Борьба концепций в процессе становления и развития науки о природе света

  Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием  описывать явления, не выдвигая гипотез:

  «Мое  намерение в этой книге, - предупреждает  автор, - не объяснять свойства гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет и речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этого, поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит:

  «Под  лучами света я разумею его  мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям».

  А что означает утверждение: «Луч света  – это его мельчайшая часть»? Из этого утверждения ясно, что  для Ньютона луч света –  это уже не траектория в понимании  древнегреческих геометров, а, как  говорится в пояснении к этому  определению, «наименьший свет или часть света … которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет».

  Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, но одновременно основывает истолкование своих экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча – концепции корпускулярной, или если пользоваться современным термином, квантовой.

  Следующая за этим экспериментальная часть  выдержала испытание временем и  по существу осталась основой современной  физической оптики. Было бы излишне  подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Сенеки.

  Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этот опыт позволил Ньютону прийти к фундаментальному выводу:

  «Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и  по степени преломляемости».

  И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оно высказывалось  еще в 1648 г. Марко Марчи (1595-1667), зато весь комплекс последующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, был весьма новым, так что не мог  пройти незамеченным. Проделав небольшое круглое отверстие в ставне окна темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял «спектр» на противоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. В первой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его к установлению взаимно однозначного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но меняются только цвета.

  В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы, направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, и направляет свет, проходящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектроскопии, привела Ньютона к понятию однородного света:

  «Всякий однородный свет имеет собственную  окраску, отвечающую степени его  преломляемости, и такая окраска  не может изменяться при отражениях и преломлениях».

  Тем самым с предельной очевидностью было экспериментально подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не сами по себе; лучам свойственна определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета. Следуя многовековой традиции Ньютон насчитывает семь цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), не считая белого и черного.

  После анализа цветов Ньютон переходит  к следующей серии опытов в  равной серии изумительных, к синтезу  цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся в учебниках физики. Сюда относится, например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон не дал более точного объяснения, или же опыт с обратным  сложением цветов с помощью второй призмы.

  Все эти свойства открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать новое, более полное объяснение радуги истолковать  цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света.

  В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей, описывается  теория основополагающих опытов, проведенных  с исключительным и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой  истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то же время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него, все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т.е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное последовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец радужной окраски.

  Ньютон  наблюдал это явление не только в  белом свете, но и монохроматическом. Качественно явление носило такой  же характер, но в то время как  в белом свете видны были лишь восемь или девять колец, в монохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явление представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматривать через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно друг друга.

  Многочисленные  опыты с этим явлением и точные измерения позволили Ньютону  открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по настоящее  время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца – втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемости света, т.е. радиусы колец  одного и того же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах слоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются, если пространство  между обеими линзами заполняется водой.

  Весь  этот комплекс количественных экспериментальных  результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма «пористой», т.е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?

  «Каждый луч света при своем прохождении  через любую преломляющую поверхность  приобретает  некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкому отражению».

  Определив «приступы» отражения или преломления как периодическое возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляется:

  «Свет находится в состоянии приступов  легкого отражения и легкого  преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие  приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время своего пути».

  Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи ему  с самого момента его излучения  или же они являются приобретенным  свойством, т.е. приобретаются в момент прохождения света через тела? Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительность своей позиции, но настаивал на том, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это просто констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет, правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могут представить себе, что, так же как камни падая в воду, вызывают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускулы, ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания, распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их; эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого отражения.

  Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать:

  «Я  довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той  или иной причине попеременно  располагаются к отражению или  преломлению во многих чередованиях».

  Несмотря  на противоречия, неясности и поправки, теория приступов является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой механики, может быть лучше понятно и точнее оценено. 
 
 

5. РАБОТЫ  ГЮЙГЕНСА. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА.

  Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в  «Оптику» оказали большое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма».

  Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.

  Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматривается прямолинейное  распространение света, во второй отражение, в третьей – преломление, в  четвертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойное лучепреломление и в шестой – формы линз.

  Работа  начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона. Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, не возмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточно вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т.е. от тел, находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, т.е. разъединять их части, «что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной философии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распространение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит Гюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу: