Оптика Ньютона

Рубрика : Интересное

Оптика Ньютона

Марио Льоцци
Биографы Ньютона единодушны в том, что возникновение его интереса к оптике можно отнести к 1664 г. и что в 1665 г. он приобрел призму, «чтобы произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов». Первые успехи в этой области были им достигнуты, вероятно, в период добровольного уединения с 1665 по 1667 г. в деревенской тиши Вулоторпа, куда он укрылся во время эпидемии чумы, свирепствовавшей в Англии с 1664 по 1667 г.

В 1668 г. учитель Ньютона Исаак Барроу нашел его столь компетентным в оптике, что доверил ему просмотр своей собственной работы «Lectiones opticae et geometriae» («Лекции по оптике и геометрии»), вышедшей в Лондоне в 1674 г. (разрешение на печать датировано 1668 г.). Это сотрудничество действительно поражает многих биографов Ньютона, которых смущает тот факт, что Ньютон мог пропустить без комментариев устаревшие представления Барроу о цветах. На этом основании строятся некоторые заключения о том, что в 1668 г. Ньютон еще не получил ни одного из своих фундаментальных результатов, касающихся природы цветов. Вывод этот слишком поспешный, поскольку просматривать работу другого автора не значит подменять его представления своими.

В 1669 г. Барроу уступил Ньютону лукасовскую кафедру в Кембридже и Ньютон сам начал читать оптику. К этому периоду относятся его «Lectiones opticae» («Лекции по оптике»), опубликованные посмертно в 1729 г. Научный мир узнал об открытии Ньютона о природе цветов из доклада, опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы там в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием «Optics» («Оптика») в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук). В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества для прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу. Еще при жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третье в 1721 г. С согласия автора работа в 1706 г. была переведена на латинский язык Кларком(17), а в 1720 г. — на французский язык Костом (под редакцией Дезагюлье). В XVIII веке был широко распространен латинский перевод Кларка, многократно переиздававшийся, которого мы и будем придерживаться, отказываясь, таким образом, от прослеживания хронологии различных открытий и формирования взглядов Ньютона.

«Оптика» состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению. Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содержит краткое экспериментальное исследование дифракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера.

Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез: «Мое намерение в этой книге,— предупреждает автор,— не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждением и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы»...

Но нет и речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этих слов читателя поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит: «Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям».

А что означает утверждение: «луч света — это его мельчайшая часть»? Мы видим, что для Ньютона луч света — это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится в пояснении к этому определению, «наименьший свет или часть света... которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет».

Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, он одновременно основывает истолкование своих  экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча — концепции корпускулярной, или, если пользоваться современным термином, квантовой.

Далее идет еще восемь определений, столь же неясных, как и первое, и восемь «аксиом», резюмирующих геометрическую оптику того времени: законы отражения и преломления, законы образования изображений.

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА И ПРИРОДА ЦВЕТОВ

Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по существу осталась основой современной физической оптики. Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Мавролика и даже, если хотите, с Сенеки.

Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной полоски бумаги (красной и синей), освещенной солнцем.

Опыт по дисперсии света  позволил  Ньютону прийти  к  фундаментальному выводу: «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости».

И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оно высказывалось еще в 1648 г. Марко Марчи (1595—1667), зато весь комплекс последующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, был весьма новым, так что не мог пройти незамеченным. Проделав небольшое круглое отверстие в ставне окна темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял «спектр» на противоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. Тщательные наблюдения позволили ему установить, что наилучшие экспериментальные условия достигаются, когда призма находится, как говорят сейчас, в положении наименьшего отклонения, которое может быть легко найдено поворотом призмы вокруг своей оси. В первой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его к установлению взаимно однозначного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но меняются при изменении цвета. Отсюда следует, что линза имеет столько фокусов, сколько цветов содержится в падающем на нее свете. И Ньютон подтверждает это следствие с помощью опытов, совпадающих с теми, которые и сейчас ставятся в средних школах.

В этом месте Ньютон критически исследует вопрос о чистоте спектра и описывает прибор, состоящий из линзы и призмы и представляющий собой не что иное, как коллиматор спектроскопа Фраунгофера. Почему же Ньютон не заметил тогда черных полос солнечного спектра? Возможно, потому, что зрение у него было слабое и наблюдения проводил ассистент. Это обстоятельство следует считать счастливой случайностью, так как обнаружение темных полос вызвало бы усложнение, которое Ньютону не так-то легко было бы распутать.

В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы, направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, и направляет свет, проходящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектроскопии, привела Ньютона к понятию однородного света: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и  преломлениях».

Тем самым с предельной очевидностью было экспериментально подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела, на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не окрашиваются philosophice et proprie (сами по себе); лучам свойственна определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета. Следуя многовековой традиции, Ньютон насчитывает семь цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), не считая белого и черного.

После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов, в равной мере изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся теперь в учебниках физики. Сюда относится, например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон не дал более точного объяснения, или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы.

Все эти открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать новое, более полное объяснение радуги и истолковать цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света. Однако эта последняя часть не избегла критики. Ньютону был показан опыт, в котором цвета, получающиеся при поглощении, ведут себя отлично от цветов спектра. Тем не менее он считал возможным применять к цветам спектра правила смешения цветных красок и говорил, например, что зеленый цвет спектра получается смешением желтого и синего.
ЗЕРКАЛЬНЫЙ ТЕЛЕСКОП
В проведенном выше анализе содержания  первой книги «Оптики» мы опустили одно интересное отступление автора.  Ставя свои великолепные опыты со скрещенными призмами, Ньютон пытался объяснить их с помощью выдвинутой в «Началах» гипотезы, которая:  привела его к заключению о том, что дисперсия пропорциональна степени  преломления. Это и есть знаменитая «ошибка Ньютона», ошибка, которой  он мог бы избежать, если бы прибег к экспериментальной проверке. Но,  найдя для единственного случая значение отношения степени преломления к дисперсии равным 27,5, Ньютон решил, что это отношение должно  во всех случаях иметь то же значение. В 1676 г. бельгийский физик Лукас  в докладе Академии наук сообщил, что он повторил опыты Ньютона 1672 г. и нашел их верными, за исключением одного количественного отличия: его призма с углом преломления 60° давала спектр, длина которого втрое больше ширины, тогда как Ньютон с призмой с углом преломления 63°12' получил спектр, длина которого в пять раз больше ширины. Таким образом, дисперсия оказывается непропорциональной степени преломления. Однако Ньютон выдвинул против этого ряд хитроумных возражений, поставив под сомнение точность опыта Лукаса и вновь подтвердив свое мнение, которое не желал даже подвергать сомнению. Трудно понять, в чем причина этого упорства Ньютона.

Если дисперсия пропорциональна степени преломления, то ахроматические призмы или линзы невозможны. Изображения, образуемые линзами, всегда искажены сопутствующим им окрашиванием, «цветовыми помехами», как говорил Ньютон, или хроматической аберрацией, как сказали бы мы. В то время как сферическая аберрация может быть уменьшена за счет диафрагмирования линз, хроматическая аберрация никогда не может быть уменьшена.

Поэтому Ньютон начинает заниматься подзорными трубами с зеркалами, или телескопами, как их теперь называют. Как известно, в этом приборе изображение объекта, образуемое вогнутым зеркалом, рассматривается через увеличивающую линзу. К прибору такого типа приблизились в своих работах Сарпи и Порта. О нем говорил Галилей со своими учениками. Отрицательное суждение о таком приборе высказал Кавальери. Телескоп был описан также Николо Цукки (1586—1670) в его «Optica philoso-phica» («Философская оптика»), изданной в 1652—1656 гг. Возможно, что одна такая труба была сконструирована еще в 1616 г. В телескопе Цукки лучи, отраженные от большого сферического металлического зеркала, попадают на маленькое коаксиальное стеклянное зеркало и далее идут к наблюдателю через линзу, расположенную в отверстии в центре большого зеркала.

Мерсенн модифицировал телескоп Цукки, сделав оба зеркала параболическими и устранив линзу: изображение, образуемое маленьким зеркалом, рассматривалось непосредственно через отверстие в большом зеркале. На том же принципе основан телескоп, предложенный в 1663 г. Джемсом Грегори (1638—1675).

Однако Ньютон, по-видимому, ничего не знал обо всех этих предшествующих работах и в 1668 г. сконструировал свой первый телескоп на основе собственных исследований. Конструктивно этот телескоп отличался от предшествующих одной весьма простой, но остроумной особенностью. В прежних вариантах из-за отверстия в большом зеркале вблизи его центра не использовалась  наиболее  действенная часть падающих  лучей.  Ньютон же направлял изображение от вогнутого зеркала на маленькое плоское зеркало, наклоненное под углом 45° к оси телескопа, и производил наблюдения его через линзу, помещенную в боковой стенке телескопа. Приспособление это   весьма простое, хотя и несколько неудобное.

Первая такая труба длиной всего 15 см с зеркалом радиусом 25 мм давала увеличение в 40 раз, что позволяло видеть спутники Юпитера, однако изображение было неясным.

Усовершенствованию телескопа Ньютон посвятил не менее пятнадцати лет, исследовав большое число сплавов для изготовления зеркала и прежде всего введя новый метод его полировки. Уже в 1671 г. он построил телескоп больших размеров и значительно лучшего качества, чем прежний. Он послал его в дар королю Карлу II. Телескоп был представлен на рассмотрение Королевского общества, которое единодушно оценило его  важность и избрало Ньютона членом общества.

Исследование зеркального телескопа было отправной точкой всей научной деятельности Ньютона. Вместе с тем этот прибор, усовершенствованный в 1789 г. Гершелем (1738—1822), сопутствует прогрессу инструментальной астрономии вплоть до наших дней.

Значительно меньший успех пришелся на долю разрабатывавшегося Ньютоном зеркального микроскопа, сконструированного в 1827 г. Джован Баттиста Амичи (1776—1863) и нашедшего применение лишь в нашем веке для некоторых специальных исследований.

КОЛЬЦА, ДИФРАКЦИЯ И ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В «ОПТИКЕ» НЬЮТОНА

В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей, описывается серия основополагающих опытов, проведенных с исключительным искусством и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т. е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное последовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец радужной окраски.

Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но и в монохроматическом. Качественно явление носило такой же характер, но в то время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец, в монохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явление представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматривались через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно друг друга.

Многочисленные опыты с этим величественным явлением и точные измерения позволили Ньютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по настоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца — втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемости света, т. е. радиусы колец одного и того же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах слоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются, если пространство между обеими линзами заполняется водой.

Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести к мысли о наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому Ньютон был вынужден дать хотя бы формальное объяснение этой периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма «пористой», т. е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?

«Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями — к легкому отражению».

Определив «приступы» (vices) отражения или преломления как периодическое возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляется: «Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время своего пути. Что же в конце концов — эти приступы свойственны свету, присущи ему с самого момента его излучения или же они являются приобретенным свойством, т. е. приобретаются в момент прохождения света через тела? Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительность своей позиции, но настаивал на том, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы — это просто констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет, правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могут представить себе, что, так же как камни, падая в воду, вызывают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускулы, ударяясь об отражающие или преломляющие поверхности, возбуждают колебания, распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обогняющие их; эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого прохождения и легкого отражения.

Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать: „Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях“.

Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой механики,  может  быть  лучше  понято  и точнее  оценено.

Первая часть третьей книги „Оптики“ содержит несколько экспериментальных исследований явлений, открытых Гримальди. Однако Ньютон старается обойти слово „дифракция“. Как по подходу, так и по интерпретации эти его опыты сильно уступают описанным в первых двух книгах и подобраны с целью представления явления дифракции как результата действия притяжения вещества на световые корпускулы: лучи света, проходя близ краев тел, испытывают притяжение и потому изгибаются. Ньютон чувствует недостаточность этой части работы и в экспериментальном и в теоретическом  отношении и заканчивает честным признанием:»Производя предыдущие наблюдения, я намеревался повторить большинство из них с большей тщательностью и точностью и сделать некоторые новые наблюдения для определения способа, каковым лучи света изгибаются при их прохождении около тел, создавая цветные каемки с темными линиями между ними. Но я был тогда прерван и не могу теперь думать о том, чтобы приняться за дальнейшее рассмотрение этих предметов. Ввиду того что я не завершил этой части моего плана, я закончу предложением только нескольких вопросов для дальнейшего исследования, которое произведут другие".

И дальше следует 31 вопрос, «которые служат,— как добавляет Кост в латинском переводе,— заключением всего труда». В действительности же вопросы касаются не только оптики, но и гравитации, и химии, и других частных явлений. В них собраны разнообразные соображения Ньютона, в которых наряду с многими глубокими мыслями встречаются и ошибки и очевидные противоречия; это сырой материал, который в последующих изданиях обновлялся и дополнялся, однако так и остался несистематизированным и несогласованным.

Вопросы 25 и 26 касаются двойного лучепреломления. То, что рассмотрение этого явления помещено в этой части труда, свидетельствует, по нашему мнению, о том, что Ньютон смог исследовать его экспериментально лишь довольно бегло и в общих чертах. И действительно, он ограничивается описанием исландского шпата и повторением опытов Бартолина и Гюйгенса. Интерпретировать эти опыты очень трудно. Ньютон ограничивается тем, что в вопросе 26 робко выдвигает идею возможного объяснения этого явления с помощью гипотезы, согласно которой лучи света, т. е. световые корпускулы, обладают «различными сторонами» специальной формы, так что поведение корпускул зависит от того, какой стороной они ударяются. Ньютон вводит здесь понятие поляризации света, однако не настаивает на нем и не рассматривает никаких его приложений.

КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ
В первые годы своей научной карьеры Ньютон, казалось, склонялся к волновой теории света. В докладе от 1672 г. он  говорит: «Наибольшие колебания эфира дают ощущение красного цвета, наименьшие и наиболее короткие — фиолетового, а промежуточные — промежуточных цветов».

Но последующие размышления не только не утвердили его в этом мнении, а все больше отталкивали его от этой точки зрения, пока он не превратился в одного из наиболее решительных противников волновой теории. Причины этого хорошо известны, поскольку он сам сформулировал их четко и ясно в вопросе 28. Главной причиной является несовместимость, по мнению Ньютона, прямолинейного распространения света с его волновым характером: «Если бы свет состоял в давлении или движении, распространяющихся в жидкой среде мгновенно или во времени, он должен был бы загибаться внутрь тени» так же, как загибаются волны на воде за препятствием, как звук колокола проникает за холм. «Но относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь  тени».

Ньютону обычно ставят в упрек, что он не понял значения опытов Гримальди, которые как раз и показывают отклонение света за препятствием. Но при этом забывают добавить, что в то время и Гук, и Гюйгенс, создатели волновой теории, тоже не понимали, что дифракция представляет собой явление отклонения света.

Ньютоновская модель света, как она следует из «Оптики», и в частности из последних «Вопросов»,— весьма сложная, во многих пунктах запутанная и противоречивая. Физики XVIII века стилизовали ее, частично исказили, сохранив лишь основную идею: свет, по Ньютону, состоит из мельчайших корпускул, вылетающих с громадной скоростью из источника света по всем направлениям и движущихся прямолинейно со скоростью тем большей, чем больше плотность среды. Иногда проявляется притяжение корпускул к обычной материи. Первый вопрос Ньютона гласит: «Не действуют ли тела на свет на расстоянии и не изгибают ли этим действием его лучей; и не будет ли caeteris paribus это действие сильнее всего на наименьшем расстоянии?».

Размер корпускул для разных цветов различен: более крупные, попадая на дно глаза, возбуждают там колебания, распространяющиеся к мозгу вдоль зрительных нервов, вызывая ощущение красного цвета, а более мелкие вызывают ощущение фиолетового цвета. Но различные цветовые ощущения обусловлены не непосредственно различной величиной корпускул,  а различной частотой колебаний, вызываемых ими в зрительном нерве. Во время прямолинейного полета в каждой корпускуле что-то колеблется: может, это внутреннее, присущее ей колебание, а может быть, оно обусловлено колебаниями материальных частиц, которые эта же частица вызвала на расстоянии. Эти колебания передаются эфиру, заполняющему всю Вселенную и пронизывающему все тела, причем его плотность в разных телах различна и максимальна в пустоте. Таким образом получаются эфирные волны. Когда световая корпускула приближается к преломляющей поверхности, на нее воздействует ею же созданная волна, вызывающая в ней периодические приступы легкого прохождения и легкого отражения. Однако в противовес этой волновой трактовке в вопросах 25—28 Ньютон приводит одно соображение за другим, чтобы опровергнуть существование эфира, привлекая даже (что вовсе на него не похоже) авторитет многих древних философов.

Этого, по-видимому, достаточно, чтобы составить себе представление о сложности и громоздкости теории Ньютона, не вникая более детально в другие странные свойства этих корпускул, приписанные им для объяснения того или иного частного явления. Если даже согласиться, что в механике Ньютон гипотез не выдвигает, в оптике он отыгрывается за это вдесятеро!
ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ
В кратком предисловии к своему «Traite de la lumiere» («Трактат о свете»), изданном в Лейдене в 1690 г., Христиан Гюйгенс пишет, что закончил этот трактат еще в 1678 г. и в том же году представил его Парижской Академии наук. Он не публиковал его раньше из-за плохого французского языка, на котором был написан трактат, надеясь перевести его на латинский (и действительно, среди бумаг Гюйгенса найден перевод первых страниц) и опубликовать вместе с трактатом по инструментальной оптике. Видя, однако, что эти намерения остаются нереализованными, Гюйгенс решил опубликовать работу в том виде, в каком она есть, чтобы она вообще не пропала.

Как мы уже видели выше, в 1678 г. появились фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику». Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «...явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма».

Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.

Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматривается прямолинейное распространение света, во второй — отражение, в третьей — преломление, в четвертой — атмосферная рефракция, в пятой — двойное лучепреломление и в шестой — формы линз.

Работа начинается с критики предшествовавших теорий Декарта, Гримальди и Ньютона. Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, т. е. два потока частиц, не возмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточно вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т. е. от тел, находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, т. е. разъединять их части, «что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной  философии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распространение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит Гюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу: «Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества».

Увы, нельзя сказать, чтобы аргументы Гюйгенса были очень убедительны!

Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установив параллель между звуком и светом,  Гюйгенс замечает, что этой средой не может служить воздух, поскольку опыты с пневматической машиной показали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, и постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет никаких свойств тяжести, но очень жесткая и очень упругая. Как видно, Декарт нашел достойного последователя!

Приняв существование такого странного вещества, Гюйгенс рассматривает механизм распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка пламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом, это движение распространяется от частицы к частице через посредство вторичных сферических волн, подобно тому как распространяется пожар. Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразное движение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способно распространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас от звезд. На это Гюйгенс отвечает: «Но это перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих, правда, из различных точек светящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой».

Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавший бессмертным имя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, точно таким же, какие мог видеть читатель чуть ли не в каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании исчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона. Лейбниц сразу понял значение новой концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1694 г.: «Безусловно, господин Гук и патер Пардиз никогда бы не пришли к объяснению законов преломления с помощью построенной ими картины волновых движений. Вся суть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как излучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательными волнами».

К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света. Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствием распространяющиеся там элементарные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными, и делает вывод: «В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии».

Однако это утверждение остается голословным, так что его можно с равным правом принять или отвергнуть.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма  частичного   отражения,   преломления  и  полного  внутреннего   отражения — явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, нагромождая одну гипотезу на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в более плотной среде.

Показав, что предложенный им колебательный механизм приводит к принципу Ферма (причем даваемое им доказательство значительно проще, чем у Ферма), и рассмотрев в четвертой главе атмосферную рефракцию, Гюйгенс переходит к пятой главе, которую все, начиная с Лейбница, всегда считали самой изумительной частью его трактата. Здесь Гюйгенс рассматривает явление двойного лучепреломления, которое он обнаружил также и в кварце. Он измерил с очень большой точностью геометрические характеристики исландского шпата, определил по ним главное сечение и ось кристалла (эти термины, введенные им, остались до сих пор в науке) и нашел, что показатель преломления необыкновенного луча меняется в зависимости от положения плоскости и от значения угла падения.

В шпате или в кварце имеются две преломленные волны. Отсюда Гюйгенс заключает, что им соответствуют две различные скорости распространения. Та, что соответствует обыкновенной волне, одинакова по всем направлениям в кристалле и приводит поэтому к сферической форме огибающих волн. Скорость необыкновенной волны зависит от направления, так что эта волна не является сферической. Гюйгенс считает ее эллипсоидальной и вычисляет в этом предположении поведение необыкновенного луча при различных условиях падения, получив при этом результаты, удивительно согласующиеся с опытом. Это согласие представлялось ему триумфом его теории.

Однако Гюйгенс здесь несколько поспешил. Увлеченный, по-видимому, аналогией между звуком и светом, из которой он исходил, Гюйгенс считал колебания эфира продольными, хотя Гримальди и Гук уже выдвигали предположения о поперечности этих колебаний. Если принять предположение о продольности колебаний, то некоторые особенности этого явления не поддаются волновому объяснению, в частности поведение лучей света при прохождении двух кристаллов с параллельными главными сечениями. Гюйгенс, чувствуя этот недостаток своей теории, признает, что не знает, как его восполнить удовлетворительным образом, и полагается на будущее: «...Скажу еще об одном удивительном явлении, которое обнаружили после того, как было написано все предыдущее. Хотя я еще до сих пор не нашел его причины, все же я хочу указать на него, чтобы предоставить возможность другим отыскать эту причину. По-видимому, нужно принять еще другие предположения сверх сделанных мною, хотя последние и сохраняют все свое правдоподобие, будучи подтвержденными   столькими доказательствами».

Составитель проф. А. Т. Ильичев


Хотите получать материалы на e-mail?