Сергей Иванович Вавилов ИСААК  НЬЮТОН Воспроизведено по 2-му просмотренному и дополненному изданию (М.-Л.: Изд. АН СССР, 1945 г.)

Глава третья

Физическая оптика до Ньютона

 

Со времени получения люкасовской кафедры в Кэмбридже в 1669 г. прошло более 20 лет без всяких изменений во внешней обстановке жизни Ньютона. Если просмотреть хронологическую таблицу его трудов и дней, составленную Эдлестоном изо дня в день, то в этот период мы не заметим ни одного “события” в житейском смысле слова: отмечаются только письма, участие в работах Королевского Общества, появление печатных работ, университетские выборы и пр. Ньютон оставался в Кэмбридже, изредка наезжая в Вульсторп и Лондон. Но этой монотонности и внешнему спокойствию соответствует наиболее напряженный период научной деятельности Ньютона. Работой исчерпывалась вся жизнь за указанную эпоху, и совершенно естественно, не прерывая хронологической нити рассказа, можно перейти от биографических фактов к изложению трудов Ньютона.

История учения о свете до Ньютона, если говорить о ней как о последовательном ряде новых продуктивных результатов, развивалась главным образом по линии геометрической оптики. Исключая случаи распространения света в мутных средах (например, туманах) и сложные явления, наблюдающиеся при встрече световым потоком очень малых отверстий или препятствий, можно сказать, что в однородной среде свет идет прямолинейно, меняя свое направление только при отражении и преломлении. Это было известно еще в древности, причем античные оптики знали закон отражения света, но в отношении преломления ограничивались только опытными сведениями.

Закон преломления удалось найти только в XVII в. Снеллю и Декарту. Эти физические основания геометрической оптики были вполне усвоены в первой половине XVII в. и нашли изящное и глубокое выражение в принципе скорейшего пробега светового луча Ферма.

Труба Галилея и его замечательные астрономические открытия превратили геометрическую оптику из отвлеченной математической дисциплины в чрезвычайно жизненную и важную практическую область, необходимую для рационального расчета оптических приборов. Но при сравнении таких расчетов с опытом все яснее становилось, что принципы геометрической оптики сами по себе еще не достаточны для полного правильного описания и объяснения распространения света.

Прежде всего, надо было как-нибудь понять явление цветности световых лучей, явным образом отличавшей один луч от другого.

Почти в неприкосновенном виде физика донесла до Ньютона традицию Аристотеля. Полагали, что цвета возникают от смешения света с темнотою в разных пропорциях. Еще в 1609 г. Кеплер, творения которого были главным источником оптических сведений Ньютона, писал, что различие цветов вызывается различным предрасположением материи прозрачного вещества к свету или тьме соответственно плотности или степени тьмы, присущей данной материи.

Двумя годами позднее итальянский епископ Антонио де-Доминис, трактат которого также изучался Ньютоном, пытался найти подтверждение такому воззрению в явлении призматических цветов. Антонио полагал, что у преломляющего угла призмы, где она тоньше всего, выходит красный цвет, содержащий “тьму” в наименьшей пропорции, по мере возрастания толщины появляется зеленый цвет, дальше фиолетовый. Такие утверждения явно противоречили опыту и, не разрешая задачи, только ее запутывали. Возникновение цветного изображения из белого луча при прохождении через стеклянную призму естественно позволяло надеяться именно в призме найти ключ к разрешению проблемы цветов.

Кроме Антонио, экспериментальное решение задачи при помощи призмы искал Маркус Марци де-Кронланд в своем трактате “Thaumantias”, появившемся в Праге в 1648 г. Экспериментальные выводы Марци бесспорно предваряют некоторые позднейшие результаты Ньютона.

“Свет, - заключает Марци, - превращается в цвета только при определенном преломлении в плотных средах, и различные виды цветов являются частями с различными преломлениями. Один и тот же цвет не может возникнуть при различных преломлениях, и при одном преломлении не могут появиться различные цвета. Отражение окрашенного светового луча не меняет его цвета, но и вторичное преломление уже окрашенного луча не может изменить вид его окраски”.

По этим опытным фактам Марци не сумел, однако, угадать истины. По его мнению, призматические цвета возникают от лучей, исходящих из разных точек Солнца и падающих на призму под различными углами. Разность углов падения лучей, исходящих от крайних точек солнечного диска, составляет 0,5 градуса. Эта небольшая разность не раз использовалась впоследствии в различных теориях цветов и в научных спорах. В частности, на нее опирались впоследствии некоторые критики Ньютона. Солнце долго и после Ньютона было практически почти единственным источником света в оптических экспериментах, и конечная угловая величина солнечного диска соблазняла не мало исследователей на ошибочные теоретические догадки.

Причину различия цветов Марци искал в “конденсации” - сгущении световых лучей. В неявной форме у Марци цвет - снова аристотелевское смешение света с тьмой. В “Лекциях по оптике” Барроу, в просмотре которых до печати, как говорилось выше, принимал участие Ньютон, приводится гипотеза о цветах, напоминающая взгляды Марци (без упоминания о нем). Гипотеза такова: белое - то, что испускает обильный свет во все стороны, черное - то, что в ничтожной мере отдает свет, красное - то, что излучает сгущенный свет, голубое - то, что испускает разреженный свет, зеленое - близко к голубому. Прочие цвета являются смесью: желтый - из белого и красного, пурпуровый - из голубого и красного.

Мы уже отмечали, что ошибочным было бы приписывать серьезно такие взгляды Барроу, а тем более Ньютону. Барроу приводил типичное мнение современников, не противопоставляя ему ничего другого. Можно добавить, что теория Аристотеля долгое время и после Ньютона держалась еще кое-где в физике.

Гете, яростно нападая на Ньютона, противопоставлял ему в сущности учение Аристотеля. Еще в 1831 г. шеллингианец профессор Велланский в Петербурге писал:

“...Цветы суть совместное произведение света со тьмою, происходящее в материи. Свету и тьме... соотетствует белый и черный цвета, составляющие все цветы тел, которые различаются только по содержанию в оных белого с черным” [11]

Совсем иное объяснение различия цветов предлагалось в теории Декарта. По его механическим представлениям, вследствие непрерывного движения первоначальной однородной субстанции, сплошь заполняющей вселенную, выделились три рода материи. Первый состоит из мельчайших продолговатых частиц, второй из одинаковых круглых частиц и, наконец, третий род материи - большие скопления, образовавшиеся из частиц первого рода. В каждом светящемся теле частицы первого элемента находятся в оживленном движении и производят сильное давление на круглые частицы второго рода. Вследствие непрерывного заполнения пространства это давление не может вызвать поступательного движения круглых частиц, возникает только некоторое “стремление”, тенденция к движению, мгновенно распространяющемуся от светящегося тела во все стороны.

Уподобляя это давление гидростатическому давлению в жидкости, Декарт считает его причиной световых ощущений. Когда направление распространяющегося давления образует с поверхностью раздела двух сред разной плотности косой угол, то круглые частицы второго элемента, не получая попрежнему поступательного движения, могут вращаться. Это вращение будет быстрее в тех частях луча, которые раньше доходят до преломляющей поверхности. Ощущению этого вращения круглых частиц с разной скоростью и соответствуют, по Декарту, различные цвета.

При этом Декарт различает три рода “элементарных” цветов: красный, желтый и синий. Прочие создаются из их сочетания.

В этой картине, имеющей, конечно, только исторический интерес и чисто спекулятивной, заслуживает внимания идея, связывающая различие цветов с различием частот некоторых периодических движений. Эта идея перешла и в современную оптику. Для нас теперь кажется странным, каким образом та же мысль не возникла у приверженцев волновой теории света.

Чисто качественное сравнение световых явлений с звуковыми или с волнами на водной поверхности было не редким. Такие уподобления можно разыскать и у древних; в более новые времена высказывал их, опять в качественной форме словесной аналогии, Леонардо да Винчи. Незадолго до начала оптических опытов Ньютона сравнение цветов с тонами звука появились в трактатах Делашамбра (1657) и иезуита Гримальди (1665). Но звуковые явления были изучены не больше световых, и, говоря о “тоне”, не понимали отчетливо, какому механическому фактору соответствует это свойство звука.

На ряду с Гюйгенсом, намеренно обходившим в своем знаменитом “Трактате о свете” явления цветности, смелым защитником волновой теории был Роберт Гук - непременный, почти до гробовой доски, оппонент Ньютона. О нем нам придется в дальнейшем говорить неоднократно. В поисках той переменной величины волнового движения, которая могла бы характеризовать цветность луча, Гук остановился на угле, образуемом поверхностью волны с направлением распространения. Прямой угол, по Гуку, соответствует белому свету, при косом дуче имеется возможность окраски, проявляющейся только в том случае, когда свет граничит с одной стороны с темнотою. Синий цвет вызывается косой волной, ослабленная часть которой попадает в глаз первою, красный же - в обратном случае. На основании такого представления Гук пытался истолковать цвета тонких пластинок.

В теории Гука, следовательно, образование цветов объясняется в сущности снова по Аристотелю смешением тьмы и света.

Таково было положение учения о цветах перед работами Ньютона. Все изложенные теории были надуманными и искусственными, объясняющими в лучшем случае небольшую группу фактов. Критика была легка, и оборона таких теорий безнадежна. Осторожные исследователи, вроде Бойля и Барроу, ограничивались сопоставлением разных воззрений. Однако в половине XVII в. Проблема цвета была настолько отчетливо поставлена, что то или иное решение ее было неизбежным.

Напряженность теоретической и экспериментальной работы в области световых явлений в шестидесятые и семидесятые годы этого столетия была поистине беспримерной. С полным основанием можно сказать, что в эти годы родилась физическая оптика. Достаточно привести некоторые хронологические даты.

В 1662 г. появляется трактат амстердамского физика Исаака Фосса “О природе света”, в котором, в частности, высказывается мысль о том, что разнообразие цветов следует приписать не телам, а самому свету.

В 1665 г. опубликовывается в Болонье посмертный труд иезуита Гримальди, содержащий, между прочим, ясное описание явления диффракции (огибания) света.

В том же году появляется “Микрография” Гука, в которой излагается его теория цветов и впервые описывается явление интерференции света в цветах тонких пластинок.

В том же 1665 г. Бойль печатает свои “Опыты и рассуждения о цветах, в особенности о природе белизны с наблюдением алмаза, светящегося в темноте”.

В 1670 г. Эразм Бартолин открывает двойное преломление света в кристаллах исландского шпата.

В 1675 г. Оле Ромер впервые определяет скорость света наблюдением затмений спутников Юпитера.

В 1678 г. появляется трактат Гюйгенса о свете, содержащий первые успешные количественные выводы волновой теории света.

На середину этого блестящего периода развития оптики падают главные оптические исследования Ньютона.