Что же тогда есть свет? Волна ли он? Частица? А нужно ли делать выбор между тем и другим? Ясно, что свет в такой же мере волна или частица, как сила — вектор или камешки — числа. Из математической теории волн и из наших наблюдений мы заключили, что физическому объекту, называемому светом, можно поставить в соответствие математический объект, называемый волной, и что структура и соотношения математического мира волн являются в некотором смысле тенью или зеркальным отражением структуры и соотношений, реально наблюдаемых для света.
К середине девятнадцатого века, после работ Юнга и Френеля, стало принятым связывать с каждым световым пучком некое возмущение, или смещение, перпендикулярное направлению движения и распространяющееся в вакууме с постоянной скоростью (скоростью света). С чистым цветом связывали периодическое смещение, гребни и впадины которого повторяются регулярно через расстояние в длину волны. Как обычно, произведение длины волны на частоту дает скорость, которая в вакууме одинакова для всех цветов, или длин волн. Следовательно, вакуум — среда без дисперсии. Отсюда легко понять природу различных цветов. Мы также в состоянии объяснить, почему свет всегда распространяется с одной и той же скоростью независимо от вида источника — будь он Солнцем, спичкой или электрической лампой. Дело в том, что волны всегда распространяются со скоростью, не зависящей от вида источника и происхождения того возмущения, которое их возбудило. Далее, мы можем объяснить дисперсию. Мы постулируем, что существуют такие материалы, в которых скорость света различна для разных цветов (разных длин волн). Поведение света при отражении и преломлении можно согласовать с поведением волн на границе раздела двух сред. Для того чтобы преломленный свет в более плотной среде отклонялся в направлении перпендикуляра к поверхности, достаточно потребовать, чтобы свет распространялся в этой среде медленней (что фактически и наблюдается), тогда как корпускулярная теория требует более быстрого распространения.
Волновая теория приводит в порядок широкий класс разнообразных явлений — интерференцию, дифракцию и т. д. (этот список можно значительно увеличить). Длины волн, найденные из интерференционных картин, согласуются с длинами волн, полученными из наблюдений дифракции. Вся система выглядит как единое целое. Старая проблема прямолинейного распространения света перестает быть проблемой, если вспомнить, что линейная волна сохраняет свое направление распространения до встречи с поверхностью или преградой. Когда свет проходит через небольшое отверстие в преграде, он отклоняется. Отклонение невелико (его величина определяется отношением длины волны к размеру отверстия), и оно экспериментально наблюдается.
Сами волны, разумеется, невидимы. Однако, когда они попадают на сетчатку глаза, они возбуждают ее. Если волны попадают на какой-нибудь материал, они могут пройти сквозь него, могут им поглотиться, могут нагреть материал. Но, как и почему это происходит, мы не знаем, — по существу, нам ничего не известно об этих волнах. Мы ничего не знаем о природе смещения, не знаем, как происходит взаимодействие с веществом, и что, собственно говоря, смещается.
Почему некоторые материалы обладают дисперсией, почему одни материалы прозрачные, а другие — непрозрачные, почему свет распространяется медленнее, в более плотных средах и быстрее в менее плотных, каким образом свет возбуждает в сетчатке зрительные образы, а в фотопластинке химические процессы — вот те вопросы, на которые можно ответить, лишь предложив теорию, содержащую объяснение взаимодействия света с веществом. Если считать, например, что свет состоит из частиц, то можно было бы предположить, что эти частицы, сталкиваясь с атомами вещества, оказывают на них во время столкновения какое-то силовое воздействие. Если же рассматривать свет как волну, то можно было бы допустить, что атомы вещества колышутся на волне, подобно пробкам на поверхности озера. Прежде чем вывести какие-то следствия, нам обязательно пришлось бы выдвигать подобные предположения.
Если свет — волна, то непонятно, каким образом волна передает свою энергию веществу. Допустим, что мы пытаемся объяснить это явление по аналогии со случаем, когда поверхностная волна отдает свою энергию пробка, заставляя последнюю колебаться. Размах колебаний зависит от амплитуды волны, т. е. от высоты гребней и впадин. По мере распространения круговой волны от точечного источника амплитуда волны уменьшается, и, видимо, не существует такой предельно малой величины амплитуды, когда волна перестает раскачивать пробку. Передает ли свет свою энергию веществу таким образом? С точки зрения волновой теории дело обстоит именно так, и никто в этом не сможет усомниться. Тем не менее окажется, что теория, предсказывающая непрерывную передачу энергии от света веществу, не согласуется с экспериментом.
Существуют и другие вопросы, ответы на которые приводят к новым проблемам, так что в конце концов мы оказываемся в таких густых дебрях, о существовании которых мы вначале не подозревали. Одна из таких проблем — это вопрос о природе света. Любая попытка понять, что представляет собой эта светящаяся субстанция, уводила ученых все глубже и глубже. Тем не менее поиски ответа на этот вопрос всегда оказывались плодотворными. Когда в девятнадцатом веке признали, что свет — волна, и когда Максвелл окончательно установил, что свет — это волна электромагнитная, все настойчивее стал задаваться вопрос: в чем распространяется эта волна? Какая среда несет ее? Все рассмотренные нами волны, служившие в качестве прототипов математической волны, были возмущениями в какой-то среде: звуковые волны — это возмущение воздуха, волны на воде — возмущение поверхности воды и, наконец, волны в пружине — возмущение, распространяющееся вдоль пружины. В какой же среде распространяются возмущения, именуемые светом? Для удобства этой среде присвоили название «светоносный эфир». И это название (если заниматься грамматическим разбором предложений) всегда выступало в качестве подлежащего вместе со сказуемым «колебаться». Максвелл писал:
«Изобретали эфир для планет, — в котором они могли бы плавать, эфиры для образования электрических атмосфер и магнитных истечений, для передачи ощущений от одной части нашего тела к другой и т. д., пока все пространство не было наполнено тремя или четырьмя эфирами».
И далее:
«Только один эфир пережил остальные, это — эфир, придуманный Гюйгенсом для объяснения распространения света».
Он должен существовать в безвоздушном космическом пространстве, так как свет может распространяться в вакууме. Он должен проникать в прозрачные среды. Однако его свойства должны быть чрезвычайно странными. Для того чтобы эфир мог поддерживать колебания, распространяющиеся со скоростью света, он, несмотря на свою тонкость, должен был обладать упругими свойствами твердого тела. После смещения эфир должен был возвращаться в исходное положение подобно- стальной пружине.
Нельзя не признать, что свойства такого эфира довольно причудливы. Но самое поразительное из них состояло в том, что эфир оказался абсолютно не наблюдаем. Все попытки обнаружить эфир или какое-нибудь из его проявлений терпели одну неудачу за другой, пока, наконец, ученые не бросили этим заниматься, сохранив лишь утверждение, что свет распространяется относительно эфира. А когда и это утверждение не удалось доказать, произошла одна из величайших революций в физике.