Оптические исследования

Оптические исследования

Студенческое увлечение Ньютона оптикой перешло в настоящую страсть. Как мы уже писали, еще во время вынужденного, но чрезвычайно плодотворного пребывания в Вулсторпе, он работал над усовершенствованием телескопа.

В рассказе о Галилее мы довольно подробно описали сконструированный им телескоп-рефрактор, действие которого основано на комбинации линз. Открытия, сделанные с помощью телескопа Галилея, привели к тому, что этот прибор стал очень популярен и многие ученые XVII века взялись за его усовершенствование. Однако в мощности линзовых телескопов тех времен был серьезный ограничивающий фактор — так называемая сферическая аберрация — искажение изображения, связанное с тем, что лучи от точечного источника света, находящегося на оптической оси, не собираются в одну точку с лучами, которые проходят не через эту ось, а пересекаются по некоей поверхности. Одним из способов уменьшить сферическую аберрацию было увеличение длины телескопа. Во Франции даже планировалось строительство телескопа длиной более чем 30 метров.

В 1664 году Ньютон тоже заразился крайне распространенной идеей усовершенствования телескопа. Первая его попытка была направлена на создание несферических линз, которые не давали бы описанной выше аберрации. Сейчас существуют сложнейшие технологии изготовления несферических линз. Но в XVII веке эта задача была практически неразрешимой. Тем не менее, Ньютон справился с ней и получил какие-то линзы. Но их качество, по всей видимости, не допускало возможности практического использования. На трудоемкий процесс создания этих линз Ньютон потратил не менее года. В процессе этой работы он также обнаружил, что искажение дает не только и не столько сферическая аберрация, сколько радужное окаймление, появляющееся вокруг изображения точки — так называемая хроматическая аберрация. От типа линзы появление этого окаймления не зависит. Оставалось два пути: устранить хроматическую аберрацию или воспользоваться другим способом получения изображений далеко находящихся предметов. Ньютон пытался двигаться в обоих направлениях, и преуспел во втором.

Уже в 1668 году он создал первый зеркальный телескоп. Идея такого прибора не была новой. Так, есть сведения, что еще в 1626 году телескоп, в основе которого находилось сферическое зеркало, был построен неким Чезаре Караваджи. Однако степень достоверности этой информации проверить невозможно. Занимался созданием такого инструмента и ученик Галилея Бонавентура Кавальери. Кстати, он больше известен своими математическими изысканиями в области бесконечно малых, то есть был одним из предшественников Ньютона в открытии дифференциального и интегрального исчислений.

Кавальери, однако, не смог создать зеркальный телескоп, выигрывающий в качестве у уже существующих оптических. Наконец в 1663 году проект телескопа-рефлектора был создан шотландским математиком и астрономом Грегори. Уже в процессе создания своего телескопа Ньютон обнаружил этот проект Грегори и впоследствии не претендовал на приоритет идеи, оставаясь, тем не менее, создателем первого функционирующего рефлектора.

 Схема рефлектора Ньютона

Созданный Ньютоном в 1668 году зеркальный телескоп имел длину всего 15 сантиметров. При этом он был не менее мощным, чем существовавшие в те времена оптические телескопы. Однако добиться хорошей четкости изображения ученый не смог — помешали плохая полировка и несовершенство материалов. Однако модель 1671 года уже была лишена этих недостатков. Этот экземпляр телескопа сохранился и находится в коллекции Лондонского Королевского общества.

Возможно, предшественникам Ньютона, пытавшимся создать хорошо функционирующий рефлектор, не хватило терпения, настойчивости и мастерства — тех качеств, которыми обладал наш герой. Особенно это касается тщательности полировки отражателя. Здесь Ньютон применил новые, разработанные им самим методы и достиг больших успехов, чем лучшие профессионалы-ремесленники того времени. Вот как он описывал некоторые моменты работы над телескопом:

«Сначала я расплавил одну медь, затем положил туда мышьяк и, сплавив несколько, размешал все вместе, остерегаясь вдыхать ядовитый дым. Затем добавил олова и снова, после очень быстрого расплавления его, все перемешал. После этого сразу все вылил».

«Полировка, которой я пользовался, была такого рода. Я имел две круглых медных пластинки, шесть дюймов в диаметре каждая, одну выпуклую, другую вогнутую, точно притертые одна к другой. К выпуклой пластинке я притирал металл объектива, или вогнутое зеркало, которое нужно было полировать до тех пор, пока оно принимало форму выпуклой пластинки и было готово к полировке. Затем я покрывал выпуклый металл очень тонким слоем смолы, капая расплавленной смолой на металл и нагревая его; чтобы сохранить смолу мягкой, в это время я притирал ее вогнутой медной пластинкой, смоченной для того, чтобы распределить смолу поровну по всей поверхности… Затем я брал очень тонкую золу, отмытую от больших частиц, и, положив немного ее на смолу, притирал к смоле вогнутой медью до тех пор, пока не прекращался шорох; после этого я притирал быстрым движением металл объектива к смоле в течение двух или трех минут, сильно на него нажимая. Далее я насыпал на смолу свежей золы, притирал ее снова до исчезновения шума и после этого, как и прежде, притирал объективный металл. Эту работу я повторял до тех пор, пока металл не отполировался, притирая его напоследок со всей моей силой в течение изрядного времени и часто дыша на смолу для того, чтобы держать ее сырой, не подсыпая свежей золы».

За такую сложную и трудоемкую работу Ньютон был вознагражден сполна. Его новый телескоп давал четкое и ясное изображение. Осенью 1671 года ученый отправил свой телескоп Карлу II. За несколько лет до этого, в 1662 году, организованный знаменитым Бойлем «Невидимый колледж» — неофициальный кружок естествоиспытателей — превратился в Лондонское Королевское общество. К началу семидесятых годов в Общество входили практически все крупные ученые Англии. Среди них были Барроу, Бойль, Грегори, Гевелиус, Гук, Гюйгенс, Локк, Уоллис. Прибор, присланный в Лондон, был рассмотрен не только королем, но и членами Королевского общества. Телескоп произвел на ученых большое впечатление, и уже 11 января 1672 года его автор был принят в Общество. Для молодого ученого это было большой честью.

Телескоп, сконструированный Ньютоном, очень быстро завоевал популярность среди ученых всего мира. Ньютон и его коллеги продолжали работать над усовершенствованием этого прибора. До сих пор телескопы-рефлекторы состоят на службе у астрономии и более чем эффективно выполняют свои задачи.

Интересно, что созданием зеркального телескопа Ньютон не ограничился. Сходный принцип он предлагал использовать и для создания микроскопов. Но первый такой микроскоп был построен только в XIX веке. Но к этому времени линзовые микроскопы уже были настолько совершенны, что отражательный им уступал. Однако в наше время отражательные микрообъективы используются в некоторых специфических целях.

Став членом Лондонского Королевского общества, Ньютон начал активно использовать его трибуну, выступая со все новыми и новыми сообщениями. Заявление о готовности сделать первое из них ученый сделал уже через неделю после принятия. Он писал секретарю Общества:

«Нельзя ли сообщить мне в Вашем ближайшем письме, сколько времени будут еще продолжаться еженедельные собрания Общества, ибо я рассчитываю представить Королевскому обществу на апробацию сообщение об одном физическом открытии, которое и привело меня к построению телескопа. Я не сомневаюсь, что этот доклад будет приятнее, чем сообщение о приборе; ибо, по моему суждению, дело идет о примечательнейшем, если не важнейшем открытии, которые когда-либо делались относительно действий природы».

Возможность выступить перед членами Общества была предоставлена Ньютону 6 февраля. В теме своего доклада «Новая теория света и цветов» ученый замахнулся на одну из фундаментальных проблем науки того времени. Здесь требуется небольшое отступление.

С момента начала оптических исследований у Ньютона накопилась масса практического материала, и он успел создать на его основе новую концепцию. Сказать, в какой именно период деятельности ученый сложил разрозненные наблюдения в целостные представления, трудно. Но скорее всего, процесс создания собственной теории света происходил во время все того же пребывания в деревне. В 1669 году с высоты Лукасовской кафедры Ньютон изложил своим слушателям уже готовую концепцию. Результат последовал практически незамедлительно. лекции нашего героя перестали посещать. Причин, скорее всего, было несколько. Во-первых, в отличие от Галилея, лекции которого пользовались огромной популярностью, Ньютон не был блестящим оратором. Во-вторых, уровень научных знаний и владение математическим аппаратом молодого профессора и его студентов были просто несравнимы. Скорее всего, объяснения Ньютона, его многочисленные и громоздкие геометрические расчеты были скучны, а то и непонятны большинству слушателей. В-третьих, на лекциях молодой ученый не имел возможности проводить те или иные демонстрации. Он был вынужден ограничиваться только описанием экспериментов и их пояснениями. А оптика, которую невозможно увидеть, не была привлекательна в глазах студентов. Впрочем, сведения о непопулярности лекций ученого не могут быть названы достоверными с полным основанием. И мы вернемся к фактам, не вызывающим сомнения.

Материалы своих лекций Ньютон изложил в рукописи «Лекции по оптике». Эта рукопись сохранилась только в архиве Тринити-колледжа и не была издана при жизни автора. Многие ее положения Ньютон использовал в своем трактате «Оптика», изданном в 1704 году. Но для историков науки «Лекции по оптике» являются ценным источником, который дает понять, когда сформировались те или иные взгляды ученого и как они эволюционировали.

Здесь следует вернуться на несколько лет назад и рассказать о том, как излагал основы оптики предшественник, учитель и друг Ньютона Барроу. Первый профессор кафедры, как мы помним, стал автором труда «Лекции по оптике и геометрии». В этой работе и в своих аудиторных лекциях Барроу особое внимание уделял геометрическому подходу к оптическим явлениям. Природу же света он рассматривал очень осторожно и не без налета иронии. Он писал: «Физики много спорят о природе света, одни считают свет некоторой телесной субстанцией, другие качеством или движением. Спорят о происхождении света, о том, проходит ли он через среду непрерывно или распространяется импульсами, умножая сам себя. Я не разбираю этих любопытных вопросов… Оба представления о свете встречаются с равными трудностями. Поэтому я склоняюсь к мнению, что свет может порождаться обоими родами движения, как телесным истечением, так и непрерывными импульсами. Может быть, лучше приписывать некоторые действия одному, а иные другому. Поскольку надо же сказать что-нибудь о природе света, я соглашаюсь с теми из коротко упомянутых гипотез, которые что-нибудь объясняют, принимая, что дело происходит так или схожим способом».

Кроме чисто прагматического подхода, позволяющего рассматривать изучаемые явления, не проникнув до конца в их суть, в этом отрывке можно при желании найти и гениальную догадку о двойственной природе света. Но цитату мы привели не для этого. Тут важно показать, что Барроу не придерживался тех или иных взглядов на природу света и просто излагал своим студентам уже существующие теории, некоторые из которых к тому времени уже устарели. И еще важно то, что к этим гипотезам Барроу относится очень скептически, не считая, что они могут претендовать на абсолютную научную истину. Такой подход перенял и его гениальный ученик.

В своей теории света Ньютон основывался на экспериментальных данных. В «Лекциях» ученый делал упор именно на рассмотрении природы света: «Однако я заметил, что геометры до сих пор ошибочно понимали свойства света, относящиеся к преломлениям; они молчаливо основывали свои доказательства на некоторой недостаточно хорошо установленной физической гипотезе. Поэтому небесполезным полагаю подвергнуть начала этой науки более строгому исследованию и добавить к тому, что излагал мой уважаемый предшественник с этого места, то, что открыто мной в оптике и установлено многочисленными опытами».

Курс лекций разбит на две части: «О преломлении лучей света» и «О происхождении цветов». И если в первой части рассматривается с некоторыми добавлениями уже привычная в то время геометрическая оптика, то вторая содержит новую теорию. Во второй части Ньютон сначала критически рассматривает существовавшие до него теории цветов, начиная с Аристотеля и заканчивая современниками. Дальше пишет о том, что его предшественники, изучая цвета, не пользовались математическими методами и настаивает на ошибочности такого подхода. Он указывает, что в оптике и исследовании природы цветов математические методы не менее важны, чем в других разделах физики. Впрочем, дальше Ньютон утверждает, что математический подход необходим для всех естественных наук: «Я надеюсь на этом примере показать, что значит математика в натуральной философии, и побудить геометров ближе подойти к исследованию природы, а жадных до естественной науки сначала выучиться геометрии, чтобы первые не тратили все свое время на рассуждения, бесполезные для жизни человеческой, а вторые, старательно выполнявшие до сих пор свою работу превратным способом, разобрались в своих надеждах, чтобы философствующие геометры и философы, применяющие геометрию, вместо домыслов и возможностей, восхваляемых всюду, укрепляли науку о природе высшими доказательствами».

В «Лекциях» Ньютон не отдает предпочтение ни одной теории света: ни корпускулярной, ни волновой. Вместо этого он демонстрирует новый, математический подход. По его мнению, для изучения света нужно на основе опытов сформулировать постулаты, подобные аксиомам геометрии. И уже из этих постулатов делать логические выводы, которые необходимо подтверждать новыми опытами. Выступая 6 февраля 1672 года в Королевском обществе, он всесторонне демонстрирует этот подход. Вот основные положения световой теории Ньютона, сопровожденные описанием конкретных опытов, которые привели к данному выводу:

«1) Световые лучи различаются в их способности показывать ту или иную особую окраску точно так же, как они различаются по степени преломляемости. Цвета не являются, как думают обыкновенно, видоизменениями света, претерпеваемыми им при преломлении или отражении от естественных тел, но суть первоначальные, прирожденные свойства света. Некоторые лучи способны производить красный цвет и никакого другого, другие желтый и никакого другого, третьи зеленый и никакого иного и так далее.

2) К одной и той же степени преломляемости всегда относится один и тот же цвет и обратно. Наименее преломляемые лучи способны порождать только красный цвет, и наоборот, все лучи, кажущиеся красными, обладают наименьшей преломляемостью. Наиболее преломляемые лучи кажутся глубоко фиолетовыми и, наоборот, глубокие фиолетовые лучи преломляются более всего, и соответственно промежуточные лучи имеют средние степени преломляемости. Эта связь цветов и преломляемости столь точна и строга, что лучи либо вполне точно согласуются в отношении того и другого, либо одинаково отличаются в обоих.

3) Поскольку я мог открыть, вид окраски и степень преломляемости, свойственные какому-либо роду лучей, не могут быть изменены ни преломлением, ни отражением от тел, ни какой-либо иной причиной. Когда какой-либо род лучей полностью выделялся от лучей другого рода, то он упорно удерживал свой цвет, несмотря на крайние мои старания его изменить. Я преломлял их в призмах и отражал от тел, которые на данном свету кажутся другой окраски, я пропускал их через тонкие окрашенные воздушные слои, появляющиеся между двумя прижатыми друг к другу стеклянными пластинками, заставляя проходить через окрашенные среды и через среды, освещаемые иными сортами лучей; но никогда мне не удавалось вызвать в лучах иную окраску, чем та, которая была им свойственна сначала. При собирании или рассеянии они становились живее или слабее и при потере многих лучей иногда совершенно темными, но никогда цвет их не изменялся.

4) Изменения цвета могут кажущимся образом происходить, когда имеется какая-либо смесь лучей различных родов. В таких смесях нельзя отличить отдельных слагающих; они, влияя друг на друга, образуют среднюю окраску. Если отделить преломлением или каким-нибудь другим способом различные лучи, скрытые в подобных смесях, то появятся цвета, отличные от окраски смеси; однако эти цвета не возникли вновь, но стали только видимыми вследствие разделения. Разумеется, так же, как при помощи разложения смеси, так и при соединении простых цветов можно вызвать изменения окраски; их также нельзя рассматривать как действительные превращения.

5) Поэтому мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложенные из них. Первоначальные, или первичные, цвета суть красный, желтый, зеленый, синий и фиолетовый, пурпур, так же как оранжевый, индиго, и неопределенное множество промежуточных оттенков.

6) Точно такие же по виду цвета, как и простые, могут быть получены смешением: ибо смесь желтого с синим дает зеленый, красного с желтым — оранжевый, оранжевого и желтовато-зеленого — желтый. Только те цвета, которые в спектре находятся на далеком расстоянии друг от друга, не дают промежуточных цветов: оранжевый и индиго не создают промежуточного зеленого, глубоко красный и зеленый не дают желтого.

7) Наиболее удивительная и чудесная смесь цветов — белый цвет. Не существует такого сорта лучей, который в отдельности мог бы вызвать белый цвет: он всегда сложен, и для получения его требуются все вышеупомянутые цвета в правильных пропорциях. Часто с удивлением я наблюдал, как все призматические цвета, сходясь и смешиваясь так же, как в свете, который падает на призму, снова давали совершенно чистый и белый свет, который заметно отличался от прямого солнечного света только в том случае, когда примененные стекла не были вполне чистыми и бесцветными.

8) В этом причина того, почему свет обыкновенно имеет белую окраску; ибо свет — запутанная смесь лучей всех видов и цветов, выбрасываемых из различных частей светящихся тел. Подобная сложная смесь кажется белой, когда ингредиенты находятся в правильной пропорции; если, однако, имеет преимущество один цвет, то свет склоняется в сторону соответствующей окраски, как, например, в синем пламени серы, желтом пламени свечи и в различных окрасках неподвижных звезд.

9) Отсюда становится очевидным, каким образом возникают цвета в призме.

10) Отсюда же ясно, почему появляются цвета радуги в падающих дождевых каплях.

11) Странные явления, наблюдаемые в вытяжках нефритового дерева[46], в золотой фольге и в кусках окрашенных стекол, заключающиеся в том, что они кажутся окрашенными по-разному при различных положениях, перестают быть загадочными; эти вещества отражают свет одного рода и пропускают свет другого рода, как можно легко наблюдать, если освещать эти тела однородным простым светом в темной комнате. В этом случае они имеют всегда один и тот же цвет, которым они освещаются, но в одних положениях цвет ярче, чем в других, соответственно большей или меньшей способности отражать или пропускать падающий свет.

12) Отсюда же ясна причина того поразительного опыта, о котором м-р Гук сообщает в своей «Микрографии». Если поставить один за другим два прозрачных сосуда с двумя прозрачными жидкостями, синей и красной, то вместе они кажутся совершенно непрозрачными. Один сосуд пропускает только красные, другой только синие лучи, потому через оба вместе не могут пройти никакие лучи.

13) Я мог бы добавить еще много примеров такого рода, но закончу общим заключением, что цвета естественных тел происходят только от различной способности тел отражать одни виды света в ином количестве, чем другие…»

И только в конце, детально описав свойства света и цветов, Ньютон делает вывод о его корпускулярной структуре: «.Мы видели, что причина цветов находится не в телах, а в свете, поэтому у нас имеется прочное основание считать свет субстанцией.»

Хотелось бы отметить, что, несмотря на всю убедительность своих доводов, Ньютон сопровождает это утверждение оговоркой: «.Не так легко, однако, с несомненностью и полно определить, что такое свет, почему он преломляется и каким способом или действием он вызывает в нашей душе представление цветов; я не хочу здесь смешивать домыслы с достоверностью».

Как видим, все свои положения Ньютон подкрепляет опытами, многие из которых были весьма сложны. Подробные описания многих опытов приведены в «Лекциях по оптике». Возможно, они и отвратили от профессора Ньютона большинство студентов. Интересно пофантазировать, насколько популярны были бы лекции ученого, если бы он мог на них демонстрировать свои эксперименты.

Приведенные фрагменты из доклада Ньютона интересны не только тем, что описывают оптические открытия ученого и его взгляды. Даже больший интерес представляет принципиально новый подход, который Ньютон использует в решении своей научной задачи. Если Пифагор, Аристотель, да и Галилей выдвигали научные гипотезы и затем искали им подтверждения, то Ньютон делает теоретические выводы из практически полученных результатов. Он, пожалуй, стал первым ученым, который начал всесторонне использовать такой подход, и не только в работах по оптике, но и практически во всех своих исследованиях.

Работу «Новая теория света и цветов» отдали на рассмотрение комиссии. В нее вошли Бойль, астроном Сет Уорд и Роберт Гук. Напряженность, возникшая в отношениях между Гуком и Ньютоном, с успехом компенсирует отсутствие событий в личной жизни нашего героя. О Роберте Гуке, одном из крупнейших ученых времен Ньютона и человеке, сыгравшем в его жизни немалую роль, мы не можем не рассказать подробнее.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.