Становление классической науки

    Кеплер  также пытался найти закон  преломления, но безуспешно. Закон преломления  был экспериментально открыт в 1621 г. голландским ученым Виллебродом Снелиусом (1591-1626). В то же время (1627) с помощью простых геометрических рассуждений к закону преломления пришел Декарт, предложив в соответствии с идеями Альхазена разложить скорость света на две составляющие - вдоль и поперек границы раздела сред. Своим результатам он предваряет философские рассуждения о природе света, но их не понимали даже его истые последователи (Гюйгенс), так они были противоречивы. Тем не менее, на основе полученного закона после проведения оригинальных экспериментов Декарту удалось объяснить образование радуги. Это было получено в результате серии хорошо задуманных, тщательно проведенных и подкрепленных расчетом опытов, которые можно считать образцом физического исследования.

    В споре с Декартом о правомерности применения механических аналогий к свету французский математик Пьер Ферма (1608-1665) сформулировал свой принцип, что свет распространяется по пути, проходимом в кратчайшее время, из которого также следует закон преломления Декарта. Он сосредотачивал свое внимание больше на математической стороне задачи, чем на физической. А физические основы у Ферма были шаткими, они подвергались резкой критике, но сам принцип сохранился в физике и истории науки до сих пор.

    К числу принципиальных открытий в оптике следует отнести обнаружение явления дифракции - отклонения света итальянским ученым Франческо Мариа Гримальди (1618-1663). Это было сделано в экспериментах на маленьких отверстиях, а также подтверждено в опытах на тонких нитях. В своих объяснениях Гримальди прибегает к аналогии с волнами, образующимися от брошенного в воду камня и огибающими препятствие, т.е. прибегает к волновой гипотезе света. Этим же он объясняет природу цветов по аналогии со звуком, который по Галилею определяется различными колебаниями воздуха. Подобные же опыты в Англии провел Роберт Гук (1635-1703), который также успешно экспериментировал с микроскопом Галилея, в частности заметил окрашивание тонких пленок в пучке света.

    Принципиальными с точки зрения конечности скорости света были астрономические наблюдения, т.к. земные эксперименты по способу Галилея в 17 веке не дали положительных результатов. Основные результаты по этому вопросу, полученные при исследовании движения спутников Юпитера, были в окончательном виде сформулированы датским ученым Олафом Ремером (1644-1710).

    Первые  работы по физике у Ньютона были в области оптики и начинались с 1664 г. В 1672 г. он представил первый доклад в Королевское общество и этот доклад вызвал критические замечания (в частности у Гука) и долгую полемику. Ньютона это очень огорчило, он был человеком весьма раздражительным и чувствительным к критике. Тем не менее, он упорно продолжал свои работы, но свою фундаментальную работу "Оптика" опубликовал лишь в 1704 г., через год после смерти Гука. В этой работе по существу изложены основы современной физической оптики. Прежде всего, следует упомянуть его результаты по дисперсии света и природе цветов, его блестящие опыты с разложением света призмой и смешением цветов. Ньютон разработал зеркальный телескоп, за создание которого он был избран в члены Королевского общества и который стал отправной точкой прогресса инструментальной астрономии. Широко известны его экспериментальные работы в области интерференции, классические кольца Ньютона.

    В части интерпретации экспериментальных результатов по оптике Ньютон не придерживался определенной позиции в выборе волновой или корпускулярной теории света, и это вызывало ряд затруднений. Здесь в отличие от механики, он изменяет своим принципам не выдвигать гипотез, его объяснения громоздки и трудновоспринимаемы, а в ряде случаев и ошибочны. В последнем издании своей "Оптики" Ньютон приводит почти одинаковое число аргументов в пользу как волновой, так и корпускулярной концепции. Тем не менее, его в течение 18 века считали приверженцем корпускулярной теории. Это, вероятно, было обусловлено затруднениями волновой теории в объяснении прямолинейности распространения света и преклонением перед механистическими представлениями Ньютона.

    Подводя итоги 17 века, следует сказать о  вкладе в оптику Гюйгенса, который  издал в Лейдене в 1690 г. "Трактат  о свете". В этой работе изложены основы волновой теории света с постулированием  некоторой эфирной материи. Он предложил  принцип построения огибающей волны, который и сегодня известен под его именем. Гюйгенс объяснил явления преломления света, подвел физическую основу под принцип Ферма. Он также интерпретировал двойное лучепреломление, которое было обнаружено в 1669 г. датским ученым Эразмом Бартолином (1635-1698) в опытах с кристаллами исландского шпата.

    Из-за огромного авторитета Ньютона и  отсутствия решающих научных аргументов в пользу волновой теории в 18 веке в  основном придерживались корпускулярной теории света. Однако сохранялись и  традиции волновой оптики, поскольку корпускулярная теория все же не могла объяснить многие экспериментальные данные. В частности, Эйлер в работе "Новая теория света и цветов" (1746) считает различную длину волн физической причиной различия цветов.

    В 18 веке зарождается фотометрия как самостоятельный раздел оптики. Французским ученым Пьером Бугером (1698-1758) были проведены первые систематические исследования потери интенсивности при прохождении света через среду и предложена конструкция фотометра, а также замечено избирательное поглощение различных цветов и сформулирован экспоненциальный закон поглощения. Основы фотометрии были четко сформулированы немецким математиком и физиком Иоганном Ламбертом (1728-1777) в работе "Фотометрия, или об измерениях и сравнениях света, цветов и тени" (1760). Здесь он вводит понятия яркости и освещенности и выводит основные законы фотометрии о зависимости освещенности от расстояния, угла падения света, характеристик освещающего источника.

    После почти векового господства корпускулярной теории в оптике в самом начале 19 века были проведены работы, ознаменовавшие триумф волновой теории. Это сделал в первую очередь Юнг, врач по профессии, но имевший весьма разносторонние интересы.

    Юнг Томас (13.06.1773-10.05.1829) – английский ученый, член Лондонского королевского общества (1794, с 1802 - секретарь), Парижской АН. Родился в Милвертоне в семье торговца. С ранних лет обнаружил незаурядные способности: в 2 года бегло читал, в 4 знал на память стихи многих английских поэтов, в 8-9 овладел токарным ремеслом и делал различные физические приборы, к 14 годам познакомился с дифференциальным исчислением по Ньютону, изучил много языков. Учился в Лондонском, Эдинбургском, Геттингенском и Кембриджском университетах, где сначала изучал медицину, а потом физику, одновременно проводя научные исследования. В 1801-03 – профессор Королевского института, с 1811 – врач в больнице Святого Георгия (Лондон), одновременно с 1818 – секретарь бюро долгот, руководил изданием “Морского календаря.

    Работы  в области оптики, акустики, теплоты, механики, математики, астрономии, геофизики, филологии, зоологии. Объяснил (1793) аккомодацию глаза изменением кривизны хрусталика. В трактате “Опыты по звуку и свету” (1800) провел аналогию между явлениями акустики и оптики, применил принцип суперпозиции и сформулировал принцип интерференции, которым в 1801 объяснил интерференцию, кольца Ньютона. В 1802 сделал первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив два когерентных источника. Показал потерю полуволны при отражении света от более плотной среды. В теории упругости в 1807 ввел модуль растяжения (Юнга). В последние годы составлял египетский словарь.

    Самой неясной Юнгу представлялась ньютоновская теория "приступов" для объяснения окрашивания тонких пластин. В докладах Королевскому обществу с 1801 по 1803 г.г., цитируя рассуждения Ньютона об аномальных приливах на Филиппинском архипелаге как результате наложения волн, он вводит общий принцип интерференции и подкрепляет это опытами с двумя отверстиями, развивая представления Гримальди о дифракции. Рассматривая интерференцию света различных длин волн, Юнг выводит полученные Ньютоном эмпирически законы для его колец. Он с поразительной точностью определил длины волн различных цветов: для красного - 0,7 мкм и фиолетового - 0,42 мкм. Работы Юнга были первым экспериментальным подтверждением гипотез Ферма и Гюйгенса. Он также ввел сам термин "физическая оптика".

    Однако  эти принципиальные работы Юнга были восприняты с недоверием отчасти  из-за того, что он иногда подкреплял свои рассуждения недостаточно строгими математическими доказательствами. К тому же появились работы французского военного инженера Этьенна Малюса (1775-1812) по поляризации света, который для объяснения найденного им закона поляризации привлекал теорию Ньютона. Исследования по поляризации света были продолжены во Франции Жаном Батистом Био (1774-1862), обнаружившим круговую поляризацию, и Домиником Франсуа Араго (1786-1853), установившим поляризацию лунного света и радуги (доказательство отраженного света), а также открывшим хроматическую поляризацию. В Англии Дэвид Брюстер (1781-1868) открыл закон о поляризации отраженного и преломленного лучей, а шотландский ученый Уильям Николь (1768-1851) разработал призму, которая пропускала только необыкновенный луч. Все эти работы проводились под флагом корпускулярной теории, которая, казалось, получает в поляризации света важное подтверждение. Но это возрождение корпускулярной теории продолжалось недолго. В 1815 г. молодой дорожный инженер Френель представил Парижской Академии наук два мемуара, которые он написал по результатам работ по дифракции, выполненных на примитивном оборудовании после увольнения со службы за антинаполеоновские выступления во времена 100 дней.

    Френель Огюстен Жан (10.05.1788-14.07.1827) – французский физик, член Парижской АН (1823), Лондонского королевского общества (1825), медаль Румфорда. Родился в Брольи в семье архитектора. Окончил Политехническую школу (1806) и школу мостов и дорог (1809) в Париже. Работал инженером по ремонту и строительству дорог в различных департаментах Франции, с 1817 – в Политехнической школе.

    Работы  в области волновой оптики. В 1811 под  влиянием Э.Малюса стал самостоятельно изучать физику и начал эксперименты по оптике. В 1815 переоткрыл принцип  интерференции, в 1816 дополнил принцип Гюйгенса. В 1818 разработал теорию дифракции света. Выполнил опыты с бизеркалами (1816) и бипризмами (1819). В 1821 доказал поперечность световых волн. Открыл в 1823 эллиптическую и круговую поляризацию света. Установил (1823) законы отражения и преломления света на плоской неподвижной поверхности раздела двух сред. Исследовал влияние движения Земли на оптические явления, положив начало оптике движущихся тел (1818).

    После реферирования мемуаров Френеля  Араго добился, чтобы тот был  приглашен в Париж для повторения опытов в более благоприятных условиях. Исследуя тени, отбрасываемые, как и у Гримальди тонкими препятствиями, Френель вторично открыл принцип интерференции. Развивая идеи волновой оптики, он провел классические опыты с бизеркалами и бипризмой. Гениально объединив принцип интерференции с предложенными Гюйгенсом принципами элементарных волн и огибающей, он окончательно построил основы волновой оптики. При этом было преодолено основное затруднение волновой теории - невозможность объяснения прямолинейности распространения света.

    После создания теории дифракции Френель  совместно с Араго установили, что перпендикулярно поляризованные два пучка света никогда не интерферируют. Это привело его  к выводу о поперечности колебаний  световых волн. Вместе с тем такая гипотеза, объясняющая основные свойства поляризованного света, требовала от эфира - носителя световых волн безумного сочетания свойств: он должен быть тончайшим и невесомым флюидом и одновременно наитвердейшим телом, т.к. только твердые тела передают поперечные колебания. Это было очень смелым шагом и даже явно поддерживающий Френеля Араго не смог разделить такие взгляды. Используя свою гипотезу эфира, Френель построил механистическую модель света, обсчет которой позволил получить формулы для поведения света на границе двух сред, хорошо согласующиеся с экспериментом и использующиеся и до настоящего времени в вычислительной оптике.

    Вместе  с тем, вследствие, прежде всего такой "грубой" идеи эфира позиции  волновой теории не были общепринятыми. В этих условиях ирландский ученый Уильям Роуан Гамильтон (1805-1865) задумал создать формальную теорию, которая согласовывалась бы как с волновой, так и с корпускулярной теорией по аналогии с аналитической механикой Лагранжа. Гамильтон развивает целую научно-философскую доктрину. В эволюции науки есть две стадии: 1 - восхождение от отдельных фактов к законам с использованием индукции и анализа и 2 - переход от законов к следствиям с использованием дедукции и синтеза. На первой стадии научное воображение позволяет вскрыть внутренние законы, позволяющее понимать единство всего разнообразия явлений, а на второй - из этого единства вновь получается новое разнообразие, позволяющее проникать в будущее.

    Гамильтон применил такой подход, рассматривая принцип наименьшего действия как принцип экстремального действия и говоря о стационарном или варьируемом действии. Он пришел к формулировке своего принципа, согласно которому некоторая физическая величина (гамильтониан), точно определенная математически, стационарна при распространении света. Так удается рационализировать геометрическую оптику, превратив ее в формальную теорию, не прибегая к волновой или корпускулярной гипотезе. Затем Гамильтон в 1834-35 г.г. распространил свою теорию на механику, т.е. был достигнут синтез оптики и механики. Общее применение этой теории было развито немецким математиком Карлом Густавом Якобом Якоби (1801-1854), который упростил и обобщил ее и такую уже ставшую классической теорию называют теорией Гамильтона-Якоби.

    К середине 19 века были проведены измерения скорости света в "земных" условиях для различных сред, которые по мнению Араго (противника корпускулярной, но не очень последовательного приверженца волновой теории) должны были установить, какая из теорий справедлива. В 1849 г. французский физик Арманд Ипполит Физо (1819-1896) с помощью вращающегося колеса со щелями, через которые проходили исходный и отраженный от находящегося на расстоянии 8633 м зеркала лучи, удалось реализовать идеи Галилея и измерить скорость света. А его соотечественник Леон Жан Бернар Фуко (1810-1868), применив вращающееся зеркало и стробоскопический метод наблюдения, в 1850 г. показал, что скорость света в воде составляет 3/4 скорости света в воздухе. Это подтвердил несколькими днями позже и Физо, который вначале работал вместе с Фуко, а потом они устроили между собой соревнование. Таким образом, было показано, что в более преломляющих средах скорость света меньше и это было одним из решающих аргументов в пользу волновой теории.