раз чувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствовать ощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем была лягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда она полностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушка увидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравные промежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления ля­гушки от фонарика. Но отдельные вспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров от фонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но эта вспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другого расстояния.

Лягушки не могут рассказать нам, что они видят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используем фотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышает чувстви­тельность глаз лягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через тем­ные фильтры, а не наблюдаем его на расстоянии ста миллионов кило­метров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого не меняются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причем вспышки — одинаково яркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцание показывает, что сущест­вует предел равномерного распространения света. Пользуясь термино­логией ювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно «ков­ким». Подобно золоту небольшое количество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, в конечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Даже если можно как-нибудь предотвратить группирование атомов золота, существует предел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не перестало быть золотом. Поэтому единственный способ сделать золо­той лист толщиной в один атом еще тоньше - расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними было пустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга, заблужде­нием будет считать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золота находился бы в среднем на расстоянии несколь­ких сантиметров от своего ближайшего соседа, можно было бы провес­ти рукой через «лист», не прикасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарик или «атом», фотон. Каждая вспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ее глаз. Луч света становится слабее не потому, что са­ми фотоны ослабевают, а потому, что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между ними увеличивается (рисунок 2.2). Очень слабый луч неправомерно называть «лучом», поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит не потому, что свет, по­падающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать на сетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.

Это свойство появления света в виде шариков дискретных разме­ров называется квантованием. Отдельный шарик, фотон, называется квантом (во множественном числе кванты). Квантовая теория полу­чила свое название от этого свойства, которое она приписывает всем измеримым физическим величинам, а не только количеству света или массе золота, которые квантуются, поскольку на самом деле состоят из частиц, хотя и выглядят непрерывными. Даже для такой величины, как расстояние (например, между двумя атомами), понятие непрерывного диапазона возможных величин оказывается идеализацией. В физике не существует измеримых непрерывных величин. В квантовой физике су­ществует множество новых явлений, и, как мы увидим, квантование — одно из простейших. Однако в некотором смысле оно остается ключом ко всем остальным явлениям, поскольку если все квантуется, каким образом может изменяться значение какой-то величины? Как объект попадает из одного места в другое, если не существует непрерывного диапазона промежуточных положений, где он может находиться по пу­ти? В Главе 9 я объясню, как, но сейчас позвольте мне отложить этот вопрос на некоторое время и вернуться в область, близкую к фонари­ку, где луч выглядит непрерывным, потому что каждую секунду он испускает около 10¹⁴ (ста триллионов) фотонов в глаз, который на него смотрит.

Граница между светом и тенью резкая или существует некоторая серая область? Обычно существует довольно широкая серая область, и одна из причин ее существования показана на рисунке 2.3. Там пока­зана темная область (называемая полной тенью), куда не доходит свет от нити накала. Там же присутствует и освещенная область, которая может получать свет от любого участка нити накала. И поскольку нить накала является не геометрической точкой, а имеет определенный раз­мер, между освещенной и неосвещенной областью также присутствует полутень: область, которая может получать свет только от некоторых участков нити накала. Если наблюдать из области полутени, то мож­но увидеть только часть нити накала, и освещение будет меньше, чем в полностью освещенной области.

Однако размер нити накала — не единственная причина того, поче­му фонарик отбрасывает полутень. Различное влияние на свет оказы­вают рефлектор, расположенный позади лампочки, стеклянный колпак фонарика, различные стыки и дефекты и т. д. И поскольку сам фона­рик достаточно сложен, мы ожидаем появления сложных картин света и тени. Но побочные свойства фонариков не являются предметом таких экспериментов. За нашим вопросом о свете фонарика скрывается более фундаментальный вопрос о свете вообще: существует ли, в принципе, некий предел резкости границы (другими словами, насколько узкой может быть полутень)? Например, если фонарик сделать из абсолютно черного (неотражающего) материала и если использовать все уменьша­ющиеся нити накала, возможно ли сужать полутень беспредельно?

Глядя на рисунок 2.3 можно подумать, что это возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но на рисунке 2.3 я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что свет распространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, что это так и есть, поскольку мы не видим волн. Но точ­ные эксперименты показывают, что свет не всегда распространяется прямолинейно. При некоторых обстоятельствах свет искривляется.

Это сложно продемонстрировать с помощью фонарика, потому что сложно сделать крошечные нити накала и абсолютно черные поверх­ности. Эти практические сложности скрывают те ограничения, кото­рые основная физика накладывает на резкость теней. К счастью, ис­кривление света можно также показать по-другому. Предположим, что свет фонарика проходит через два последовательных маленьких от­верстия в светонепроницаемых экранах, как показано на рисунке 2.4, и что проходящий через эти отверстия свет падает на третий экран. Во­прос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять, уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторым экранами, можно ли беспредельно сужать полную тень (область абсо­лютной темноты) до тех пор, пока она не превратится в прямую ли­нию между центрами двух отверстий? Может ли освещенная область между вторым и третьим экраном быть ограничена произвольно уз­ким конусом? Говоря языком ювелиров, сейчас мы спрашиваем что-то вроде того, «насколько пластичен свет», в насколько тонкую нить мож­но растянуть свет? Из золота можно получить нити толщиной в одну десятитысячную миллиметра.

Рис. 2.4. Получение узкого луча света, проходящего через два последовательных отверстия

Оказывается, что свет не так пластичен, как золото! Задолго до того, как диаметр отверстий приблизится к десятитысячной доле мил­лиметра, а в действительности, уже при диаметре отверстий около одного миллиметра свет начинает оказывать заметное противодейст­вие. Вместо того чтобы проходить через отверстия прямыми линия­ми, свет сопротивляется ограничению и распространяется за каждым отверстием. И распространяясь, свет «рассеивается». Чем меньше диа­метр отверстия, тем сильнее свет рассеивается от прямолинейного пу­ти. Появляются сложные картины света и тени. Вместо освещенной и темной областей с полутенью между ними на третьем экране мы ви­дим концентрические кольца разной толщины и яркости. Кроме того, там присутствует цвет, так как белый свет состоит из фотонов разных цветов, каждый из которых распространяется и рассеивается немного по-разному. На рисунке 2.5 показана типичная картина, которую мо­жет образовать на третьем экране белый свет, пройдя через отверстия в первых двух экранах. Не забывайте, здесь всего лишь отбрасывается тень. Рисунок 2.5 — это всего лишь тень, отброшенная вторым экраном, изображенным на рисунке 2.4. Если бы свет распространялся только прямолинейно, появилась бы только крошечная белая точка (гораздо меньше, чем яркое пятно в центре рисунка 2.5), окруженная очень узкой полутенью. Все остальное было бы полной тенью — совершенной темнотой.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: