Научная революция XVII века - Владимир Кирсанов

Когда Ньютон проделал эти эксперименты, он заинтересовался усовершенствованием телескопа-рефрактора. Недостатки, замеченные в этом инструменте, всегда приписывались сферической аберрации, и поэтому делались попытки изменить сферическую форму линз, чтобы получить более ясное изображение. Ньютон же убедился в том, что, кроме сферической аберрации, существует другой источник искажений, а именно хроматическая аберрация. «Смешанное изображение объектов, рассматриваемых сквозь преломляющие тела в гетерогенном свете, возникает из-за различной преломляемости различных видов лучей» [9, с. 59]. Может ли быть этот недостаток устранен? Вероятно, да, если различные вещества обладают различными преломляющими способностями.

И Ньютон ставит опыт. В призматический сосуд, наполненный водой (вероятно, в воду был добавлен также свинцовый сахар), он поместил стеклянную призму и наблюдал прохождение лучей через такую систему. Из этих опытов он вывел, что преломление всегда сопровождается дисперсией. Ахроматические линзы казались ему несбыточной мечтой. Случилось так, что здесь Ньютон не проявил своей обычной тщательности. Он использовал воду и стекло одинаковой дисперсионной способности. Если бы он использовал другую жидкость, а не воду с добавлением сахара, результат опытов был бы иной. Из весьма ограниченных экспериментов он сделал всеобъемлющий вывод, которого он затем придерживался с удивительной настойчивостью. Однако позднейшие опыты доказали его неправильность. Ньютон не стал внимательно изучать критические замечания, сделанные иезуитом Лукой из Льежа. Повторив ньютоновский эксперимент с призмой, тот нашел, что длина спектра не в пять раз больше его ширины, а всего в три с половиной раза. Как могло получиться, что два тщательных эксперимента могли столь сильно различаться? Этот факт не подвергся должному рассмотрению. Без сомнения, Ньютон полагал, что его опыт неоднократно повторялся и поэтому он не мог ошибиться. Хотя он и интересовался химией, ему все-таки не пришло в голову, что род стекла, из которого сделана призма, мог играть существенную роль в эксперименте. Таким образом, благодаря странным превратностям судьбы он проглядел важное открытие различия дисперсионной способности и, следовательно, возможность создания ахроматических линз.

Хотя Ньютон потерпел неудачу с телескопом-рефрактором, он добился поразительных результатов с телескопом-рефлектором, преимуществом которого является отсутствие хроматической аберрации. В то время отражательный телескоп был предметом значительного внимания. Николо Зуччи (1586—1670) рассматривается как первый конструктор такого телескопа, Марен Мерсенн во Франции предложил вариант рефлектора, как и шотландский математик и астроном Джеймс Грегори (1638—1675). Но они не сумели воплотить свои идеи на практике. Ньютон придумал свою собственную конструкцию и первым построил отражательный телескоп. Это было в 1668 г. Телескоп имел 6 дюймов в длину и 1 дюйм в диаметре, а его увеличение было от 30 до 40 раз. Позднее он изготовил больший инструмент, который преподнес Королевскому обществу в 1672 г. На нем надпись: «Изобретен сэром Исааком Ньютоном и изготовлен его собственными руками в 1671 г.» Телескоп был показан королю и изучен Робертом Гуком, Кристофером Реном и др. Он получил восторженные отзывы, и описание телескопа послали в Париж Гюйгенсу.

Открытия Ньютона были благосклонно приняты Королевским обществом, но как только они были опубликованы в «Philosophical Transactions», они вызвали нападки со стороны Линуса, Лукаса, Пардиса, Гука и Гюйгенса. Ньютон выл столь болезненно чувствителен к критике, что писал Лейбницу 9 декабря 1675 г.: «Я был настолько подавлен спорами, возникшими в результате публикации моей теории света, что проклинал себя за то, что в погоне за призраками имел глупость расстаться с благословенным покоем, столь существенным для меня».

Гук выдвинул волновую теорию света против ньютоновской корпускулярной теории. Ньютон ответил Гуку небольшим трактатом, в котором сопоставляется волновая теория света с теорией истечения световых частиц. В полемике с Гуком Ньютон набросал некоторые черты компромиссной теории, соединяющей волновые и корпускулярные представления. Прежде всего он указывает, что теория световых корпускул ни в коем случае не должна однозначно соединяться с найденным им законом распространения, преломления и отражения света. Однако даже эта теория, судьба которой вовсе не связана с судьбой однозначных и достоверных оптических законов, отнюдь не исключает волновых представлений. Колебания эфира, говорит Ньютон, необходимы для объяснения оптических явлений даже при допущении световых корпускул. Корпускулы света, попадая на преломляющие или отражающие поверхности, вызывают колебания эфира, как камень, брошенный в воду, вызывает волны на ее поверхности. Волны эфира могут иметь различные длины, и тогда они позволяют объяснить целый ряд оптических явлений.

Ответ Гуку, так же как и другие рукописи Ньютона, появившиеся между 1672 и 1676 гг., показывают, что он тщательно взвешивал аргументы за и против каждой гипотезы. Можно легко себе представить, что, когда Ньютон неуверенно отклонил волновую теорию, он меньше всего полагал, что его мнение окажет такое сильное влияние и впоследствии почти целое столетие волновая теория будет отвергаться. Когда Ньютон экспериментировал с цветами тонких пленок, он ясно видел, как эти явления могут быть объяснены с помощью волновой теории. «Так как колебаний, которые производят голубой и фиолетовый, предполагаются более короткими, чем те, которые производят красный и желтый, они должны отражаться от пластинки меньшей толщины; этого достаточно, чтобы объяснить все обычные явления для этих пластинок или пузырей, а также для всех естественных тел, чьи части подобны многочисленным фрагментам таких пластинок. Это, по-видимому, есть наиболее простые, истинные и необходимые условия этой гипотезы; и они согласуются вполне с моей теорией, настолько, что если критик сочтет необходимым их применить, ему не нужно будет для этого случая опасаться отказа от нее (гипотезы), но как он будет защищать ее от других трудностей — этого я не знаю» [8, с. 145].

Для Ньютона непреодолимым барьером для принятия волновой теории была ее неспособность объяснить прямолинейное распространение света. Он говорит: «Для меня кажется невозможным само по себе фундаментальное предположение, а именно, что волны или колебания какой-либо жидкости могут, как лучи света, распространяться по прямой линии без постоянного и весьма странного распространения и изгибания во всяком направлении до неподвижной среды, где они ею обрываются. Я бы ошибался, если бы и эксперимент, и демонстрация не говорили бы о противном» [8, с. 146]. Если бы свет состоял из колебаний, то он, как и звук, «изгибался бы в сторону тени».

С другой стороны, эмиссионная теория предлагала простое объяснение. Светящееся тело излучает потоки мельчайших частиц, которые вызывают изображение, ударяясь о ретину. Преломление объяснялось предположением, что летящие частицы начинают притягиваться к поверхности раздела, когда они близко к ней подходят, так что компонента скорости, нормальная к поверхности, увеличивается. Когда частица проходит из более плотной среды в менее плотную, эта компонента уменьшается, в то время как горизонтальная компонента остается неизменной в обоих случаях. Таким образом объясняется изгибание лучей. В результате скорость получается большей в более плотной среде.

Тот факт, что в прозрачных средах существует и отражение и преломление, с точки зрения эмиссионной теории было очень трудно объяснить. Как может поверхность в одно время отражать, а в другое — преломлять ударяющуюся о нее частицу? Чтобы объяснить это, Ньютон выдвинул свою теорию «приступов» легкого отражения и легкого прохождения, сообщаемого частицами всепроникающим эфиром. Прохождение летящих частиц приводит эфир вблизи поверхности раздела в возбуждение, которое выражается в попеременном сжатии и разрежении эфира. Летящие частицы, достигающие поверхности в момент сжатия, отбрасываются назад, а если частицы достигают границы в момент разрежения, сопротивление их движению уменьшается и они проходят сквозь нее. Так Ньютон объяснял, каким образом поверхность стекла или воды частично отражает и частично преломляет лучи света, состоящие из летящих частиц. Заметим, что эмиссионная теория Ньютона предполагает наличие не только летящих частиц, представляющих свет, но также и эфира, т. е. той самой среды, которая использовалась и для построения волновой теории.

Ньютон дал также объяснение радуги, правильное представление о котором было дано ранее архиепископом Антонием де Домини в книге, опубликованной в 1611 г., а также Декартом и Гюйгенсом.

Ньютон производил также эксперименты с дифракцией (изгибанием) света. Открытие этого явления было сделано Франческо Мария Гримальди (1618—1663), профессором математики иезуитского колледжа в Болонье. Оно было описано в его книге «Физико-математика света», вышедшей в 1666 г. Гримальди проводил опыты с лучом света, проходящим сквозь малое отверстие в темной комнате. Тень от стержня, помещенного в световом конусе, падала на белую поверхность. К своему удивлению, он обнаружил, что тень шире, чем ее расчетные размеры. Более того, она окаймлялась одной, двумя, а иногда несколькими цветными полосами. Заменив стержень непрозрачной пластинкой с маленьким отверстием в ней, он обнаружил, что освещенный круг оказался больше, чем он должен был бы быть по предположению, что лучи распространяются прямолинейно. Эти и другие эксперименты доказали, что свет слегка загибается за край отверстия. Гримальди назвал новое явление «дифракцией».