Возрождение эфира как среды, переносящей свет, связано с именем и трудами старшего современника Ньютона — Х. Гюйгенса, родившегося в 1626 году в Гааге и шестнадцатилетним юношей поступившего в Лейденский университет, чтобы изучать право. Однако, начиная с 1651 года, он публикует ряд оригинальных математических трактатов и начинает работать над усовершенствованием зрительных труб. Его телескоп был столь хорош, что позволил обнаружить спутник у планеты Сатурн. Сделав еще более крупный телескоп Гюйгенс увидел, что таинственные выступы Сатурна, описанные Галилеем, в действительности являются кольцами, окружающими планету. Занятия астрономией побудили Гюйгенса к разработке точных часов.

Уже в 1657 году он добился того, к чему стремился Галилей: соединил маятник с часовым механизмом, создав этим современные часы. Это был первый механический автомат, действующий без участия человека. Впоследствии Гюйгенс создал и часы с вращающимся маятником — балансиром, сохранившимся до наших дней во всех переносных механических часах. Он же предложил применять эти часы для определения географической долготы при вычислении положения корабля в море. Здесь не место для обсуждения значительных работ Гюйгенса в области механики, акустики и теплоты.

Наша тема — связанная с эфиром — переносит нас в 1678 год. Гюйгенс прочел перед Парижской академией наук свой мемуар. В нем он доказывал, что свет происходит от колебательного движения бесконечно тонкой и легкой среды — эфира — и распространяется в ней волнообразно, наподобие звука в воздухе.

Так, уже в новое время, эфир, вытесненный Коперником с небесных сфер, спустился на Землю, чтобы затем заполнить собой Вселенную. Теперь эфир уподобился реальной физической среде, обладающей определенными свойствами. Гюйгенс пишет: «Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества».

Издание мемуара надолго задержалось вследствие начавшихся во Франции религиозных распрей. Гюйгенс был вынужден покинуть Париж и возвратиться в Лейден.

Работая над мемуаром Гюйгенс знал о корпускулярной теории света, предложенной Ньютоном, и видел трудности, возникающие при ее применении. Знал он и о том, что сам Ньютон был вынужден признать, что свету свойственна особая периодичность, а корпускулы во время полета совершают колебания, которые передаются эфиру.

Мемуар Гюйгенса начинается с критики корпускулярной теории, которая не может объяснить прямолинейного распространения света в плотных телах (в которых корпускулы света должны рассеиваться в стороны).

В своем мемуаре Гюйгенс рассуждал о тончайшей, в высшей степени подвижной материи, заполняющей всю Вселенную и проникающей в прозрачные тела. Основываясь на этой гипотезе и на аналогии с волнами в воздухе, Гюйгенс получает законы отражения и преломления света.

Центральным пунктом его теории является принцип построения световой волны, образующейся путем взаимодействия множества сферических волн, складывающихся между собой. Это можно теперь увидеть во всех учебниках физики. Триумфом теории было объяснение явления двойного лучепреломления в кристаллах исландского шпата, в котором световая волна расщепляется на две волны, бегущие в различных направлениях.

Но здесь волновую теорию и эфир, описанный Гюйгенсом, поджидало первое поражение. Продольные волны, подобные звуковым волнам в воздухе, неспособны объяснить явления, наблюдаемые при последовательном прохождении световых волн через два кристалла. Мы обсудим этот опыт позже. Речь пойдет о поляризации света, которую невозможно объяснить, считая свет — продольными волнами эфира.

Это послужило Ньютону основным аргументом против волновой теории света, а следовательно и против существования светоносного эфира. Эфир снова сошел с научной сцены и память о нем надолго стерлась.

Идея Гримальди о поперечных колебаниях эфира тоже оказалась забытой и возродилась лишь через сто лет.

Следующий существенный шаг в истории эфира сделал Т. Юнг, английский врач, предметом диссертации которого в области медицины были исследования человеческого голоса. Юнг отличался широким диапазоном интересов. Вероятно по аналогии с периодическим усилением и ослаблением звуков, — звуковыми биениями, — которые он объяснял наложением двух звуковых волн, он заинтересовался периодичностью, возникающей при оптических явлениях. Он, по-видимому, узнал о них из книг Ньютона. Но теория «приступов», при помощи которой Ньютон объяснил цвета тонких пленок и пластин, казалась ему слишком искусственной.

Дискутируя с Ньютоном, Юнг опирается на самого Ньютона, который объяснил взаимным наложением двух волн сильные приливы у Филиппинского архипелага, изученные Галилеем.

Юнг проводит мысленный эксперимент с двумя волнами одинаковой длины и высоты, бегущими с постоянной скоростью по поверхности озера. Пусть эти волны приходят к каналу, выходящему из озера. Возможны два случая. Первый — вершины одной из волн накладываются на вершины другой; в канале возникает волна большей величины, чем при наличии лишь одной из волн. Второй случай — вершины одной из волн совпадают с впадинами другой; поверхность воды в канале остается ровной.

Юнг не только понял существо явления, но и придумал для него подходящий термин, составленный из двух латинских слов: интер (между) и ференс (несущий) — взаимодействие между несущими (волнами).

«Так вот, — заключает Юнг, — я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».

В 1802 году Юнг подкрепил свой мысленный опыт реальным. Он проделал булавкой два близких отверстия в непрозрачном экране и направил на них свет, проходящий через небольшое отверстие в ставне. От каждого из булавочных отверстий распространяются два расширяющихся конуса света. Там, где они перекрываются, образуются чередующиеся темные и светлые полосы. Сторонники корпускулярной теории света должны были ожидать в этой зоне равномерное усиление освещенности. Но этого не было.

Так Юнг впервые осуществил экспериментальное подтверждение волновой природы света. Волновая теория света, казалось, получила надежное опытное обоснование.

Юнг вывел целый ряд следствий из принципа интерференции. В частности он объяснил эмпирические результаты, полученные Ньютоном при наблюдении полос, возникающих в воздушном зазоре между выпуклой линзой и плоской стеклянной пластинкой. Более того, он заполнил этот зазор водой и, обнаружив, что кольца, видимые в этом зазоре, уплотнились, решил старый спор между Гюйгенсом и Ньютоном.

Из волновой теории Гюйгенса следовало, что длина волны света в более плотной среде уменьшается, а значит уменьшается и скорость света. Корпускулярная теория Ньютона предсказывала увеличение скорости света в более плотной среде. Опыт решил в пользу волновой теории.

Интересно, что выполнив описанный выше мысленный опыт с поперечными волнами на поверхности воды, Юнг продолжал, вслед за Гюйгенсом, считать, что свет распространяется волнами сжатия и разрежения.

Вероятно, тому было две причины. Одна из них — его опыты со звуковыми волнами сжатия и разрежения. Вторая — авторитет Гюйгенса и общая уверенность в том, что эфир аналогичен воздуху, а внутри газообразных сред поперечные волны невозможны.

Но под модель разреженного, способного сжиматься эфира уже была подведена мина. Ее заложил сам Гюйгенс. Он обнаружил, что луч света, расщепившийся на два луча, то есть испытавший двойное лучепреломление в кристалле исландского шпата, испытывает самое обычное преломление, если на его пути поставить второй кристалл исландского шпата, ориентированный так же, как первый. Если же второй кристалл повернуть, то и в нем тоже возникнет двойное лучепреломление.

Это было необъяснимо.

Многие исследователи в начале XIX века изучали эти явления. Французский военный инженер Э. Малюс в 1808 году сумел математически описать все детали таинственного поведения лучей света в кристаллах. Но он не смог найти основу своих расчетов в волновой теории света и вновь возвратился к корпускулярной теории, опираясь на предположение Ньютона о том, что корпускулы света обладают полярностью. Так возник термин «поляризация света», доживший до наших дней, а многообразные проявления поляризации света стали подтверждением корпускулярной теории Ньютона.

Победоносное шествование корпускулярной теории продолжалось семь лет.

Причиной дальнейшей метаморфозы во взглядах на природу света оказалась политика. Как известно, 1 марта 1815 года Наполеон бежал с острова Эльба и высадился на юге Франции. Дорожный инженер О. Френель примкнул волонтером к роялистским войскам, пытающимся преградить дорогу Наполеону. Эта попытка не удалась. Начались последние «Сто дней» величия Наполеона. Естественно, что роялист Френель уволен со службы и вынужден отправиться в провинцию.

Там, чтобы обрести душевный покой, он занялся оптическими опытами, не имея никакой специальной подготовки и пользуясь примитивным оборудованием.

«Сто дней» закончились поражением Наполеона и Френель был вновь принят на службу, но не перестал заниматься оптикой. Уже 15 октября того же года Френель направил Парижской академии наук два мемуара, посвященных мало изученной в то время проблеме распространения света.

Дифракцию — огибание светом непрозрачных препятствий, — обнаружил, как мы знаем, Гримальди. Исходя из своих опытов Френель пришел к заключению о том, что огибание глубоко связано с взаимодействием различных частей пучка света, попавших в точку наблюдения по различным путям. Так Френель, независимо от Юнга, пришел к принципу интерференции.

Обдумывая свои опыты Френель сопоставил принцип интерференции с принципом огибающей элементарных волн, выдвинутым Гюйгенсом. Внезапно он понял, что таким путем опровергается основное возражение против волновой теории света. Начиная с Ньютона ученых отпугивало то, что волновая теория не могла объяснить очевидного факта — прямолинейного распространения световых лучей.

Несложный расчет показал Френелю, что узкий пучок света, распространяющийся в пустом пространстве, где отсутствуют экраны или другие препятствия, продолжает распространяться прямолинейно. Почему? Потому, что все волны, которые, казалось, должны были бы разбегаться в стороны, гасят друг друга в результате интерференции. Эта же интерференция приводит к сложению тех частей «разбегающихся волн», которые образуют световые колебания, распространяющиеся вдоль прямой.

Позже профессиональные физики, лучше владевшие математикой, усовершенствовали расчеты Френеля и подтвердили его выводы: волновая теория безупречно объясняет факт прямолинейного распространения света в пространстве, свободном от препятствий.

Френель продолжал исследовать свойства света. Он вновь сопоставил дифракцию — огибание светом препятствий с интерференцией — взаимным наложением световых волн, испущенных общим источником, но прошедших различные пути. Через три года он представил на конкурс, объявленный Парижской академией наук, новый обширный мемуар. В конкурсную комиссию входили три убежденных ньютонианца: Лаплас, Пуассон и Био. Входили в нее также Гей-Люссак, не работавший в области оптики, но игравший роль беспристрастного арбитра, и Араго, обладавший способностью быстро и критически воспринимать новое.

Во время обсуждения мемуара Френеля, Пуассон высказал мнение, что из волновой теории, развитой Френелем, следуют выводы, противоречащие здравому смыслу. Так в центре геометрической тени непрозрачного диска должно наблюдаться светлое пятно. А в центре пучка света, проходящего сквозь круглое отверстие, на определенном расстоянии от него должно возникать темное пятно. Пуассон считал, что полученные им выводы свидетельствуют об ошибочности уравнений волновой теории Френеля.

Комиссия предложила Френелю подтвердить или опровергнуть опытом выводы Пуассона.

Френель при помощи Араго поставил опыты, подтвердившие предсказания Пуассона и показавшие, что «здравый смысл» не является аргументом в физической дискуссии.

Затем Френель приступил к исследованию поляризации света. Она в то время толковалась на основе корпускулярной теории и приводила, вопреки стремлению Ньютона, к все усложняющейся системе гипотез.

Френель до предела упростил экспериментальную установку и начал вместе с Араго изучать интерференцию поляризованных пучков света. Результаты были не совместимы ни с корпускулярной теорией, ни с теорией, рассматривающей свет как волны изменения плотности эфира, аналогичные звуку.

Опыты бесспорно показывали, что два луча, поляризованные в параллельных плоскостях, способны интерферировать, то есть усиливать или гасить друг друга. Напротив, два луча, поляризованные в перпендикулярных плоскостях, не способны погасить друг друга. Ничего подобного не наблюдается для звуковых волн, распространяющихся в воздухе. Френель и Араго наблюдали и другие явления, возникающие в поляризованном свете, для которых невозможно провести аналогичного опыта с акустическими волнами.

Но главным преткновением на пути к пониманию свойств поляризованного света была различная способность к интерференции лучей, поляризованных в параллельных и перпендикулярных плоскостях.