Что должен сделать хороший ученый, если ваша теория предсказывает что-то абсурдное?
«Тот, кто любит практику без теории, подобен моряку, который садится на корабль без руля и компаса и никогда не знает, куда его забросить». -Леонардо да Винчи
Представьте себя в истории, через сто лет после Исаака Ньютона. Его трактаты по самым разным темам математике, астрономии, гравитации, механике и оптике были проверены лучше, чем любые другие научные дисциплины в истории до того момента.
Многие из этих областей также получили дальнейшее развитие, и было обнаружено, что теории Ньютона не только служили прочным фундаментом для каждой из этих областей, но и часто давали глубокое понимание фундаментальных процессов. Вселенной применительно к новым явлениям.
Это было верно практически для всех вышеупомянутых областей, но с одним исключением: поведением света.
Ньютон настаивал на том, что свет ведет себя как луч, преломляясь, преломляясь и отражаясь в соответствии с законами, изложенными им в его важной книге «Оптика». Благодаря этой работе он смог объяснить целый ряд явлений, включая поведение цветов, которые можно было проверить экспериментально. Действительно, первое предложение его книги начиналось так:
Моя цель в этой книге состоит не в том, чтобы объяснить свойства света с помощью гипотез, а в том, чтобы предложить и доказать их с помощью разума и экспериментов
Но через 100 лет после Ньютона был проведен эксперимент, который просто не мог быть объяснен концепцией Ньютона.
Если вы пропускаете луч света через единственную узкую щель, вы ожидаете, что он достигнет другой стороны, возможно, более интенсивной к самому центру, чем с любого конца, когда вы будете удаляться. Если бы вы пропустили луч света через две щели, вы бы ожидали два центральных пика, каждый из которых исчезал бы по мере того, как вы удалялись от него. По крайней мере, так было бы, если бы свет состоял из корпускул или частиц.
Но когда эксперимент проводился с близко расположенными щелями, в итоге вы увидели не два пика, а большое количество пиков с темными промежутками между ними.
Это явление не может быть объяснено никакой лучевой (или корпускулярной) теорией света, а скорее требует, чтобы свет в основном вел себя как волнаКогда Томас Юнг провел свой эксперимент с двумя щелями в 1799 году, он понял, что этот тип явлений может возникнуть только в том случае, если, как предполагали другие, такие как Гюйгенс, раньше, свет в основном ведет себя как волна. Та же картина интерференции с конструктивными пиками и деструктивными минимумами была знакома каждому, кто проводил аналогичный эксперимент с водными волнами.
Но оказалось, что свет также обладает корпускулярными (или корпускулярными) свойствами. Трактат Ньютона об оптике, в конце концов, смог объяснить, как свет прекрасно отражается и преломляется, не рассматривая свет как волну. Новое откровение - и новые экспериментальные результаты - ни в коем случае не отменяли старые. Наоборот, если бы свет действительно был волной, во всех случаях должно было бы проявляться волнообразное поведение.
Итак, ведущие теоретики того времени, многие из которых были очарованы непогрешимостью Ньютона, решили проверить, не приводит ли идея о том, что свет является волной, к каким-либо абсурдным предсказаниям.
И в 1818 году именно этим и занялся знаменитый французский математик и физик Симеон Пуассон.
Он представил, что произойдет, если у него будет источник света, излучающий одну длину волны - при условии, что это волна, конечно - и распространяющийся по мере того, как он покидает источник, пока не встретит сферическую объект. Свет, падающий на сферу, либо поглощался, либо отражался, и на экране позади нее оставалось кольцо света.
Но если бы свет действительно был волной, вы бы получили некоторые очень странные явления, некоторые из которых можно было бы ожидать, а некоторые совершенно не интуитивны. Вы могли бы ожидать, что за пределами сферы вы получите ряд светлых и темных полос, подобных интерференционной картине, наблюдаемой в двойной щели. Но чего никто не ожидал, так это того, что расчеты Пуассона показали, что в самом центре тени на экране должна быть единственная яркая точка, где волновая природа света все конструктивно мешали в самых неожиданных местах.
Какой абсурд! Таким образом, Пуассон элегантно рассудил, что волновая природа света была смехотворной и, должно быть, ошибочной.
Но Пуассон совершил смертный грех теоретической гордыни: он сделал вывод, вообще не проведя решающего эксперимента! Обстоятельства этого были особенно невыносимы: это было на конкурсе, организованном Французской академией наук по объяснению природы света, и участник, предложивший волновую теорию - Френель - , был буквально высмеян из зала Пуассоном, который был один из судей. Но глава комиссии вступился за абитуриента и решил сделать то, что ученый должен делать на совесть. Франсуа Араго, впоследствии прославившийся как политик, аболиционист и даже премьер-министр Франции, сам провел решающий эксперимент, соорудив сферическое препятствие и осветив его монохромным светом. Результат?
Место настоящее!
Я сам называл это - как и многие другие - пятном Пуассона в прошлом, но больше не буду этого делать. С этого момента, в честь ученого, который фактически подверг науку экспериментальной проверке, он будет известен как Пятно Араго!
Что, пожалуй, самое удивительное в этом, так это то, что если вы создадите идеально круглое препятствие, интенсивность света в самом центре фактически равна полностью беспрепятственно интенсивность, с небольшими круглыми полосками вокруг самого пятна!
Итак, в следующий раз, когда вы столкнетесь с тем, что кажется теоретическим абсурдом, либо потому, что вы верите в это, должно быть так, либо не может быть так, не забывайте о жизненной важности экспериментальной проверки! Это единственная Вселенная, которая у нас есть, и независимо от того, насколько основательны наши теоретические предсказания, они всегда должны подвергаться непрекращающимся и непрерывным проверкам. Ведь никогда не знаешь, какие тайны откроет о себе Вселенная, пока не посмотришь!