В 1666 году английский физик Исаак Ньютон провел эксперимент в специально оборудованной затемненной комнате с проделанным в оконном ставне маленьким отверстием. Он поднес к проникающему через отверстие солнечному лучу треугольную стеклянную призму, которую купил на местной увеселительной ярмарке. (В то время призмы считали безделушками, игрушками для детей.) Луч белого света превратился в яркую радугу, которую Ньютон спроецировал на стену. Ньютон был глубоко религиозным человеком и, поскольку в христианском символизме важную роль играло число семь, он увидел в радужном спектре семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. По его мнению, свет состоял из микроскопических цветных корпускул, или частиц. Например, зеленый свет представлял собой поток крошечных зеленых частиц, очень быстро движущихся по прямым траекториям. Если им не препятствовать, они будут бесконечно двигаться вперед, но, столкнувшись с блестящей поверхностью, такой как зеркало, симметрично отразятся от нее. Эти предполагаемые крошечные частицы вели себя почти как бильярдные шары, отскакивающие от стенки. Ньютон любил играть в бильярд и счел эту аналогию весьма подходящей – и, поскольку он был известным человеком, все с ним согласились.
Ньютоновскую теорию частиц очень долго воспринимали как незыблемую истину, пока английский врач и физик Томас Юнг не провел оригинальный эксперимент, полностью перевернувший оптическую науку. Он направил луч света на пластину с двумя параллельно расположенными прорезями. Рисунок, образованный лучами, проходящими через эти прорези, стал для всех огромной неожиданностью. Он представлял собой не проекцию двух отдельных отверстий, а серию чередующихся темных и светлых полос. Они выглядели в точности как рябь на поверхности воды, и теория частиц никак не могла объяснить это явление. Академический маятник стремительно качнулся в противоположную сторону – теперь все были твердо убеждены, что свет представляет собой последовательность волн, распространяющихся из некоего источника. В целом с этим можно согласиться, однако в те времена люди также считали, будто эти волны можно увидеть невооруженным глазом, – а теперь мы знаем, что это не так.
Открытия Уильяма Гершеля и его сестры Каролины поведали нам о существовании других видов света за пределами видимого спектра, в частности инфракрасного света. Немецко-польский химик и физик Иоганн Риттер открыл ультрафиолетовый свет, но лишь в XIX веке открытия в области света оформились по-настоящему. В 1864 году шотландский математик и физик Джеймс Клерк Максвелл обнаружил, что свет представляет собой разновидность электромагнитного излучения – электрические и магнитные волны, движущиеся со скоростью света. Свет, который мы видим, лишь часть гораздо более широкого спектра электромагнитного излучения. Радиоволны, микроволны, рентгеновское излучение и видимый свет – все это формы излучения, принадлежащие к известному электромагнитному спектру.
В 1900 году немецкий физик Макс Планк положил начало новой квантовой эре. Электрические компании, желавшие добиться от нового захватывающего изобретения – электрических лампочек – максимальной мощности света при минимальных энергетических затратах, обратились к Планку за помощью. Задача была довольно сложной, поскольку, если сложить энергию всех световых частот, потребность в энергии была бы бесконечной. И Планк предположил, что свет существует только в дискретных единицах, или квантах. Чтобы довести этот аргумент до логического конца, потребовалась смелость немецко-швейцарского физика Альберта Эйнштейна, который с помощью фотоэлектрического эффекта объяснил, что свет все же представляет собой поток частиц (и получил за свое объяснение Нобелевскую премию).
Так что же такое на самом деле свет – волны или частицы? Похоже, мы снова вернулись к тому, с чего начали. Но в 1924 году французский физик Луи де Бройль положил конец спорам с помощью одного изящного равенства. Свет является одновременно и тем и другим. В квантовом мире движущиеся объекты или частицы вполне можно рассматривать как колебания или как волны. В зависимости от ситуации удобным может оказаться и то и другое наименование. Современная физика изящно решила эту головоломку, внимательно взглянув на воду. Сугробы в занесенном снегом поле на самом деле состоят из множества крошечных снежинок, и в этом нет никакого парадокса. Отдельные капли образуют океан. И этот мысленный образ подводит нас к современному пониманию природы света.