Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - читать онлайн книгу. Автор: Джордж Массер cтр.№ 22

Тем временем на подъеме оказалось другое направление физики — оптика. Почти все в то время соглашались с атомистическим ньютоновским объяснением света как потока частиц. Однако очередной доктор, Томас Юнг из Англии, почерпнул вдохновение в течении воды и других жидкостей. Как и Аристотель, он думал, что свет был импульсом, проходящим через среду, заполняющую пространство. Такое объяснение было популярно среди схоластов Средневековья. В 1803 г. Юнг придумал эксперимент, который вернул ему популярность.

Представьте себе солнечный день, окно с темными занавесками и белую стену напротив окна. Если сделать разрез в занавеске, на стене появится небольшое пятно. Если сделать еще один разрез, на стене появляется не просто второе пятно, как можно было бы ожидать и как предсказывала корпускулярная теория Ньютона. Вместо этого на стене виден узор, похожий на зебру, — чередование светлых и темных полос. К тому же, даже если второй разрез позволяет проходить большему количеству света, исходное пятно обычно становится темнее. Все это становится понятным, если свет — это волна в невидимой среде. Волны, проходящие через два разреза, накладываются и могут либо ослаблять друг друга, либо усиливать. В тех местах, где максимум одной волны совпадает с максимумом другой, волна становится очень сильной, что дает яркую полосу; там, где максимум совпадает с минимумом, волна сводится на нет, тогда получается темная полоса. Это явление называют интерференцией волн. Эксперимент Юнга является классикой физики. Вы можете провести его сами (фокус в том, чтобы сделать разрезы как можно меньше и использовать лазерную указку, а не солнце в качестве источника света). На самом деле эксперименты с нелокальностью вроде тех, которые я упоминал в первой главе, — это усовершенствованная версия эксперимента Юнга.

Какой бы убедительной она ни была, идея Юнга пребывала в забвении в течение полутора десятилетий. Прорыв случился не после какого-то открытия, а после падения Наполеона. При императоре французские ученые-ньютонианцы подавили все конкурирующие теории. Даже в Англии люди были склонны неправильно истолковывать работу Юнга. Только когда политическая и интеллектуальная власть ньютонианцев ослабла, скрытый интерес к волновой природе света начал проявляться в открытую. Общественное мнение повернулось в его сторону к 1820 гг., когда Эрстедвершил революцию в исследованиях электричества и магнетизма.

•

Эти две проблемы теории Ньютона были решены одним человеком — Майклом Фарадеем. Фарадей — одна из самых поразительных личностей в истории науки, пример того, как исследования выигрывают от разнообразия. Родившись в бедной лондонской семье, Фарадей почти не ходил в школу. Он стал учеником переплетчика книг и заинтересовался наукой, читая том «Британскойэнциклопедии», который оставил в магазине один из клиентов. Он взял взаймы у своего брата один шиллинг, чтобы посетить научную лекцию, и создал собственную батарейку на каминной полке в задней комнате магазина. Вскоре после этого Фарадею удалось получить работу у самого известного химика Великобритании, Гемфри Дэви, который провел некоторое время в Германии с немецкими романтиками и разделял их видение единства природы.

Фарадей стал ведущей фигурой в физике как раз тогда, когда физика становилась физикой, а не разделом философии. В 1840 г. было придумано слово «физик». Если спросить ученых сегодня, то они проводят различие между физикой и философией на основании важности экспериментов. Но исторически это разделение было стратегией ребрендинга, частью общей стандартизации и профессионализации академических дисциплин в XIX в.

Фарадей никогда не изучал математику, и для всех нас это хорошо. Математическая элегантность теории Ньютона для него ничего не значила, поэтому ничего не мешало ему рассматривать радикальные концепции. С его точки зрения, самой простой интерпретацией открытия Эрстеда было то, что природа в конечном счете локальна. Однако при этом Фарадей признавал, что ученые не могли вернуться к теориям атомистов, в которых объекты влияют друг на друга только через столкновения. Должен существовать какой-то другой способ локального взаимодействия тел.

Он думал, что теоретики, изучавшие свет, были в чем-то правы с их идеей о влияниях, распространяющихся через вездесущую среду. Хотя электромагнетизм казался совершенно отличным от света явлением, он тоже предполагал существование какой-то среды. Если насыпать железные опилки вокруг магнита, они выстраиваются в грациозные арки, называемые силовыми линиями, которые имеют странное сходство с тем типом деформации, которая образуется в любом эластичном материале, когда вы его растягиваете. Фарадей считал, что эти опилки похожи на темную сажу, собирающуюся на теле невидимого человека: они выдавали присутствие среды.

Но что это могла быть за среда? Фарадей первоначально представлял ее себе как обычное вещество, состоящее из маленьких частиц, каждая из которых в отдельности подчиняется законам движения Ньютона. Но постепенно он осознал, что электромагнитная среда не могла состоять из обычного вещества. Во-первых, если только один обычный объект мог занимать данный участок пространства в одно и то же время, то эта среда сосуществовала с другими объектами. Дуги, сформированные железными опилками, не заканчиваются на полюсах магнита, но продолжаются в самом магните и замыкаются, образуя замкнутый контур; силовые линии пронизывают материю и существуют независимо от нее. Поэтому Фарадей и другие ученые представляли себе эту среду как новый тип вещества, как нематериального посредника или континуум силы, похожий на тот, о котором когда-то размышляли Ньютон, Лейбниц, Кант и др. В 1845 г. Фарадей ввел термин, под которым мы знаем эту среду сегодня, — «поле».

Поле окружает нас и проникает в нас, мы плаваем в нем, и оно всегда действует на нас. Мы никогда не видим его непосредственно, но оно дает нам почувствовать свое присутствие, передавая воздействия от одного места к другому. Поле локально в двух смыслах. Во-первых, электромагнит не преодолевает пространство волшебным образом, чтобы притянуть металлическую скрепку для бумаг. На скрепку влияет только состояние поля в том месте, где она находится, подобно тому как водяной клоп может спокойно плавать на поверхности водоема, не обращая внимания на детей, плещущихся в воде у другого берега. Во-вторых, электромагниту требуется время, чтобы проявить свое воздействие. Когда вы в первый раз включаете его, скрепка чувствует силу не мгновенно. Воздействие должно распространиться через поле, пока оно не достигнет скрепки и не заставит ее дернуться к магниту, подобно тому как плескание в воде приводит к распространению по поверхности водоема волн, которые в конце концов захлестывают бедную букашку. Та же самая логика применима к электрическим силам. Если вы потрете воздушный шарик из латекса о рукав и поднесете его к голове, он взъерошит ваши волосы не мгновенно. Скорее он вызывает возмущения в электрическом поле, и эти эффекты распространяются через промежуток между шариком и волосами, в конечном счете изменяя состояние поля на коже головы.