О поисках и снова о звонках

В книгах об ученых нередко рассказываются истории о совершенно неожиданных открытиях, о внезапных научных находках. Традиции подобных описаний уходят своими корнями в седую древность. Достаточно вспомнить легенду о том, как Архимед открыл свой знаменитый закон. Не менее знаменит случай с яблоком, позволивший Ньютону открыть закон всемирного тяготения.

Однако, рассказывая о яблоке, часто забывают добавить одну немаловажную деталь. Как-то Ньютона спросили, почему столь ничтожный факт позволил ему открыть один из самых важных законов природы.

"Потому, - ответил он, - что я все время думал об этом".

Знаменитый немецкий поэт и мыслитель Йоганн Вольфганг Гёте, очень серьезно занимавшийся изучением явлений света (он даже повторил все опыты Ньютона), так писал об одном из них: "...исследователь пытал природу, вымогая у нее признание в том, в чем сам уже заранее был уверен".

Можно ли найти то, чего не ищешь? Можно, конечно. Но лишь случайно. И ценность такой находки в подавляющем большинстве случаев равна ценности камешка, подобранного на булыжной мостовой.

Люди всегда ищут то, что хотят найти. Иногда они совершенно точно представляют себе искомое, ибо уже знакомы с ним по предыдущему опыту; иногда - то, что им вовсе не встречалось, но крайне необходимо. В этом случае они не знают точно, как должно выглядеть, каким должно быть то, что разыскивается, но и тогда им известны свойства, а следовательно, хотя бы малая часть признаков искомого.

Ученым всегда приходится искать неизвестное. Значит ли это, что, приступая к своему нелегкому, но увлекательному делу, они не имеют никакого представления о конечной цели? Нет, кое-что они знают заранее. И это "кое-что", подсказанное принятой гипотезой или теорией, позволяет в конце концов найти искомое или, наоборот, доказать невозможность его существования. Последнее часто оказывается чрезвычайно важным и полезным.

Отправляясь по грибы, мы заранее представляем себе их форму; знаем, что собирать их следует не на песчаной речной отмели или в поле, а только в лесу. Это, если хотите, теория. Если бы мы не были знакомы с ней, то есть не знали бы ни того, как выглядят грибы, ни мест, где они растут, то не собрали бы ни одного, даже если бы перед нами поставили полную корзину белых и подосиновиков. Потому что мы не знали бы, что эти плотные, красивые, чуть прохладные на ощупь предметы, похожие на зонтики или забавных человечков в широкополых шляпах, и есть грибы.

Вот и другой случай. Мы пошли рвать орехи. Мы прекрасно знаем, что такое грибы, но не они являются нашей целью. Наши взоры направлены вверх, на ветви орешника, и мы усердно выискиваем среди зеленой листвы прикрепленные к зеленому ложу нежно-палевые скорлупки. И, конечно, мы смотрим под ноги только изредка, лишь для того, чтобы не споткнуться. Часто ли нам будут попадаться грибы? Ну, найдем один или два, а растопчем, быть может, десяток. И даже никогда не узнаем об этом.

Так и в науке. Наиболее плодотворны направленные поиски, когда цель намечена, когда примерно установлен способ поисков.

Бывают, конечно, исключения, когда, стремясь к одному, встречаются по дороге с другим, не менее важным. И все же ни один здравомыслящий исследователь не рассчитывает на случайное открытие. Это ведь то же, что найти изумруд среди булыжников. Но любой настоящий ученый учитывает и эту ничтожную возможность (и, быть может, даже мечтает о ней), и он готов к ней. И если, говоря фигурально, он ищет на ветвях, то никогда не забывает внимательно осмотреть и ствол и корни. И, бывает, находит. Тогда это награда за непрестанное внимание и любовь, с которыми ученый относится к самым мелким, самым незначительным на первый взгляд проявлениям природы.

Если же он хоть на миг ослабит свою бдительность, свое внимание и заинтересованность, он рискует не найти даже того, что ищет. И это - самое большое наказание.

Так были наказаны даже великий Ньютон и Гюйгенс. Ведь они знали, где и что искать, какие факты нужны для проверки их теорий. Более того, эти факты были уже открыты и опубликованы итальянским физиком Франческо Гримальди. Теперь уже нельзя узнать, почему оба ученых прошли мимо них - не заметили или приняли факт за домысел? Кто знает? Великие и даже величайшие ученые тоже люди и тоже могут ошибаться.

Смеркается. В комнате уже совсем темно, буквы в книге едва различимы, предметы теряют свои четкие контуры, сливаются с темнотой. Щелчок выключателя - и комнату заливает электрический свет. Еще щелчок - вспыхивает вторая лампа, становится светлее.

А почему, по какой причине две одинаковые лампы дают света больше, чем одна? Не странный ли вопрос?

С точки зрения потребительской - странный, но со стороны ученого - вполне законный.

Пользуясь освещением, мы не вдаемся в причины, а просто основываемся на опыте, идущем еще от пещерного человека, который знал, что одна горящая головня освещает его жилище слабее, чем две, и гораздо слабее, чем костер, сложенный из многих сучьев.

Для исследователя этого слишком мало. Включение различного количества ламп он может рассматривать как серьезный физический эксперимент. Естественно, что он пожелает количественно установить его результат. Он проведет большую работу, прежде чем придет к выводу, что свет от нескольких одинаковых источников суммируется по определенному закону.

С этим установленным фактом согласится и сторонник корпускулярной теории, и сторонник волновой.

Первый скажет следующее:

- Да, этот факт подтверждает гипотезу Ньютона. Он согласуется с ней. Потому что с увеличением числа источников света растет и количество корпускул, приходящихся на единицу поверхности освещаемых тел.

Второй скажет:

- Да, этот факт подтверждает волновую гипотезу. Он согласуется с ней. Потому что каждый новый источник света увеличивает степень возбуждения эфира, увеличивает размах (амплитуду) колебания его частиц.

Гримальди, о котором уже упоминалось, установил другой факт. Неожиданный, странный, противоречащий нашему повседневному опыту. Он определил, что в известных условиях свет, накладываясь на свет, не увеличивает общее действие, а, наоборот, ослабляет. Короче говоря, в некоторых особых случаях свет может порождать темноту.

Можно ли объяснить подобный, кажущийся парадоксом, факт, опираясь на корпускулярную теорию? Пожалуй, нет. Если только не предположить, что в таких случаях корпускулы, приходя от источников света, сталкиваются друг с другом, и в результате столкновения уничтожаются. Однако такое предположение не соответствует известным науке фактам.

Что же касается волновой теории, то с ее помощью открытие Гримальди оказывалось вполне объяснимым.

Раньше мы рассматривали волны на поверхности воды, бегущие от колеблющегося звонка. Он был единственным источником колебаний. Но что произойдет, когда мы установим второй абсолютно одинаковый звонок на некотором расстоянии от первого?

Давайте проведем такой опыт. Но его осуществление разобьем на три части. В первой будет включен только первый звонок; во второй - только второй звонок, и лишь в третьей части опыта будут включены оба звонка.

Для того чтобы лучше наблюдать результаты опыта, опустим на воду поплавок и поместим его в какой-либо точке прямой линии, соединяющей звонки.

Опыт со звонками. I - включен только первый звонок: волны не успели дойти до второго звонка; II - включен только второй звонок: волны не успели дойти до первого звонка; III - включены оба звонка: волны от каждого из звонков встретились где-то на полпути. Здесь они начали взаимодействовать. Размах колебаний увеличился

Перед началом опыта вспомним еще раз, что волны в воде есть не что иное, как смещение молекул вверх и вниз, перпендикулярно движению волны.

Включим первый звонок. После того как первый гребень дойдет до поплавка и приподнимет его, поплавок будет то опускаться, то подниматься на волне. И он будет совершать такие колебательные движения до тех пор, пока будут существовать волны. Частота колебаний поплавка будет точно равна частоте ударов звонка.

Включаем второй звонок (первый звонок выключен). Повторяется то же самое, что и перед этим, с той лишь разницей, что теперь волны подходят к поплавку с противоположной стороны.

К третьей части опыта следует очень тщательно подготовиться. Не-обходимо так отрегулировать оба звонка, чтобы частоты их колебаний были абсолютно одинаковы. Обмотки звонковых электромагнитов мы приключим к общему выключателю, чтобы обеспечить одновременное включение.

Включаем оба звонка. От каждого из них идут волны - бегущие по воде круги. Но вот они встретились между собой, сперва соприкоснулись, а затем пересеклись. И, после того как это произошло, картина волн изменилась. Мы уже не видим прежних кругов - волны на воде образуют новую сложную фигуру. Изменилось и поведение поплавка.

Если в первых частях опыта поведение поплавка было одинаковым в любой точке прямой, соединяющей звонки, то теперь оно зависит от того, в какой из точек на этой прямой он находится. В некоторых он колеблется с той же частотой, что и звонки, но размах колебаний стал больше; зато в других точках поплавок ведет себя так, как если бы волны вообще отсутствовали.

Отчего это?

Это фотография взаимодействия волн от двух источников колебаний

Оттого, что колебания - сдвиг молекул воды в каждой точке - зависят теперь от воздействия не одной, а двух систем волн. При этом одна волна в данной точке, в данный момент времени может вызывать смещение молекул вниз, а другая, наоборот, вверх. В результате этого взаимнопротивоположного действия молекула останется неподвижной, останется в покое и поплавок. В других точках, в зависимости от расстояний до звонков, может произойти обратное явление: обе волны будут воздействовать на молекулу в одном и том же направлении. И тогда ее сдвиг будет большим, чем при воздействии только одной из волн, - поплавок станет колебаться с увеличенным размахом.

Итак, из нашего опыта мы видим, что волны могут взаимодействовать друг с другом. Следовательно, если исходить из волновой теории света, можно легко объяснить явление, впервые отмеченное Гримальди; этим же можно объяснить и появление знаменитых колец Ньютона.

Такое взаимодействие волн на языке физиков носит специальное название: "интерференция". Слово это латинского происхождения и состоит из двух корней: inter - между и ferens (ferentis) - несущий. Оно лишний раз говорит о том, насколько далеко от нового физического понятия содержание исходных слов, выбранных учеными для обозначения этого понятия.