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

В “Оптике” Ньютон подвел итоги своим обширным исследованиям в области световых явлений. Однако многое, притом иногда значительное, в эту книгу не вошло. Ньютон стремился написать “Оптику” возможно проще и сделать из нее сочинение, доступное широкому кругу читателей-соотечественников. Поэтому книга написана по-английски, а не по-латыни, поэтому в ней почти полностью отсутствуют математические доказательства и выкладки, и материал объединен не столько по предмету, сколько по методу. “Оптика” - классический образец экспериментальной физики, это - книга опыта и до некоторой степени гипотезы. В “вопросах” Ньютон касается с экспериментальной и гипотетической стороны не только световых явлений, но и теплоты, тяготения, электричества, магнетизма, химии и пр.; все же, связанное с математикой, в книгу не включено. Поэтому доказательство предложений и теорем геометрической оптики нужно искать в “Лекциях” и в “Началах”; математическая теория преломления света (вывод закона преломления) также опубликована только в “Началах”.

Предполагая, что изменение направления светового луча в среде вызывается некоторой силой, действующей на свет со стороны вещества, Ньютон приходит к заключению, что скорость света до падения относится к скорости в среде, как синус угла к синусу угла падения, т.е. скорость света в среде должна быть больше, чем в пустом пространстве.

Прямые опыты Фуко, сделанные в XIX в., решительным образом разошлись с этим выводом Ньютона: скорость света в пространстве оказалась большей, чем в среде. Долгое время опыт Фуко считался окончательно опровергающим теорию истечения. Однако по современной квантовой теории света “групповая” скорость фотона в среде, так же как и скорость волн в области нормальной дисперсии, должна быть меньше, чем в пространстве, и опыт Фуко лишился решающего значения.

К математическим работам в области оптики может быть отнесена также ньютонова теория астрономической рефракции. Теория эта нигде Ньютоном не опубликована; в “Оптике” есть лишь краткие упоминания об астрономической рефракции. Результаты теории Ньютона в виде основной теоремы и таблиц сообщены им в письмах к королевскому астроному Флэмстиду за 1694 и 1695 гг., и впервые разобраны только в 1836 г. Био [21] и более полно в 1935 г. акад. А.Н. Крыловым [22]. А.Н. Крылов сумел по письмам Ньютона, некоторым местам “Начал” и другим материалам полностью реконструировать ход мыслей и расчетов Ньютона, сделав эту громадную работу Ньютона доступной и полезной для нашего времени. По словам А.Н. Крылова:

“Если развить ньютонову теорию теми элементарными методами анализа, которыми Ньютон обладал, и сравнить ее с современными теориями, то сразу можно будет заметить, сколь простое и естественное получается изложение, и сколь мало к нему, по существу, за 240 лет прибавлено”.

В основе теории астрономической рефракции Ньютона положена следующая теорема, сообщаемая им Флэмстиду в письме без доказательства:

“Пусть (рис. 22) ADK представляет земной шар; предположим, что этот шар покрыт атмосферою, плотность которой убывает равномерно от поверхности Земли до верхней границы атмосферы, представляемой здесь кругом MON. Пусть луч SO падает на границу в точке О и при прохождении через атмосферу до наблюдателя А, непрерывно преломляясь, изгибается в кривую ОВА.

От произвольной точки В этой кривой проводится прямая ВС к центру Земли, пересекающая поверхность Земли в точке D. Берем между СВ и CD среднюю пропорциональную CF, и пусть AFG есть геометрическое место точек F, т.е. та кривая, на которой постоянно находится точка F; если эта кривая AFG пересекает прямую ОС в точке G, то полная рефракция луча, проходящего от О до А, пропорциональна площади AFGC, рефракция же при прохождении частей ОВ или ВА сказанной кривой пропорциональна площадям GFCG и FACF”.
 

Рис. 22. Схема к теореме Ньютона относительно астрономической рефракции.  Из письма к Флэмстиду.

А.Н. Крылов замечает по поводу этой теоремы, что кривая ОBА не известна, и длины ВС и CD, между которыми надо брать среднюю пропорциональную CF, также не известны. Ньютон же никаких указаний о построении кривой ОВА не дает, и так как Флэмстид не настолько владел “прямым и обратным методом флюксий” (т.е. дифференциальным и интегральным исчислением), чтобы самому уравнение этой кривой вывести, то едва ли из теоремы Ньютона он уяснил себе способ составления таблицы рефракций. К сожалению, таких положений и теорем без доказательств очень много в книгах и лекциях Ньютона, а потому чтение его произведений волей-неволей иногда превращается в исследовательскую работу.

Разбирая в “Началах” вопрос о кометных хвостах, Ньютон приводит мнение Кеплера о том, что хвосты отклоняются от Солнца под действием солнечного света, и делает следующее осторожное замечание о световом давлении:

“Что нежнейшие испарения в свободных пространствах уступают действию лучей, не противоречит здравому смыслу, несмотря на то, что в наших областях грубые вещества не воспринимают заметных движений от действия лучей Солнца”.

---

Изобретательская деятельность Ньютона в области оптических приборов не ограничилась отражающими телескопом и микроскопом.

В 1700 г. Ньютон передал астроному Галлею подробно разработанный проект отражательного прибора для быстрого измерения на море видимых расстояний Луны от неподвижных звезд. Идея прибора следующая.

Зрительная труба устанавливается на некоторую звезду. Половина отверстия объектива трубы закрыта зеркалом, поставленным под углом в 45° к объективу. Изображение края лунного диска ловится на другое зеркало, находящееся над первым. Это второе зеркало соединено с длинной стрелкой и может вращаться; угол поворота стрелки отсчитывается по разделенному квадранту. Зеркало вращается до тех пор, пока изображение края Луны не попадет на первое зеркало перед объективом и не будет замечено глазом.

Глаз увидит сразу звезду и край Луны, которые дальнейшим вращением зеркала можно привести в соприкосновение. По углу поворота зеркала можно достаточно быстро и точно определить угловое расстояние Луны и данной звезды. В этом приборе легко узнать морской секстант, имеющий широкое распространение во флоте до сих пор. Описание прибора почему-то не было опубликовано и увидало свет только в 1742 г., после смерти Ньютона. Независимо от Ньютона в 1731 г. прибор был конструирован Гадлеем.

Ньютон часто и охотно как в “Оптике”, так и в частных письмах разбирал вопросы физиологической оптики, о связи раздражений и возбуждения, о нервах как проводниках колебательных движений, вызываемых светом, о зрении двумя глазами, об анатомии глаза. Сохранился большой чертеж разреза овечьего глаза, сделанный Ньютоном с точными указаниями натуральных размеров. При изучении этого биологического объекта Ньютон не отступил от своей привычки к точным измерениям. В письме к философу Локку в 1691 г. Ньютон живо описывает опасный опыт с “последовательными образами”, сделанный им над собственными глазами.

“Было это так, - пишет он, - я очень недолго глядел правым глазом на Солнце в зеркале, а затем направил глаза в темный угол, моргая при этом, чтобы наблюдать, получаются ли образ и цветные круги, его окружающие... Это я повторил второй и третий раз. В третий раз, когда этот призрак света и окружающих цветов готов был совсем исчезнуть, я напряг свое воображение, чтобы рассмотреть их напоследок, и тогда увидел к изумлению, что образы начали возвращаться и понемногу стали столь же живыми и яркими, какими они были непосредственно после того, как я глядел на Солнце...

Еще более странным оказалось то, что хотя я глядел на Солнце только правым глазом, а не левым, однако мое воображение начинало создавать этот образ в моем левом глазу так же, как и в правом... В течение немногих часов я довел мои глаза до того, что я уже не мог глядеть ни на какой яркий предмет ни тем, ни другим глазом без того, чтобы Солнце не появлялось передо мной, так что я уже не решался ни читать, ни писать. А поэтому для восстановления своего зрения я заперся на три дня в затемненной комнате, использовав все средства, чтобы отвлечь свое воображение от Солнца...

Воздерживаясь еще в течение нескольких дней от смотрения на яркие предметы, я восстановил довольно хорошо свои глаза, хотя и не вполне, так как еще в течение нескольких месяцев образ Солнца начинал возвращаться, как только я начинал размышлять об этом явлении, хотя бы я находился у себя в кровати в полночь с задернутыми шторами”.

Некий д-р Маддок обратился к Ньютону с вопросом о том, не могут ли существовать лучи, не действующие на глаз, и сообщал свои фантазии о таких “темных лучах”. Вопрос, конечно, наводил на эксперимент, но в эти годы Ньютон уже перестал экспериментировать, и он ответил, что до тех пор, пока не будут выяснены законы преломления этих лучей, существование их сомнительно. Таким образом, к сожалению, открытие инфракрасных и ультрафиолетовых лучей отодвигалось больше чем на столетие.

В письме к Флэмстиду из Лондона 10 августа 1691 г. Ньютон, между прочим, обращается к нему со следующей просьбой: “Я был бы очень рад узнать от Вас (при наблюдении затмения спутников Юпитера в длинный телескоп), какова окраска спутника непосредственно в момент исчезновения, красная или синяя, становится ли она более яркой или более бледной, чем раньше?” Ясно, что Ньютон хотел узнать, одинакова ли скорость распространения света для различных цветов в межпланетном пространстве. Вследствие большого расстояния Юпитера от Земли даже очень малая разность в скоростях света для разных частей спектра вызвала бы резкое изменение окраски спутника в момент затмения. Вопрос о такой возможной дисперсии света в пространстве был поставлен вновь в XIX в. и получил снова отрицательный ответ.

Напряженная работа Ньютона по вопросам оптики продолжалась приблизительно 16 лет (1664-1680). Позднее к оптике Ньютон возвращается только эпизодически и случайно.

За 16 лет было совершено огромное дело. Физическая оптика до Ньютона оставалась хаотическим нагромождением разрозненных наблюдений, без всякой мало-мальски правдоподобной системы, не говоря уже о теории. Из рук Ньютона учение о свете вышло с громадным новым количественным и качественным содержанием. Ньютонова теория света и цветов с достоверностью объединяла и объясняла многое, намеренно оставляя, однако, неразрешенным вопрос о природе света. Теория Ньютона сохранила свое значение (притом не только “историческое”, а самое обычное) до наших дней. Этим она обязана безукоризненному методу Ньютона, соединяющему количественный опыт и логику с минимальным произволом гипотетических предположений.

Впрочем в своих оптических сочинениях Ньютон одновременно показал себя блестящим мастером гипотез, несомненно превосходившим и в этом искусстве большинство своих современников. Но гипотетические построения Ньютона в большинстве случаев не выдержали испытания времени и в лучшем случае сохранили значение гениальных догадок.

Опыт как необходимый и основной метод изучения природы, конечно, применялся в физике и других науках с незапамятных времен, но почти всегда это был опыт пассивного наблюдения, в лучшем случае сопровождавшегося количественными измерениями. Ньютон сумел превратить экспериментальный метод в активный: посредством него можно было ставить природе вопросы и получать на них ответы. “Оптика” Ньютона сделалась для последующих поколений школой эксперимента не только в области световых явлений, но во всех разделах естествознания.

Однако действительная судьба оптических работ Ньютона за 270 лет, прошедших со времени их опубликования, была переменчива. На ряду с продолжателями и учениками время от времени находились люди, подвергавшие сомнению правильность опытов Ньютона.

Иезуит Кастель мог, например, в 1743 г. писать: “Нужно думать, что Ньютон никогда не рассматривал предметы через призму, а видел их только на бумаге, весьма удаленной от призмы, после пересечения лучей”.

Гёте в своем объемистом “Учении о цветах” в 1808 г. давал следующую характеристику работ Ньютона в области света: “Мы застаем это восьмое чудо света оставленной руиной, которая грозит обрушиться, и начинаем сносить шпили и крыши, чтобы Солнце, наконец, заглянуло в это старое гнездо сов и мышей и осветило пораженному страннику бессвязный лабиринт, тесноту, случайное нагромождение, намеренную искусственность и жалкую штопку”. Этот наскок великого поэта кончился, однако, полным поражением Гёте. Старый замок оптики Ньютона грозен и сегодня со всеми его архаизмами, ибо построен он на самом прочном фундаменте на свете - на рациональном опыте.

Очень часто Ньютона считают автором и главным защитником эмиссионной, корпускулярной теории света. Мы видели, что это не верно. Ньютон полагал неприемлемой чисто волновую теорию света и теорию Декарта, выставляя ряд фактов, которые волновая теория объяснить была не в состоянии. Компромиссная теория, связывающая некоторые преимущества волновой и эмиссионной теории выдвигалась Ньютоном без всякой настойчивости. Она была нужна не столько Ньютону, сколько “любителям гипотез”. Ньютон не разрабатывал ее и не считал это нужным.

Короче говоря, у Ньютона не было определенной гипотезы о природе света, потому что ни одну гипотезу он не считал необходимо и однозначно вытекающей из опыта. Между тем именно фиктивная эмиссионная теория света Ньютона служила главной мишенью нападения для физиков XVIII в. На этом поприще подвизались Эйлер, Ломоносов и многие другие. Критика была легка, и этот “воздушный замок” сдавался без сопротивления. С другой стороны, у корпускулярной гипотезы были свои бесспорные методические преимущества, особенно понятные в наше время, когда эта гипотеза, хотя и в неявной форме, применяется и дает результаты, опережающие опыт, а в этом прежде всего польза всякой гипотезы.

---

На ряду с телескопом другой научной новостью, интересовавшей многих в XVII в., был воздушный насос, недавно построенный магдебургским бургомистром Отто фон Герике. Насос делал доступным изучению газообразное состояние вещества, казавшееся таинственным по своей неощутимости и бесформенности. Особенно много опытами с насосом занимался Бойль с Гуком в качестве ассистента. В кругах Королевского Общества эти опыты служили постоянным предметом демонстраций и обсуждений. В переписке Ньютона с Бойлем опыты с воздушным насосом - основная тема.

Несомненно, что на почве “пневматических опытов” возникли и созрели мысли Ньютона об эфире, составляющие лейтмотив его научных высказываний в семидесятые годы. Представление об эфире возникло как естественная экстраполяция опытов с воздушным насосом. Основная тема длинного “гипотетического” мемуара Ньютона, написанного в 1675 г., о котором говорилось в шестой и седьмой главах, был, конечно, эфир. Что понимал Ньютон под этим словом? Он отвечает на этот вопрос достаточно ясно такими словами:

“В гипотезе необходимо допустить существование эфирной среды, весьма сходной по строению с воздухом, но гораздо более редкой, более тонкой и более упругой. Немаловажным доводом в пользу существования этой среды служит движение маятника в стеклянном сосуде, лишенном воздуха, затухающее почти так же быстро, как и на открытом воздухе”.

Таким образом, эфир, по Ньютону, это - газ очень малой плотности. Далее он приводит доводы в пользу того, что эфир состоит из различных “эфирных духов”, наподобие воздуха, составленного из инертной массы воздуха, смешанной с разными “парами и испарениями”. Ближе понятие эфира у Ньютона не уточняется. Этот эфир Ньютона очень похож на эфир по представлениям Д.И. Менделеева. Менделеев даже указывал место для эфира в периодической системе химических элементов и называл его “ньютонием”.

Такой эфир, по предположению Ньютона в семидесятые годы, мог служить началом всех вещей.

“Возможно, - писал он, - что все сооружение природы не что иное, как различные сочетания некоторых определенных эфирных духов или паров, как бы сгущенных осаждением, весьма сходно с тем, как пары сгущаются в воду”.

Эфир, по Ньютону, может объяснить динамику явлений, в частности падения тел:

“Огромное тело Земли, - пишет он, - в котором повсюду, во всех его частях, может быть, до самой середины, происходит вечная работа, может непрерывно сгущать столь большое количество этого духа, что для пополнения запасов вызывает его опускание сверху с огромной быстротой; при таком опускании эфир может уносить вместе с собой и тела, пронизанные им, с силой, пропорциональной поверхности всех частиц, на которые он действует... Возможно, что и Солнце, подобно Земле, обильно впитывает этот дух для поддержания сияния своего и для удержания планет от дальнейшего удаления от него”.

Далее, Ньютон, как если бы он был представителем чисто волновых воззрений на природу света, предполагает, что “эфир, подобно воздуху, способен к (колебаниям, но гораздо более быстрым и мелким”. По мнению Ньютона, колебания в эфире следуют друг за другом на расстоянии менее одной стотысячной дюйма (т.е. 2,5х10^-5 см). Эта величина, очевидно, взята из опытов с интерференционными кольцами и соответствует половине длины волны. Рассуждая по аналогии со звуком, Ньютон полагает, что эфирные колебания отличаются по величине, но не по скорости. Ранее уже говорилось, каким образом представления об эфире применены Ньютоном для объяснения явлений отражения и преломления света, интерференционных колец и диффракции. Эфирными потоками объясняются также, по Ньютону, явления электростатических притяжений и отталкивания, процессы растворения, сжимание и растягивание мускулов и пр.

Эта концепция не была мимолетным эпизодом. Через четыре года, в 1679 г., Ньютон в обширном письме к Бойлю вновь развивает ее с некоторыми вариациями, но сохраняя основное. Снова предполагается, что повсюду рассеяна некоторая эфирная субстанция, способная к сжатию и расширению, необычайно упругая, “одним словом, во всех отношениях похожая на воздух, но много тоньше его”.

“Я предполагаю, - сообщает далее Ньютон Бойлю, - что этот эфир проникает во все большие тела, но он реже в порах этих тел, чем в свободном пространстве, и тем реже, чем эти поры меньше. В этом причина - предполагаю я вместе с другими [23] - преломления света при падении на такие тела к перпендикуляру, сцепления двух хорошо полированных металлов в приемнике, из коего выкачен воздух, стояния ртути вплоть до вершины стеклянной трубки, выше чем на 30 дюймов [24] и прилипания частей всех тел. В этом же причина фильтрации, подъема воды в узких стеклянных трубках над уровнем воды в окружающем сосуде. Ибо, полагаю я, эфир может быть реже не только в ничтожных порах тел, но даже и в очень заметных каналах этих трубок”.

Далее следует длинный перечень физико-химических и чисто химических явлений, объясняемых при помощи эфира. Письмо кончается строками, посвященными тяготению.

“Я прибавлю еще одну догадку, - пишет Ньютон, - которая пришла мне в голову при писании письма. Дело идет о причине тяжести. Для сего я предполагаю эфир состоящим из частей, непрерывно отличающихся одна от другой по тонкости. В порах тел меньше грубого эфира, чем тонкого, по сравнению с открытым пространством. Следовательно, в большом теле Земли значительно меньше грубого эфира, чем тонкого, по сравнению с воздушными областями. Грубый эфир воздуха действует на верхние области Земли, а тонкий эфир 3емли на нижние области воздуха таким образом, что от верхних слоев воздуха к Земле и от поверхности Земли: к её центру эфир становится  все тоньше и тоньше.

Вообразите теперь какое-нибудь тело висящим в воздухе или лежащим на Земле. Поскольку, по гипотезе, эфир грубее ее в порах тела наверху, чем в нижних частях, и грубый эфир менее способен находиться в своих порах, чем тонкий в своих, то он будет выходить и давать путь тонкому эфиру снизу, что не может происходить, если только тело не будет опускаться, освобождая место для выхода грубого эфира”.

Сравнивая вариант объяснения тяготения в мемуаре и в письме к Бойлю, можно заметить существенные отличия.

Ньютонов эфир семидесятых годов, заполняющий вселенную и вызывающий движениями своими, а также разностью плотностей и давлений все основные явления природы, близок декартову заполненному пространству, а иерархия “тонкостей” эфира сродни иерархии декартовских частиц; у Ньютона отсутствуют только декартовы вихри. Впоследствии, как видно из “вопросов” “Оптики”, а также из “Начал”, Ньютон решительно отказался от такого эфира, заполняющего пространство, оставив ему место только внутри тел и снаружи, вблизи поверхности.

Эпоха увлечения Ньютона гипотезой эфира с полным основанием может быть названа переходной. От оптических вопросов, которые были причиной возникновения этой гипотезы, Ньютон незаметно переходит к проблемам астрономии и механики, в значительной мере вовлекаемый в них оптической концепцией эфира. К началу восьмидесятых годов Ньютон занят почти полностью этим новым кругом вопросов.

Жизнь Ньютона в переходные годы также заметно изменилась. В 1675 г. кончался срок членства Ньютона в Тринити колледже; по уставу он должен был принять духовный сан или покинуть колледж. Это обстоятельство, повидимому, сильно его волновало и делало неопределенным будущее. Возможно, что по инициативе Барроу, который был в то время мастером колледжа, а, может быть, и самим Ньютоном было подано ходатайство королю о разрешении остаться членом колледжа до тех пор, пока за ним будет люкасовская кафедра. 2 марта 1675 г. из Уайтхолла последовало согласие, и с Ньютона была снята тяжелая забота. Для своего времени это королевское разрешение было знаком большого, необычайного внимания.

В 1677 г. Ньютон потерял своего учителя и друга И. Барроу, а в следующем 1678 г. умер секретарь Королевского Общества Ольденбург, переписка которого с Ньютоном служила главным каналом, посредством которого открытия Ньютона делались публичным достоянием.

Ольденбург (1626-1678), родом из Бремена, учился в Оксфорде, был некоторое время саксонским консулом. Со времени официального утверждения Королевского Общества (1662) стал его секретарем и вместе с Гуком очень много сделал для укрепления Общества, упорядочения его работы и издательской деятельности. Ольденбург вел огромную переписку, много способствовавшую развитию науки в Англии и других странах Европы; ему приходилось выступать в защиту Общества и свободной науки против недоброжелателей и мракобесов. В предисловии к V тому Philosophical Transactions,, упрекая таких охотников останавливать колесо культурной истории, он ссылается на развитие науки во всех частях света. Русскому читателю поучительно прочитать у Ольденбурга такие строки о нашей родине в XVII в.: “Даже замерзающие московиты и русские восприняли это действенное брожение, и у них находят всяческое одобрение все истинные любители знания и добродетели” [25].

Смерть Ольденбурга грозила еще больше изолировать работу Ньютона от внешнего мира. На место Ольденбурга Общество избрало Грью и Гука, и переписка с Обществом должна была теперь вестись через Гука, мало приятного Ньютону.

Второй постоянный корреспондент Ньютона, Коллинс, имя которого уже упоминалось нами раньше, в 1676 г. тяжело заболел и прекратил переписку. Он умер в 1683 г. Научная замкнутость Ньютона возросла таким образом еще больше.

Рис. 25. Бюст Ньютона из слоновой кости работы Ле Маршан, сделанный с натуры.
Из собрания Британского Музея.

Даже долголетний сожитель Ньютона по комнате в Тринити колледже некий Джон Уикинс в 1684 г. переселился в другое место. Возможно, что Уикинс нравился Ньютону молчаливостью и “невмешательством” в его дела. Когда впоследствии Кондуитт обратился к сыну Уикинса за воспоминаниями его отца о Ньютоне, то получил очень скудные сведения:

“Я слышал от отца, - пишет сын, - что он часто был свидетелем, как сэр Исаак, погруженный в свои занятия, забывал о пище или подымался, удовлетворенный тем, что нашел какое-нибудь предложение; при этом у него не было никакого желания ложиться спать, как будто бы он потерял потребность в этом. Он поседел, думаю я, когда ему было около тридцати лет, и когда мой отец заметил ему, что это результаты глубокого умственного труда, то он шутливо ответил, что седая окраска появилась от частых опытов со ртутью”.

Однако на смену старым связям в 1680 г. у Ньютона завязались знакомство и дружба совсем другого характера с молодым аристократом Чарльзом Монтэгю, принятым в Тринити колледж. Эта дружба продолжалась до смерти Монтэгю и имела очень большое значение в дальнейшей жизни Ньютона, особенно в более поздние годы, определив его переселение в Лондон и службу на Монетном дворе.

Свою угрозу “порвать с философией”, высказанную Ольденбургу в рассматриваемые переходные годы, Ньютон в значительной мере привел в исполнение. Он ничего не печатал, а в научной переписке письмо к Бойлю об эфире является почти единственным, да и то в основном повторяющим мемуар 1675 г. Ньютон продолжал учебную деятельность по кафедре. Сохранились его лекции по алгебре и арифметике, читанные в течение десяти лет (1673-1683). Довольно часто ездил он в Вульсторп и, вероятно, очень много времени проводил в химической лаборатории.

О прочем сведений нет.