Sceptic-Ratio. Уиттекер: Теории эфира от Декарта до Ньютона
 
 

Избранные места из книги Эдмунда Уиттекера
"История теории эфира и электричества
Классические теории"

Глава 1. Теории эфира от Декарта до Ньютона

  1. Два взгляда
  2. Декарт: падение схоластики
  3. Кеплер: работы Декарта по физике
  4. Космогония и оптика Декарта
  5. Ферма подвергает сомнению теорию света Декарта. Принцип наименьшего времени
  6. Волновая теория Гука. Распространение фронта волны
  7. Ньютон опровергает теорию цветов Гука
  8. Концепция эфира в работах Ньютона
  9. Теории Ньютона о периодичности однородного света и о приступах легкого прохождения
  10. Скорость света: Галилео, Рёмер
  11. "Трактат о свете" Гюйгенса. Его теории распространения волн и оптики кристаллов
  12. Ньютон показывает, что лучи, подвергшиеся двойному лучепреломлению, имеют грани. Его несогласие с волновой теорией
  13. "Начала" Ньютона: долгое непринятие
  14. Корпускулы, расположенные за пределами Солнечной системы, Лесажа

1. Два взгляда

(...)
Как заметил еще Аристотель, в зависимости от подхода к решению философских проблем, существует два основных типа философии: диалектический и «материалистический». К первому типу принадлежат все философы, которые размышляли в возвышенном стиле: от Платона до Гегеля. Ко второму можно отнести Демокрита, самого Аристотеля и большинство современных ученых, которых занимали философские темы.

Философы первого типа создали системы воззрений, более или менее независимые от их опыта, и претендовали на всеобъемлющее понимание Бытия в рамках этих систем. Философы второго типа поступают более осторожно, — их основные концепции представляют собой систематизацию опыта, который они приобрели во внешнем мире. Другими словами, их философия образуется путем расширения концептуального анализа естественной науки (в отношении Аристотеля это становится очевидным при сравнении его Метафизики и Физики). Конечно, подобный метод предполагает, что философская истина достигается только в развитии, а следовательно, ни одна из всеобъемлющих систем первого типа истинной не является.

Таким образом, план Аристотеля по созданию школы философии современные ученые одобрили бы полностью. Но, к сожалению, космологические и физические понятия, с которых он начал, были абсолютно ложными.
(...)

2. Декарт: падение схоластики

Декарт родился в 1596 году в семье советника парламента Бретани Иоахима Декарта. Юношей он пошел в армию и принимал участие в войнах австрийского императора и Мориса Нассауского; но в 24 года пережил глубокий душевный кризис, который, по-видимому, был недалек от тех, что наблюдались у многих религиозных лидеров, и с тех пор он решил посвятить себя изучению философии.

Эпоха, которая предшествовала рождению Декарта, и время его жизни были отмечены событиями, значительно изменившими концепции, широко распространенные во всем мире. Открытие Америки, кругосветное путешествие Магеллана, изобретение телескопа, отказ от системы астрономии Птолемея и всеобщее недовольство схоластикой — все это помогло ослабить старые основы науки и выявить необходимость создания новой структуры. Именно этим и намеревался заняться Декарт. Он стремился, ни больше ни меньше, создать всю теорию Вселенной: от начала до конца, разработанную до мельчайших подробностей.

Подобная система непременно должна иметь метафизическую основу, и именно эта часть работы принесла Декарту такую известность. В данной главе мы рассмотрим только те принципы философии, которые определили его представление о внешнем мире.

Первым шагом был отказ от бесполезных методов средневековья, от попыток интерпретации Природы через действие и потенцию, материю и форму, существенное и несущественное, десять категорий и тому подобное. Все это уже предлагалось многими философами, а некоторые, в частности, Фрэнсис Бэкон (1561-1626) и Галилео Галилей (1564 – 1640), уже наметили новые подходы. Они оба отказались от практики Аристотеля, который все в физике объяснял конечными причинами , и задавали вопрос Как? вместо вопроса Почему? Они подробно останавливались на необходимости наблюдения внешнего мира и, более того, настаивали, что кроме изучения тех явлений, которые кажутся нам естественными, должно присутствовать познание Природы через тщательно продуманные опыты. (Эта рекомендация была отнюдь не излишней, поскольку до того времени проведение опытов ассоциировалось, главным образом, с алхимией и имело плохую репутацию). В учении Бэкона был один серьезный недостаток — он недооценил важность количественной стороны в противовес качественным аспектам явлений. Это обвинение нельзя предъявить Галилео, однако он занимался скорее экспериментальной, нежели математической физикой. И именно их третий современник, Иоганн Кеплер (1571 – 1630), показал особую важность математики в изучении Природы.

3. Кеплер: работы Декарта по физике

Учение Кеплера вдохновляло Декарта, на исследования которого влияла убежденность в том, что математические теоремы обладают точностью, не подвергаются сомнению и универсальны в практическом применении, что не характерно для других областей науки. Поэтому этим моментам он приписал огромную важность, считая доказанным, что четкость и определенность — это признаки любого истинного знания. Одним из камней преткновения в натурфилософии стало объяснение причины взаимодействия тел, которые не находятся в непосредственном контакте друг с другом, например, притяжения магнитов или связи между положением Луны с одной стороны и морскими приливами и отливами с другой. Принять эти явления за «таинственное» влияние — противоречило принципам Кеплера. И он сделал вывод, что между телами возможны только два типа действия, которые нам абсолютно понятны, а именно: давление и удар. Это означает, что тела могут воздействовать друг на друга только тогда, когда находятся в непосредственном контакте. Другими словами, он отрицал действие на расстоянии. Из этого, по его мнению, следовало, что пространство между Луной и Землей, а значит и все пространство в целом, не может быть пустым. Частично его занимают простейшие материальные вещи — воздух и осязаемые тела, но промежутки между их частицами и все остальное пространство должны быть заполнены гораздо более мелкими частицами, которые повсюду сдавливаются и сталкиваются друг с другом: их выдумали, чтобы объяснить все физические явления. По мнению Декарта, пространство заполнено средой, которая (хотя мы и не можем ощутить ее) способна передавать силу и воздействовать на материальные тела, погруженные в нее. Эту среду Декарт назвал эфиром. Изначально это слово означало голубое небо или верхние слои атмосферы (в отличие от нижних, которые находятся у поверхности Земли), и было заимствовано латинскими авторами из греческого языка, а уже от них в средние века это слово перешло во французский и английский языки. Иногда в древней космологии под ним подразумевали нечто, что заполняет небесные области; и когда появилось понятие среды, заполняющей межпланетную пустоту, слово эфир как нельзя лучше подошло для обозначения этого понятия. До того, как его использовал Декарт, оно означало всего лишь: занятие некой части пространства. Декарт первым ввел понятие эфира в науку, постулируя, что он имеет механические свойства. Если верить Декарту, то Вселенную заполняет только эфир, за исключением бесконечно малой доли пространства, которую заполняет обычная материя.

Декарт предположил, что частицы эфира находятся в постоянном движении. А поскольку пустого пространства для движения частиц не существует, он заключил, что они движутся, занимая места, освобожденные другими частицами эфира, которые тоже находятся в движении. Таким образом, движение отдельной частицы эфира включало в себя движение замкнутой цепи частиц, а движения этих замкнутых цепей образовывали вихри, которые выполняли важную функцию в его картине Вселенной.

Таким образом, полагая, что действия, производимые контактами и столкновениями, — это простейшие и наиболее понятные явления во внешнем мире, Декарт не принимал никаких других агентов. Он не утверждал, что его схема точно согласуется с результатами опытов в количественном аспекте, что было в духе современных ему научных книг. Он доверял четкости и определенности размышления больше, чем его согласованности с наблюдаемыми фактами. А его работа, которую следовало рассматривать как выдающийся труд творческого интеллекта, является вымыслом в том же смысле, в каком вымыслом можно назвать Тимей Платона. Цель этой работы — показать, что все, что существует и происходит во Вселенной, можно представить в виде частей логично скоординированной механической системы, которая зависит только от конкретных элементарных типов физического действия и обладает (раз уж предпосылки были приняты) полной определенностью вывода, которая до сих пор была прерогативой исключительно математики. Декарт основал механистическую философию, т. е. учение о том, что внешний неживой мир в научных целях можно рассматривать как автоматический механизм и что возможно и желательно представить и описать механическую модель каждого физического явления.

Подобная концепция не могла возникнуть раньше эпохи Возрождения, потому что у людей древности и средневековья почти не было опыта создания автономных механизмов, работающих без участия человека; им были знакомы лишь орудия труда, которыми для выполнения их функций должен был управлять человек. Любое проявление регулярности в действии казалось нашим предкам следствием умственной деятельности. Именно, порядок и гармония, которые наблюдались в движении небесных тел, привели греческих мыслителей к выводу, что эти тела обладают душой. Движения типа падения материального тела на Землю объяснялись, как мы уже видели, тем, что тяжелая материя стремится к своему естественному положению, т. е. к центру Вселенной. Это объяснение стало неудовлетворительным, когда была принята теория Солнечной системы Коперника, поскольку оказалось, что Земля находится в движении в бесконечном пространстве, и ни одну точку нельзя определить как центр Вселенной. Именно в этот момент Декарт выдвинул свое революционное предположение, что Вселенную можно рассматривать как огромный механизм. Это привело к появлению общего принципа, связанного с возможностью предсказать все, что происходит в материальном мире с помощью математических вычислений. Этот принцип доказал самое ценное звено декартовской философии Природы.

Декарт же тем временем пошел еще дальше и выдвинул идею эпистемологического рационализма, т. е. утверждения о том, что физику, как и евклидову геометрию, можно вывести из априорных принципов, независимо от наблюдений и опытов. Во всяком случае, обычно он представлял явления, как следствия предвзятых положений и причин. В этом отношении он отошел от логичных идей, которые поколение назад проповедовали Френсис Бэкон и Галилей, и тем самым навлек на себя критику Гюйгенса: «Мне кажется, — писал Гюйгенс, — что Декарт завидовал славе Галилея и претендовал на звание автора новой философии, которую следовало изучать в высших учебных заведениях вместо аристотелизма. Он выдвигал свои гипотезы как истины, словно его клятвенное утверждение было равносильно их доказательству. Он должен был бы представить свою систему физики как попытку показать, чего следует вероятнее всего ожидать в этой науке, если принять исключительно принципы механики. Для науки подобные попытки достойны похвалы, но он пошел дальше и заявил, что открыл абсолютную истину, тем самым, препятствуя открытию истинного знания».

Выдвигая всеобъемлющую теорию Вселенной, не изучив досконально ни один из ее процессов, Декарт скорее продолжал традиции древних греков, чем осваивал новые пути, проделанные Тихо, Кеплером и Галилеем. Он так и не понял, что истинное знание можно обрести только по частям, терпеливо исследуя природу. Еще одним слабым местом его системы было допущение о том, что силу можно передать только непосредственным давлением или ударом — принцип, который вынудил его предоставить конкретный механизм для объяснения каждой известной силы природы. Очевидно, что эта задача гораздо сложнее той, которая стоит перед теми, кто желает принять действие на расстоянии как первичное свойство материи.

Множество недостатков метода Декарта привело к тому, что менее чем через век почти от всех его теорий отказались. Однако надо сказать, что грандиозность его плана и дерзость его исполнения стимулировали научную мысль как никогда ранее. «Дайте мне материю и движение, — воскликнул он однажды, — и я создам Вселенную!»

4. Космогония и оптика Декарта

Согласно декартовской философии, материя характеризуется не непроницаемостью или качеством, которое можно ощутить, а просто протяженностью; протяженность создает материю, а материя — пространство. Основой всех вещей является примитивный, простейший, уникальный тип материи, безграничный по протяженности и бесконечно делимый. В процессе эволюции Вселенной из этой материи зародились три различные формы, соответственно относящиеся к светящейся материи Солнца, прозрачной материи межпланетного пространства и плотной непрозрачной материи Земли.

«Первая состоит из частиц, которые откололись от других частиц материи в процессе их округления. Она движется с такой огромной скоростью, что при встрече с другими телами сила ее возбуждения такова, что эти тела разбивают ее на множество мелких частиц, форма которых позволяет им заполнить абсолютно все отверстия и небольшие щели вокруг этих тел.

Следующий тип включает большую часть оставшейся материи. Его частицы имеют сферическую форму и очень малы по сравнению с телами, которые мы видим на Земле. Тем не менее, они обладают конечной величиной и могут делиться на еще более маленькие.

Плюс ко всему существует и третий тип, примером которого могут послужить некоторые виды материи, а именно те, которые в силу своих размеров и формы не могут передвигаться так легко, как предыдущие.

Я попытаюсь показать, что все тела видимого мира состоят из этих трех форм материи, как из трех различных элементов. Действительно, Солнце и неподвижные звезды сформированы из первого элемента, межпланетное пространство — из второго, а Земля, планеты и кометы — из третьего. Поскольку Солнце и неподвижные звезды испускают свет, небеса его передают, а Земля, планеты и кометы его отражают, мне думается, что существует причина использовать эти качества свечения, прозрачности и непрозрачности для различения трех элементов видимого мира».

Согласно теории Декарта, Солнце является центром огромного вихря, образованного первым, или тончайшим, видом материи. В межпланетном пространстве свет переносит материя второго типа или элемент, состоящий из скопления плотно сгруппированных шаровидных частиц, размер которых находится между размером материи вихря и размером весомой материи. Шаровидные частицы второго элемента и вся материя первого элемента постоянно удаляются от центров своего вращения из-за центробежной силы вихрей, так что шаровидные частицы вынуждены вступать в контакт друг с другом и стремятся двигаться наружу, хотя в действительности они так не двигаются. Именно передача этого давления и образует свет. Действие света, следовательно, простирается во все стороны вокруг Солнца и неподвижных звезд и мгновенно распространяется на любые расстояния. В Диоптрике видение сравнивается с восприятием предметов слепым человеком, которое он обретает с помощью своей трости. Передача давления по трости от объекта к руке аналогична передаче давления от объекта, излучающего свет, к глазу посредством материи второго типа.

Декарт предположил, что «многообразие цвета и света» происходит из-за различных видов движения материи. В книге Метеоры различие цветов связано с разными скоростями вращения шаровидных частиц, т. е. частицы, которые вращаются наиболее быстро, дают нам ощущение красного цвета, те, что помедленнее — желтого, а самое медленное вращение дает зеленый или голубой, причем порядок цветов соответствует расположению цветов радуги. Утверждение зависимости цвета от периодичности времени является любопытным предвестником великого открытия, которое еще долго оставалось неизвестным.

Общее объяснение света на основе этих принципов было конкретизировано более определенным обсуждением отражения и преломления. Закон отражения — угол падения равен углу отражения — был известен грекам. В своей работе Диоптрика (1611) Кеплер исследовал преломление света через линзы; экспериментально он обнаружил, что для стекла (когда свет падает почти перпендикулярно) отношение углов падения и преломления близко к 1,5. Приняв это значение, он получил верный результат: фокусом двояковыпуклой линзы с одинаковой кривизной обеих сторон является центр кривизны той стороны линзы, которая находится ближе к объекту.

Однако он не смог открыть общий закон преломления — отношение синусов углов падения и преломления зависит от свойств среды — который тогда был впервые опубликован. Декарт выдал его за свой, но похоже он очень обязан им Виллеброрду Снеллиусу (1591 – 1676), профессору математики из Лейдена, который открыл этот закон экспериментально (хотя и не в той форме, в которой преподнес его Декарт) примерно в 1621 году Снеллиус не опубликовал свой результат, но отметил его в рукописи, которую передал некоторым людям, и Гюйгенс утверждает, что Декарт видел эту рукопись.

Декарт представляет этот закон как вывод из своей теории. Однако он мог вывести его только с помощью аналогии. Когда лучи встречаются с весомыми телами, «они вынуждены отклониться или остановиться, как отклоняется или останавливается движущийся мяч или камень, когда ударяется о тело», поскольку «легко предположить, что действие или предрасположенность к движению, которое, как я уже сказал, можно применить для света, должно подчиняться тем же законам движения». Таким образом, Декарт заменяет свет (скорость распространения которого, как он полагает, всегда бесконечна) пулей, скорость которой меняется в разных средах. Тогда закон преломления по существу можно доказать следующим образом. (…)

Несмотря на непродуманность системы Декарта, нет сомнения в том, что, представляя определенные механические концепции физической деятельности, и, применяя их к широчайшему кругу явлений, она стимулировала исследовательский дух и в некоторой степени подготовила почву для более точных теорий, которые появились позднее. А в свое время систему Декарта приняли многие; неразбериха, которая последовала за разрушением старого порядка, казалось, завершилась созданием новой системы знания, полной и заслуживающей доверия. И, как мы увидим в дальнейшем, эта система еще долго оставалась в силе.

5. Ферма подвергает сомнению теорию света Декарта. Принцип наименьшего времени

Что касается теории света, концепции Декарта быстро вытеснили идеи средневековья. Однако обоснованность его объяснения преломления света была поставлена под вопрос его соотечественником Пьером де Ферма (1601 – 1665) , и начался спор, который продолжили последователи Декарта после его смерти. Ферма, в конце концов, ввел новый фундаментальный закон, из которого он предлагал определять траектории лучей света. Это был хорошо известный принцип наименьшего времени, сформулированный в форме: «природа всегда идет по пути, требующем минимального времени для своего прохождения». Отсюда несложно вывести закон преломления, поскольку путь, проходимый светом между точкой на падающем луче и точкой на отраженном луче, является наиболее коротким и не противоречит условию соприкосновения с отражающими поверхностями.

Чтобы вывести закон преломления, Ферма предположил, что «сопротивление сред различно» и применил свой «метод максимумов и минимумов» для определения пути, который мог бы быть пройден за кратчайшее время от точки одной среды до точки другой. В 1661 году он нашел решение. «Результат моей работы, — писал он, — оказался в высшей степени экстраординарным и непредвиденным, но в то же время он самый удачный, поскольку, решив все уравнения, выполнив все умножения, уладив все противоречия и, тем самым, закончив наконец-то основную задачу, я обнаружил, что мой принцип дает точно такое же отношение для преломления, что установил месье Декарт». Его удивлению не было предела, поскольку он предполагал, что свет движется медленнее в более плотной среде, тогда как Декарт вынужден был (и мы это видели) выдвинуть противоположное предположение.

Хотя результат Ферма был верным и действительно представлял большой интерес, принципы, из которых он был получен, имели скорее метафизический, чем физический характер, и, следовательно, были практически бесполезны для объяснения света с позиций механики. Поэтому работа Ферма вряд ли уменьшила влияние теории Декарта. Но вскоре на эту теорию обрушилась критика с другой стороны: возникла новая школа философии, в равной степени враждебная школам Аристотеля и Декарта. Ее основателем был Пьер Гассенди (1592 – 1655), профессор в Коллеж де Франс (College de France) в Париже, последователь Коперника и Галилея.

Он пересмотрел доктрину древних атомистов, заявив, что Вселенная сформирована из вечных и неизменных материальных атомов, которые движутся в пространстве, где кроме них нет ничего. Наиболее яростный протест это новое учение вызвало в греко-римском мире, где его связывали с моральными и теологическими взглядами Эпикура и Лукреция. Гассенди, который сам был священником, изо всех сил стремился показать, что эта теория ни в коей мере не связана с ошибкой религии и что христиане могут принять ее в качестве основы физики. После ожесточенного спора с Декартом в период 1641 – 1646 гг. он достиг такого успеха, что его доктрина, как мы в этом еще убедимся, вскоре была признана даже Ньютоном и, фактически, стала отправной точкой развития всей последующей натурфилософии.

Одним из важных достоинств этой теории было то, что, поскольку пространство ничем не заполнено, то нет и необходимости образования замкнутых цепей из движущихся частиц, а следовательно, можно покончить с декартовыми вихрями. На самом деле, большинство направлений дальнейшего развития этой теории постулировали наличие эфира (а в некоторых случаях и не одного эфира), и в этом смысле возвращались к представлению пространства как заполненного веществом. Однако, считалось, что эти эфиры не оказывают сопротивление движению через них простой материи, поэтому можно считать, что материальные частицы находятся в вакууме.

6. Волновая теория Гука. Распространение фронта волны

Следующим важным этапом развития теории света стала публикация в 1667 году Микрографии Роберта Гука (1635 – 1703). Гук начал свою научную карьеру ассистентом Роберта Бойля и был бессменным секретарем Королевского Общества. Он сделал два экспериментальных открытия, которые касаются темы нашего обсуждения, но, по-видимому, в обоих случаях его опередили.

Первое открытие состояло в наблюдении цветов радуги, которые можно видеть при падении света на тонкий слой воздуха, заключенный между двумя стеклянными пластинами или линзами, или при падении света на тонкую пленку любого прозрачного вещества. Это явление нам известно как «цвета тонких пластинок» или «кольца Ньютона»; до Гука их наблюдал Бойль.

Во втором экспериментальном открытии, сделанном после выхода Микрографии, Гук обнаружил, что свет в воздухе не распространяется по прямым линиям, т. е. в пределах геометрической тени непрозрачного тела существует некоторое свечение. Это наблюдение было опубликовано в 1665 году в посмертной работе Франческо Мария Гримальди (1613 – 1663), иезуита, который назвал это явление дифракцией.

Теоретические исследования света Гуком были чрезвычайно важны, т. к. они представляли собой переход от декартовой системы к хорошо разработанной теории волн. Гук начал с критики высказывания Декарта о том, что свет — это скорее склонность к движению, чем само движение. «Светящегося тела, — замечает он, — не существует, но есть его части, которые движутся в той или иной степени»; и это движение «слишком быстрое». Более того, т. к. некоторые тела (например, отшлифованный или нагретый алмаз в темноте) светятся довольно продолжительное время и не меркнут, из этого следует: что бы ни двигалось, оно не покидает это тело навсегда, а следовательно, движение должно совершаться по принципу вперед-назад, т. е. оно должно иметь колебательный характер. Амплитуда колебаний должна быть ничтожно мала, поскольку некоторые светящиеся тела (например, тот же алмаз) очень твердые, а потому не могут ощутимо сжиматься или сгибаться.

Итак, сделав вывод о том, что условием испускания света светящимся телом являются частые колебания малой амплитуды, Гук далее заинтересовался, каким образом свет распространяется в пространстве. «Далее следует рассмотреть, — говорит он, — траекторию движения света, проходящего через прозрачное тело до наших глаз». Здесь можно сделать некоторые допущения:

«Во-первых, чтобы это тело можно было назвать прозрачным, оно должно быть восприимчивым к этому движению и в то же время не препятствовать ему.
Во-вторых, части этого тела должны быть однородны или однотипны.
В-третьих, строение и движение частей должно быть таким, чтобы импульсы от светящегося тела могли передаваться или распространяться сквозь него на огромнейшие расстояния за кратчайшее время, хотя я не вижу причины утверждать, что это время должно быть мгновенным.
В-четвертых, движение передается во всех направлениях в однородной среде по прямым линиям, расходящимся во всех направлениях, подобно лучам из центра сферы.
В-пятых, в однородной среде это движение передается с равной скоростью во всех направлениях, при этом каждый импульс или колебание светящегося тела будет образовывать сферу, которая будет постоянно увеличиваться, подобно тому (только в бесконечное число раз быстрее) как волны или круги на поверхности воды расходятся вокруг точки, куда бросили камень, породивший их движение. Отсюда следует, что все волнообразные части этих сфер в однородной среде пересекают лучи под прямым углом».

И вот у нас появилась довольно определенная механическая концепция. Она напоминает концепцию Декарта тем, что постулирует среду как переносчик света. Но согласно гипотезе Декарта возмущение есть статическое сжатие в этой среде, тогда как в теории Гука — это быстрое колебательное движение малой амплитуды. Более того, в вышеприведенном отрывке Гук вводит идею о фронте волны, или геометрическом месте точек в любой момент возмущения, возникшего в какой-то точке, и утверждает, что это — сфера, центр которой находится в этой точке, а радиусы являются лучами света, исходящими из этой точки.

Далее Гук направил свои усилия на создание механической теории преломления, чтобы заменить ею теорию Декарта. «Поскольку, — говорит он, — все прозрачные среды не однородны по сравнению друг с другом, мы исследуем, как импульс или движение будет распространяться в средах разной прозрачности. Здесь, согласно самому проницательному и замечательному философу Декарту, я предположу, что синус угла падения в первой среде относится к синусу угла преломления во второй, так же как плотность первой среды относится к плотности второй.

Под плотностью я понимаю не плотность относительно притяжения (с которым преломление или прозрачность сред никак не связана), а плотность относительно траектории лучей света. В этом отношении разница заключается только в том, что в одной среде импульс распространяется быстрее и слабее, а в другой — медленнее, но сильнее. Но что касается самих импульсов, то преломление придает им некоторое свойство, которое мы сейчас попытаемся объяснить».

Рис. 1
Рис. 1

«Предположим, что на первом рисунке (рис. 1) ACFD — физический луч, или ABC и DEF — математические лучи, проведенные из очень отдаленной точки светящегося тела через однородную прозрачную среду LL, a DA, ЕВ, FC — небольшие отрезки сферических импульсов, которые должны пересекаться с лучами под прямым углом, причем эти лучи при падении под непрямым углом на плоскую поверхность NO среды, которая обеспечивает легкий переход к распространению света, преломляются в среде ММ в направлении перпендикуляра к этой поверхности. И поскольку эта среда проводит свет на треть легче предыдущей, точка С сферического импульса FC сдвинется к H на 4 интервала, в то время как F, другая конечная точка этого импульса, сдвинется на 3 интервала, и следовательно, полностью преломленный импульс в Н будет составлять с преломленными лучами СНК и GI непрямой угол».

Хотя это предположение удачно не во всех отношениях, в нем все же заметен явный прогресс по сравнению с подходом к этой же задаче Декарта, который использовал обычную аналогию. Гук пытается понять, что происходит с фронтом волны, когда он попадает на поверхность раздела двух сред. С этой целью он выдвигает верный принцип: та часть фронта волны, которая первая достигает поверхности раздела, входит во вторую среду со скоростью, соответствующей этой среде, тогда как другая его часть, которая все еще находится в первой среде, движется с прежней скоростью, поэтому фронт волны будет преломляться при переходе из одной среды в другую.

Гук предположил, что это преломление фронта волны является источником цветов, которые получаются при прохождении света через призму. Он рассматривал естественный или белый свет как возмущение простейшего типа, которое состоит из простых и однородных импульсов, перпендикулярных к направлению распространения лучей света, поэтому он заключил, что цвет образуется в результате искажения, которому подвергается это возмущение в процессе преломления.

«Преломление, — говорит он, — на поверхности второй среды вызывает дисперсию, расщепление и расширение луча. От прямой линии луч рассеивается по поверхности под непрямым углом, вследствие чего мы наблюдаем цвета». «Цвет, — как он замечает в другом источнике, — есть не что иное, как возмущение света переходом импульса в другие прозрачные среды, то есть преломлением».

Его точная гипотеза о различии цветов заключалась в том, «что голубой — это восприятие сетчаткой глаза падающего под непрямым углом и смешанного импульса света, минимум волны которого обгоняет максимум. Красный — восприятие сетчаткой падающего под непрямым углом и смешанного импульса света, максимум волны которого первым достигает сетчатки».

7. Ньютон опровергает теорию цветов Гука

Теория цветов Гука была полностью опровергнута через несколько лет после ее публикации одним из первых открытий Исаака Ньютона (1642 – 1727). В начале 1666 года в руки Ньютона, который в то время был студентом Тринити Колледж (Trinity College), Кембридж, попала треугольная призма. Ему захотелось «тотчас произвести опыты со знаменитым явлением цветов». Для этой цели «затемнив свою комнатку, я проделал небольшое отверстие в ставнях окна, чтобы пропустить солнечный свет; на пути пучка лучей, проходивших через это отверстие, я установил свою призму так, чтобы лучи преломлялись на противоположную стену. Поначалу, наблюдать за появившимися яркими и живыми цветами было для меня развлечением. Но немного погодя я заставил себя взглянуть на них более внимательно, и был удивлен, увидев, что цвета имеют вытянутую форму, хотя в соответствии с полученным законом преломления, они должны иметь форму колец». Фактически, длина цветового спектра была в пять раз больше его ширины.

Ньютон решил разгадать эту загадку; и проведя еще несколько опытов, нашел верное объяснение: обыкновенный белый свет в действительности является смесью лучей разных цветов, а удлинение спектра происходит из-за разного преломления стеклом этих лучей.

«Пока я размышлял над всем этим, — говорит Ньютон, — мне пришлось покинуть Кембридж из-за эпидемии чумы». Это произошло в 1666 году, а научная статья Ньютона на эту тему была представлена Лондонскому королевскому обществу лишь спустя 5 лет после ее написания. В этой статье он выдвинул теорию цветов, совершенно противоположную теории цветов Гука.

«Цвета, — говорит Ньютон, — не являются характеристиками света, полученными путем преломления, или отражениями естественных тел (как это всегда считалось). Цвета — это свойства, которые присущи свету изначально. У разных лучей они различны. В одних лучах присутствует только красный цвет и никакой другой, во-вторых — только зеленый, в-третьих — только желтый и т. д. Это касается не только чистых цветов, но и их оттенков.

Каждой степени преломляемости соответствует свой цвет, и каждому цвету соответствует своя степень преломляемости.

Каждый цвет и степень преломляемости, соответствующие определенному виду лучей, не изменяются ни под воздействием преломления, ни под воздействием отражения от естественных тел, ни по какой другой причине, которую я мог наблюдать. После отделения любого вида лучей от всех остальных этот вид обладал только своим цветом, несмотря на все мои усилия изменить его».

Публикация новой теории стала причиной жарких споров. Как и следовало ожидать, основным оппонентом стал Гук, который довольно резко критиковал новую теорию. Если вспомнить, что в то время Ньютон только начинал свою карьеру, а Гук был уже человеком в возрасте и имел солидную репутацию, то такая резкость последнего выглядит особенно неблагородной, и, вероятно, именно из-за этих неприятных последствий объявления о его первом великом открытии, Ньютон всегда с большой неохотой представлял свои открытия общественности.

В ходе этого спора у Ньютона появилась возможность дать более полное объяснение своим взглядам на природу света. Гук обвинил его в приверженности к идее о том, что свет — это материальная субстанция. В действительности же, Ньютон очень не любил разного рода домыслы. Он отказался от попыток создать всю Вселенную с самых ее основ по образцу Декарта и стремился лишь сформулировать законы, которые непосредственно управляют реальными явлениями. Что касается оптики, он хотел создать теорию, свободную от размышлений о скрытом механизме света. Соответственно, в ответ на критику Гука он заявил, что его взгляды на цвет никоим образом не связаны с каким бы то ни было особым пониманием элементарной природы оптических процессов.

8. Концепция эфира в работах Ньютона

Однако Ньютону не удалось объединить световые явления в понятную и убедительную теорию, не прибегая при этом к гипотезам. Гипотезу Гука о том, что свет состоит из колебаний эфира, он отрицал по причинам, которые в то время не подвергались ни малейшему сомнению (и которые опровергли только век спустя). Одна из этих причин заключалась в неспособности волновой теории объяснить прямолинейное распространение света, другая — в ее неспособности объяснить явление поляризации (которое обнаружил Гюйгенс, а впервые правильно интерпретировал сам Ньютон). В целом, Ньютон, видимо, придерживался некоторой системы воззрений, которую кратко можно представить следующим образом.

Все пространство заполнено упругой средой или эфиром, который способен распространять световые колебания так же, как воздух распространяет звуковые колебания, только с гораздо большей скоростью. Этот эфир заполняет поры всех материальных тел и является причиной их межмолекулярной связи. Его плотность меняется от одного тела к другому, достигая своего максимума в свободных межпланетных пространствах. Эфир — это не обязательно однородная субстанция, но подобно тому, как воздух содержит водяной пар, эфир может содержать различные «эфирные пары», которые способны создавать явления электричества, магнетизма и тяготения.

Нельзя предположить, по уже упомянутым причинам, что свет состоит из колебаний эфира. Значит, свет следует рассматривать как «нечто другое, распространяющееся от прозрачных тел. Кто хочет, может считать, что это совокупность различных перипатетических качеств. Другие могут предположить, что это множество невообразимо малых и быстрых корпускул различных размеров.

Эти корпускулы исходят от светящихся тел на огромных расстояниях друг от друга, но через неощутимо малые промежутки времени, и постоянно движутся вперед в соответствии с принципом движения, согласно которому в начале они ускоряются до того момента, когда сопротивление эфирной среды становится равным силе этого принципа. Это весьма похоже на то, как тело, брошенное в воду, сначала тоже ускоряется, но затем сопротивление воды становится равным силе тяжести.

Те, кому это не нравится, могут представить свет как любое другое телесное излучение, как любой импульс или движение любой другой среды, как движение эфирного пара, который рассеивается в основном теле эфира, или как все то, что они могут счесть уместным для этой цели. Чтобы избежать ненужных споров и сделать эту гипотезу общей, пусть каждый представляет то, что ему нравится, но при одном условии: каким бы ни был свет, он состоит из лучей, которые отличаются друг от друга по случайным параметрам: величине, форме или энергии».

В любом случае, свет и эфир способны взаимодействовать; эфир — это просто промежуточное состояние между светом и весомой материей. Когда луч света встречает слой эфира, более плотный или более редкий, чем тот, через который он только что проходил, то он, как правило, отклоняется от своей прямолинейной траектории движения, и разница плотностей эфира в двух материальных средах на основе этих принципов объясняет отражение и преломление света.

Сгущение или разрежение эфира, появляющееся из-за присутствия материального тела, распространяется на небольшое расстояние от поверхности этого тела, так что вызванный этим явлением изгиб в действительности является непрерывным и плавным. Это объясняет дифракцию света, которую Ньютон определил как «всего лишь новый вид преломления, вызванного, возможно, небольшим ростом разреженности внешнего эфира при приближении к непрозрачному телу по сравнению с его состоянием в свободном пространстве».

Хотя Ньютон и не считал, что циклические колебания его эфира образуют свет, хаотическая турбулентность этого эфира довольно точно отразила его концепцию тепла. Он полагал, что, когда материальное тело поглощает свет, в эфире начинаются колебания, которые мы рассматриваем как тепло, которое всегда образуется в таких случаях. Передачу тепла от нагретого тела к находящемуся с ним в контакте охлажденному Ньютон понимал как передачу, вызванную колебаниями эфира, распространяющимися между телами. Также он предполагал, что именно резкое возбуждение эфирных движений побуждает раскаленные субстанции испускать свет.

Если согласиться с Ньютоном и допустить, что колебания эфира не создают свет, даже если они могут быть тесно связаны с ним, то наиболее определенно и логично предположить, что лучи света — это потоки корпускул, испускаемые светящимися телами. Хотя сам Декарт не выдвигал эту гипотезу, она была настолько похожа на его общую схему, что поколение ученых времен Ньютона (большинство из которых находилось под влиянием декартовской философии) из множества предлагаемых Ньютоном гипотез инстинктивно выбрало именно эту. В дальнейшем ученые, как правило, связывали эту гипотезу с именем Ньютона.

Любопытный аргумент в ее пользу предоставило явление, которое к тому времени было известно уже около полувека. Примерно в 1630 году Винченцо Каскариоло, сапожник из Болоньи, обнаружил, что вещество, которое впоследствии получило название болонийского камня или болонийского фосфора, обладает свойством свечения в темноте, если до этого его некоторое время подержать на солнечном свете. Сохранение света, которое, по-видимому, имеет место, проще всего объяснить с помощью корпускулярной теории. Однако, когда было обнаружено, что фосфорицирующие вещества не обязательно испускают тот же вид света, воздействию которого они подвергались, этот факт указал другое направление.

9. Теории Ньютона о периодичности однородного света и о приступах легкого прохождения

В соответствии со своим первым открытием, Ньютон рассматривал цвет как неотъемлемую характеристику света и заключил, что цвет должен быть связан с каким-то особым свойством корпускул или колебаний эфира. Корпускулы, соответствующие разным цветам, подобно звучащим телам с различной высотой тона, как он отмечал, вызывают в эфире колебания разных типов.

«Если каким бы то ни было образом разделить эти колебания неравной продолжительности, то наибольшее даст ощущение красного цвета, наименьшее или кратчайшее — фиолетового, а промежуточные колебания дадут те цвета, которые находятся между красным и фиолетовым. Это весьма похоже на то, как тела, в соответствии с их размером, формой и движением вызывают в воздухе колебания разной продолжительности, которые, в зависимости от этой продолжительности, образуют звук того или иного тона».

В этом высказывании впервые формулируется очень важный принцип: однородный свет по своей природе периодичен, и каждому периоду соответствует свой цвет. Очевидная аналогия со звуком ярко выражена в работе Гюйгенса Трактат о свете, на которой позднее мы остановимся подробнее. Между прочим, отметим, что одной теории Ньютона о периодичности колебаний в упругой среде (которую он связал с объяснением распространения звука) было бы достаточно, чтобы поставить его в один ряд с теми, кто оказал огромное влияние на теорию света, даже если бы он не привнес существенного вклада в дальнейшее развитие этой теории.

Большое внимание Ньютон уделял цветам тонких пластинок. Он очень точно определил эмпирические законы этого явления. Для их объяснения он предположил, что «каждый луч света, проходя через любую поверхность преломления, переходит в некоторое промежуточное состояние. При дальнейшем следовании луча это состояние появляется через равные интервалы времени. При каждом появлении оно помогает лучу легко проходить через следующую поверхность преломления. А в моменты отсутствия этого состояния луч отражается этой поверхностью».

Он обнаружил, что интервал между двумя последовательными возможностями «легкого прохождения» или «длина приступа» изменяется в зависимости от цвета. Наибольшая длина приступа соответствует красному свету, наименьшая — фиолетовому. Тогда, если луч однородного света попадает на тонкую пластинку, то его прохождение и отражение от двух поверхностей будет зависеть от отношения длины приступа к толщине пластинки.

На основе этого он создал теорию цветов тонких пластинок. Очевидно, что «длина приступа» Ньютона в некоторой степени соответствует величине, которую в волновой теории называют длиной световой волны. Однако, несмотря на то, что теория приступов легкого прохождения и отражения была убедительным объяснением многих явлений, неизвестных современникам Ньютона, после триумфального появления волновой теории в XIX в. от нее отказались.

Теория света Ньютона привела его к переписке с Игнасом-Гастоном Парди (1636 – 1673), профессором математики в парижском Коллеж де Клермон (College de Clermont) (впоследствии известном как Коллеж Луи-ле-Гран (College Louis-le-Grand)). В результате Парди (который был картезианцем), казалось, убедился в истинности доктрины Ньютона. Однако ему очень нравилась волновая гипотеза (которая, впрочем, не противоречила идее Ньютона). Незадолго до своей ранней смерти он написал диссертацию по волновому движению. Она, видимо, повлияла на Гюйгенса, видевшего ее в Париже. Парди в общих чертах предсказал понятие аберрации (отклонения), которое открыли только более полувека спустя, и отрицал гипотезу Декарта о том, что свет обладает бесконечной скоростью.

10. Скорость света: Галилео, Рёмер

Во времена публикации работы Гука Микрография и теории цветов Ньютона было неизвестно: распространяется ли свет мгновенно или его скорость конечна. Много лет назад Галилей предпринял попытку разрешить этот вопрос экспериментальным путем. Он поставил двух человек с фонарями на значительном расстоянии друг от друга. Одному из них он приказал наблюдать, когда второй откроет фонарь и открыть свой в тот момент, когда он увидит свет первого фонаря. Однако время, необходимое свету для распространения, слишком мало, чтобы его можно было измерить таким образом, и, в конце концов, это открытие сделал астроном.

В 1675 году Олаф Рёмер (1644 – 1710), датчанин по национальности, который в то время жил в Париже и преподавал математику дофину Франции, наблюдал, что затмения первого спутника Юпитера, по-видимому, подвергались воздействию какой-то неизвестной возмущающей причины. Этот процесс замедлялся, когда Земля и Юпитер, двигаясь по орбитам, максимально удалялись друг от друга и ускорялся в противоположном случае. Рёмер объяснил это тем, что свету требуется конечное время, чтобы дойти от спутника до Земли, и, наблюдая затмения, он рассчитал, что для прохождения света от Солнца до Земли (так называемое световое уравнение) необходимо 11 мин. [в следующие 50 лет это время было уменьшено до 8 мин.].

11. "Трактат о свете" Гюйгенса. Его теории распространения волн и оптики кристаллов

Вскоре, после открытия Рёмера, Христиан Гюйгенс (1629 – 1695) значительно усовершенствовал и расширил волновую теорию света. В 1678 году (в это время он жил в Париже) Гюйгенс сообщил о полученных им результатах Кассини, Рёмеру, Де ла Гиру и другим физикам французской академии и подготовил достаточно объемную рукопись по этой теме. Он предложил перевести ее на латинский язык и опубликовать вместе с трактатом об оптике телескопов. Но перевод давался с трудом, и через двенадцать лет он решил напечатать работу по волновой теории в первоначальном виде. В 1690 году она вышла в Лейдене (…).

Гюйгенсу казалось, что гипотезу Гука о том, что свет — это, в сущности, одна из форм движения, подтверждают процессы, происходящие с зажигательными стеклами. Поскольку из-за возгорания, вызванного фокусом стекла, молекулы тел разлагаются, что, по мнению Гюйгенса, следует воспринимать как верный признак движения, если, подчиняясь философии Декарта, мы ищем причину всех природных явлении в чисто механических действиях.

Тогда возникает вопрос: является ли это движение движением среды, как предполагает в своей теории Гук, или его можно сравнить с полетом стрел, как объясняет корпускулярная теория? Гюйгенс решил, что первый вариант является единственно логичным, поскольку лучи света распространяются в направлениях, расположенных относительно друг друга таким образом, что лучи никоим образом не могут пересекаться.

Кроме того, Торричелли уже показал, что свет свободно передается как в воздухе, так и в вакууме, из чего Гюйгенс сделал вывод, что среда или эфир, в котором происходит распространение света, должна присутствовать во всей материи и даже в так называемой пустоте. Следовательно, свет состоит из возмущений, которые с огромной скоростью распространяются в высокоупругой среде, состоящей из очень тонкой материи. Процесс волнового распространения света Гюйгенс рассматривал, используя принцип, который был впервые введен именно в то время (с тех пор этот принцип носит его имя). Принцип можно сформулировать следующим образом.

Рис. 2
Рис. 2

Рассмотрим фронт волны, или геометрическое место точек возмущения, существующее в определенный момент времени t0 (рис. 2). Тогда каждый элемент поверхности фронта волны можно рассматривать как источник вторичной волны, которая в однородной изотропной среде будет распространяться наружу от элемента поверхности фронта волны в форме сферы, радиус которой в любой последующий момент времени t пропорционален ( t – t0 ). Фронт же волны, который представляет полное возмущение в момент времени t, является огибающей вторичных волн, которые возникают из различных элементов поверхности исходного фронта волны.

Введение этого принципа позволило Гюйгенсу объяснить явления преломления и отражения, тогда как Гуку и Парди это не удалось. Метод Гюйгенса заключался в объединении его собственного принципа с принципом Гука о последовательном прохождении правой и левой сторон фронта волны в тот момент, когда он достигает поверхности раздела двух сред. Реальное объяснение отражения заключается в следующем.

Пусть АВ — это поверхность раздела сред, где происходит отражение. АНС — падающий фронт волны в момент времени t0 , a GMB — положение, которое фронт волны будет занимать в более поздний момент t, если распространение света не будет прервано отражением. Тогда, по принципу Гюйгенса, вторичная волна из точки А в момент t будет являться сферой RNS радиуса AG; возмущение от точки Н, достигнув поверхности раздела в точке К, образует вторичную волну TV радиуса КМ. Аналогично можно найти вторичную волну, соответствующую любому другому элементу исходного фронта волны. Очевидно, что огибающей этих вторичных волн, которая представляет конечный фронт волны, будет плоскость BN, которая наклонена к АВ под тем же углом, что и АС. Отсюда вытекает закон отражения.

Закон преломления устанавливается путем подобного рассуждения на основе предположения, что скорость света зависит от среды, в которой он распространяется. Поскольку луч, проходящий из воздуха в стекло, отклоняется вовнутрь по отношению к нормали, то можно сделать вывод, что в стекле свет движется медленнее, чем в воздухе.

Гюйгенс предложил физическое объяснение изменения скорости света в разных средах, предположив, что прозрачные тела состоят из твердых частиц, которые взаимодействуют с материей эфира, изменяя ее упругость. Развивая эту идею, он объяснил непрозрачность металлов, предположив, что одни частицы металлов твердые (они отвечают за отражение), а остальные мягкие (они препятствуют движению свечения, ослабляя его).

Вторая часть Трактата о сеете посвящена явлению, которое было обнаружено за несколько лет до его написания датским философом Эрасмусом Бартолином (1625 – 1698). Один моряк привез из Исландии в Копенгаген несколько красивых кристаллов, которые он собрал в заливе Роерфорд. Они попали к Бартолину, который заметил, что, если смотреть через один из этих кристаллов на небольшой предмет, то, кажется, что этот предмет удваивается. Бартолин счел прямой причиной этого явления то, что луч света, попадая в кристалл, в общем случае разделяется на два преломленных луча. Один из этих лучей подчиняется обыкновенному закону преломления, а второй, названный необыкновенным лучом, подчиняется совершенно иному закону, который Бартолин так и не смог определить. С этого момента данным вопросом занялся Гюйгенс. Поскольку в его понимании каждый луч света соответствует распространению фронта волны, то два луча в исландском шпате должны соответствовать двум разным фронтам волны, которые распространяются одновременно. Для Гюйгенса эта идея не представила никакой сложности, он сказал: «Пространство, занимаемое несколькими видами материи, определенно позволяет распространяться несколькими видам волн, скорость которых различна; поскольку именно это и происходит в воздухе, смешанном с материей эфира, где распространяются и звуковые, и световые волны».

Поэтому он решил, что возмущение света, вызванное в любой точке внутри кристалла исландского шпата, распространяется в форме волновой поверхности, состоящей из сферы и сфероида с центром в источнике возмущения. Сферический фронт волны соответствует обыкновенному лучу, а сфероидный — необыкновенному; и направление преломления необыкновенного луча можно определить с помощью геометрического построения, в котором сфероид занимает место сферы при построении обыкновенного луча.

Итак, пусть плоскость рисунка находится под прямым углом к пересечению фронта волны с поверхностью кристалла. Пусть АВ представляет след падающего фронта волны. Допустим, что возмущение от т. В достигает поверхности раздела сред в т. Т за единицу времени. За это же время возмущение от т. А распространится в кристалле в форме сферы и сфероида; так что фронтом волны, соответствующим обыкновенному лучу, будет плоскость, касательная к сфере и проходящая через линию, следом которой является т. Т ; а фронтом волны, соответствующим необыкновенному лучу, будет плоскость, касательная к сфероиду и проходящая через ту же линию. Точки соприкосновения N и М определят направления AN и AM двух преломленных лучей внутри кристалла.

В своей работе Трактат о сеете Гюйгенс не делал попыток дать детальное физическое объяснение сфероидной волны, хотя и рассказал о ней в письме к Папену, написанном в декабре 1690 года. «Что касается видов материи, содержащихся в исландском шпате, — говорит он, — то я полагаю, что один из них состоит из небольших сфероидов, а другой — занимает промежутки между этими сфероидами, тем самым являясь их связкой. Кроме этих двух видов материи там присутствует еще и материя эфира, которая пропитывает весь кристалл, находясь как между частицами двух вышеупомянутых материй, так и внутри этих частиц.

Я считаю, что и малые сфероиды, и материя, заполняющая пространство между ними, состоят из небольших неподвижных частиц, среди которых рассеяны еще меньшие частицы эфира, находящиеся в постоянном движении. Нет причины, по которой обыкновенный луч в кристалле не может быть вызван волнами, которые распространяются в этой эфирной материи. Для объяснения необыкновенного преломления я представлю другой вид волн, который переносит как материя эфира, так и два других вида материи, из которых состоит кристалл.

Я полагаю, что материя малых сфероидов передает такие волны немного быстрее, чем материя эфира; а материя, которая окружает сфероиды, передает эти волны немного медленнее, чем та же материя эфира... Эти же волны, распространяясь в направлении ширины сфероидов, встречают на своем пути, главным образом, материю сфероидов или, по крайней мере, меньше препятствий, а потому распространяются немного быстрее. Таким образом, распространение светового возмущения можно рассматривать как сфероидный слой».

Проводя опыты с исландским шпатом, Гюйгенс сделал еще одно важнейшее открытие. Он заметил, что два луча, образующиеся при двойном лучепреломлении, впоследствии ведут себя отлично от обыкновенного света, который не подвергался двойному лучепреломлению; в частности, когда один из этих лучей падает на второй кристалл исландского шпата, то при некоторых обстоятельствах он образует два преломленных луча, а при других — всего один. Поведение луча при втором преломлении можно изменить простым вращением второго кристалла вокруг луча, взятого в качестве оси: луч подвергается обыкновенному или необыкновенному преломлению, в зависимости от расположения главного сечения кристалла в этом же или другом (перпендикулярном ему) направлении.

12. Ньютон показывает, что лучи, подвергшиеся двойному лучепреломлению, имеют грани. Его несогласие с волновой теорией

Первые попытки объяснить наблюдения Гюйгенса были предприняты Ньютоном. В 1717 г. он показал, что луч, образующийся при двойном лучепреломлении, отличается от луча обыкновенного света так же, как длинный прут с прямоугольным сечением отличается от такого же прута с круглым сечением. Другими словами, свойства луча обыкновенного света одинаковы по отношению ко всем направлениям, перпендикулярным направлению его распространения, тогда как луч, полученный в процессе двойного лучепреломления, видимо, имеет стороны или обладает свойствами, связанными с особыми направлениями, перпендикулярными его направлению. Процесс преломления такого луча на поверхности кристалла зависит от положения его сторон относительно главной плоскости кристалла.

Ньютону казалось, что такие свойства луча света не согласуются с гипотезой, которая проводит аналогию между световыми и звуковыми волнами. В этом он был прав; он совершенно справедливо возражал против волновой теории, как ее понимали его современники, но он не возражал бы против теории, которую столетие спустя выдвинули Юнг и Френель.

Хотя главные исследования Гюйгенса в области оптики появились позднее открытий, сделанных Ньютоном в 1666 – 1672 гг., он все же был старше Ньютона на тринадцать лет, и, что касается представления физической реальности, он в основном придерживался взглядов Декарта. Как и Декарт, он считал, что эфир состоит из мельчайших частиц и пытался объяснить тяготение наличием эфира, полагая, что он быстро вращается в области пространства, окружающей Землю, — фактически образуя декартов вихрь — и под действием центробежной силы этого вихря земные объекты смещаются к центру Земли. Однако, как мы уже знаем (с. 25), он прекрасно осознавал ошибочность принципа, на котором Декарт основывал свой подход к изучению Природы.

В 1687 году в работе Ньютона Начала был опубликован точный закон тяготения, справедливый для всей Вселенной, благодаря которому появилась возможность рассчитать движения всех небесных тел. Этот закон звучит так: две любые материальные частицы притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Ньютон претендовал лишь на то, что его открытие дает необходимый инструмент для математического прогнозирования, и подчеркнул, что оно никоим образом не касается вопроса о механизме тяготения. Хотя он предположил, что плотность эфира в пространстве может изменяться, а тела стремятся двигаться из более плотных областей среды в менее плотные: но независимо от истинности этого объяснения, Ньютон говорил, что полагать, «что одно тело может воздействовать на другое, находящееся от него на некотором расстоянии, через вакуум без каких-либо «посредников»,... — для меня настолько абсурдно, что, по-моему, ни один человек, обладающий хотя бы малейшим представлением о философских материях, не может в это верить».

13. "Начала" Ньютона: долгое непринятие

Работа Ньютона была настолько блестящей, что просто удивительно, как медленно она вытесняла теорию вихрей Декарта. После публикации Начал прошло уже много времени, а учебником естествознания в Кембридже все еще оставался перевод (с французского на латинский) Физики Рохо — работы истинного картезианца. Уистон писал, что возвратившись в Кембридж после посвящения в духовный сан в 1693 г., он возобновил там изучение «в частности, математики и философии Декарта, так как только они были в то время в моде.

Но незадолго до этого с большим трудом и без какого бы то ни было содействия я с огромным рвением начал изучать замечательные открытия сэра Исаака Ньютона». Изменение характера официального учения произошло довольно любопытным образом. Рьяный последователь Ньютона, д-р Самюэль Кларк, примерно в 1718 г. опубликовал новый вариант перевода Рохо с текущим комментарием, который, на первый взгляд, не противоречил ни языку, ни тексту, но фактически опровергал написанное. Это издание заменило прежнее, и молодое поколение спокойно восприняло новое знание.

Первым британским университетом, где учение Ньютона было введено в официальную программу, стал, видимо, Эдинбургский университет, где с 1683 по 1690 гг. работал друг Ньютона, профессор Дэвид Грегори. Если вновь обратиться к Уистону: «Он заставил нескольких ученых продолжить Деяния, как мы их называем, в нескольких областях философии Ньютона. А мы «жалкие людишки» из Кембриджа с усердием изучали ложные гипотезы картезианцев».

На континенте же перемены происходили еще медленнее. «Француз, приехав в Лондон, — писал Вольтер в 1730 году, — обнаружит, что философия там совершенно изменилась, как, впрочем, и все остальное. Он знал «пространство, заполненное веществом», а сейчас это уже «вакуум». И такой перемене Вольтер дал весьма удивительное объяснение. «Людей раздражает не само явление, — сказал он, — а его название. Если бы в своей замечательной философии Ньютон не использовал слово притяжение, то каждый член нашей Академии увидел бы в ней истину; но, к сожалению, в Лондоне он использовал слово, к которому в Париже относятся с насмешкой, и только поэтому о нем составили неблагоприятное суждение столь поспешно, что в скором будущем эта поспешность вряд ли сделает большую честь его оппонентам».

В Германии Лейбниц описал формулу Ньютона как возвращение к несостоятельной схоластической идее о скрытых качествах, а в середине XVIII в. Эйлер и оба Бернулли основали свое объяснение магнетизма на гипотезе о вихрях.

То, что французские картезианцы не приняли закон тяготения (закон обратных квадратов), открытый Ньютоном, так разозлило его молодых учеников, что они сплотились в оппозицию и отвергли не только идею о вихрях, но и всю систему воззрений Декарта, включая эфир. Ко второму изданию (1713 г.) Начал Роджер Коте (1682 – 1716) написал предисловие, в котором он защищает закон Ньютона о действии на расстоянии как единственную формулировку, которая обобщает результаты опытов и не выдвигает бесполезных предположений, не поддающихся проверке. Принцип, провозглашенный Котсом, заключается в том, что цель теоретической физики — это предсказание будущих событий, а все, что не является необходимым для достижения этой цели и что нельзя вывести непосредственно из наблюдаемых фактов, нужно убрать. В данном утверждении явно присутствует вопрос о том, что же является фундаментальным в философии природы и на что стоит обратить более пристальное внимание.

Исследования физиков-теоретиков частично связаны с событиями, которые можно действительно наблюдать — назовем их явлениями — а частично с событиями, которые сами по себе невозможно обнаружить, но их существование предполагается в целях установления преемственности отдельных событий, наблюдаемых в действительности. Считается, что в логически связной картине мира подобная преемственность необходима. Такие гипотетические события современные ученые называют промежуточными явлениями.

Пример такого явления можно взять из оптики: свет невозможно ощутить, пока он не столкнется с материей: эти столкновения и есть явления, но поскольку скорость света конечна, существуют промежутки времени между последовательными столкновениями с материей; и если принять, что световое возмущение продолжает существовать в некоторой форме между точкой, которую оно покидает, и точкой, в которой оно появляется, то в этом промежуточном состоянии его можно классифицировать как промежуточное явление. В качестве другого примера можно взять тяготение.

Если допустить, что скорость распространения тяготения конечна (на сегодняшний день это уже доказано), то вопрос о том, что происходит во время его распространения, можно сразу отнести к области промежуточных явлений. Согласно принципу Котса, промежуточные явления не следует брать в расчет, потому что их невозможно наблюдать, а так же потому, что формулы для предсказания можно вывести и без них. Да и относятся они скорее к метафизике, чем к физике.

С другой стороны, школа, первыми знаменитыми выходцами которой были Декарт и Гюйгенс и к которой принадлежали практически все физики на протяжении следующих двух веков, считала понимание промежуточных явлений одной из первостепенных целей натурфилософии и рассматривала это понимание как перенос идей за пределы явлений, в области более глубокие и онтологически обоснованные.

Современники Котса полагали, что распространение тяготения происходит мгновенно, а следовательно, времени на промежуточное явление оставаться не должно. Когда в XVIII веке физики экспериментально обнаружили, что закон Ньютона действительно работает и дает формулы, с помощью которых можно предсказать практически любое наблюдаемое в Солнечной системе движение, тогда как поиски объяснения промежуточных явлений не приводят ни к каким практическим результатам, возникло мнение в поддержку Котса, которое вскоре нашло немало сторонников. В середине этого же века хорватский иезуит Р. Бошкович (1711 – 1787), который был первым сторонником идей Ньютона в Италии, попытался объяснить все известные физические явления с точки зрения действия на расстоянии между точечными частицами. В результате, несмотря на блестящее развитие волновой гипотезы Гюйгенсом, от идеи светоносного эфира отказались и почти повсеместно приняли корпускулярную теорию света.

14. Корпускулы, расположенные за пределами Солнечной системы, Лесажа

Но даже тогда многие не теряли надежду понять промежуточные явления. Любопытную попытку создать объединенную теорию Декарта-Ньютона предпринял Жорж Луи Лесаж, который предложил объяснить явление тяготения через эфир Декарта, т. е. облако крошечных частиц — расположенных за пределами Солнечной системы корпускул — как он назвал их. Он полагал, что эти корпускулы (напоминающие нейтрино по понятиям современных физиков-атомщиков) существуют в огромном количестве во всех областях пространства и движутся во всех направлениях с большой скоростью. Далее он предположил, что их диаметры малы по сравнению с расстоянием между ними, и поэтому столкновения между ними очень редки. Значит, две частицы простого вещества в некоторой степени защищали бы друг друга от бомбардировки корпускулами, причем каждая частица получала бы меньше ударов с той стороны, где находится соседняя частица. Лесаж показал, что это явление эквивалентно силе притяжения между частицами, которая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, и эту силу он отождествлял с силой, открытой Ньютоном.

Материал представил Олег Акимов 22 февраля 2014 года