Физика XVII века
В XVI столетии, как мы видели, Европа вполне успела освоиться с византийской наукой, которую ученые XIX века назвали древней. Все из византийских достижений, что не погибло безвозвратно, было разыскано и стало общедоступным благодаря переводам и пояснениям, и это отличительная черта рассмотренного нами века. Однако в собственно физике существенных успехов еще незаметно.
Только в XVII веке Европа твердо вышла за рамки канонизированной византийской науки, признав экспериментальный метод истинным физическим методом.
На рубеже XVI и XVII веков физика вызывала довольно большой интерес. Даже математики интересовались опытными исследованиями, и если не производили их сами, то, во всяком случае, побуждали к ним других. Физиков в нашем смысле слова, то есть людей, методически занимающихся экспериментальным исследованием природы, в ту пору еще не существовало. Для проведения таких работ, вообще говоря, нужны какие-то общие воззрения, на основе которых можно было бы строить гипотезы и проверять или исправлять их в зависимости от результатов эксперимента. Однако после отказа от принципов натурфилософии Аристотеля никакой методически выстроенной общей системой воззрений физика не обладала.
Физики поступали так. Выдвигался какой-нибудь априорный, не основанный на опыте постулат, из него делались выводы, а затем эти выводы и проверялись на опыте. Галилей шел именно по этому пути. Тот же принцип работы был у Декарта, система которого построена вполне априорно. На таких соображениях основан Декартом, например, закон преломления и отражения, которым он воспользовался для создания математической теории радуги.
Между тем после того, как учение Аристотеля о субстанциальных качествах было отвергнуто, опять встал вопрос об устройстве мира. Можно было вернуться к идее атомизма и попытаться объяснить все явления природы непосредственным механическим действием мельчайших частиц материи. Но эти частицы оставались невидимыми, чисто умозрительными. В ученых спорах отрицалась возможность непосредственного действия одного тела на другое на расстоянии, без промежуточной материи; чтобы выйти из тупика, допускалось существование кроме осязаемой материи еще и неосязаемой, обусловливающей световые, электрические и магнитные явления. Физики тщились разрешить все эти вопросы и сильно расходились в своих мнениях.
Рене Декарт (1596–1650), сначала допускавший существование пустого пространства, впоследствии отверг эту гипотезу и предположил существование трех различных элементарных веществ, сплошь заполняющих пространство. Напротив, Пьер Гассенди (1592–1655) предпочел держаться старых теорий Демокрита и Эпикура. Его сочинения, обнаруживающие глубокие знания, пользовались значительным влиянием у современников.
Дискуссии о пустоте приняли совершенно иной характер, когда в орбиту внимания физиков вошел вопрос о барометрической пустоте. Ученик Галилея Торричелли (1608–1647) указал, что воздух обладает весом и оказывает давление. Декарт согласился с этим мнением, Паскаль попытался в своих «Новых опытах относительно пустоты» (1647) доказать, что верхняя часть барометрической трубки, не заключающая в себе никакого вещества, должна считаться за пустоту. Уже в следующем году он мог сослаться на опыты, произведенные на горе Пюи-де-Дом, которые доказывали, что колебания уровня ртути в барометре находились в зависимости от давления воздуха.
Опытные исследования на Пюи-де-Дом имели кардинальное значение для перехода к систематическому изучению природы. Доказательство тяжести воздуха, открытие способа измерения атмосферного давления и изучение его колебаний, а также основной закон гидродинамики, установленный Торричелли, существенно дополнили открытые Галилеем принципы механики. Они неминуемо вели к возникновению настоящей опытной физики, а исследователи были уже подготовлены к ней учением Декарта.
Интересно, что этот новый путь опытного исследования был уже указан Френсисом Бэконом (1561–1626). Произведения этого английского лорд-канцлера оказали большое влияние на научную мысль, хотя ему и не удалось достичь реальных позитивных результатов. К сожалению, он недооценивал значение математики для физики, отвергал систему Коперника, игнорировал открытия Кеплера и т. д. Несмотря на вражду к Аристотелю, поддавался влиянию схоластического мировоззрения. У него не было дарования к совершению новых открытий, а пытаясь применять свой собственный метод опытного исследования, он, похоже, сам не понял его значения. А как писал Декарт, никакой метод не может рассчитывать на признание ученых, если основательность его не доказана на деле.
Вот почему, несмотря на все свои старания, Бэкон не сделался для ученых ни руководителем, ни передовым человеком. Он дал себе совершенно правильное название: трубач, герольд. Он только призывал к открытию истины. Но и в этом он был силен главным образом потому, что волею судеб оказался не скромным университетским преподавателем, а блестящим политиком, лорд-канцлером.
Телескоп Галилея. Галилей первым догадался направить уже известную к его времени зрительную трубу в небо с научными целями.
Даже после Бэкона, вплоть до середины XVII столетия опытный метод существовал только в теории. Ученые делали свои заключения большею частью априорно и с помощью математики. Это обусловило разрыв между сведениями, добытыми исключительно путем наблюдений и полученными в результате умозаключений. Наука как бы распалась на две совершенно независимые сферы, и успехи, достигнутые в одной из них, нисколько не воздействовали на открытия, совершаемые в другой. Вся промежуточная область была не заполнена, и разум человеческий не мог здесь прийти ни к каким сколько-нибудь окончательным результатам.
Итак, характерные черты XVII века – любовь к эксперименту и классификациям, а также строгий и сухой рационализм на фоне продолжающей править бал схоластики.
С именем Галилея, прожившего 78 лет, из них 42 года – в XVII веке, в значительной мере связан прогресс в развитии всех прикладных оптических исследований, от применения телескопа и до микроскопа.
Первая зрительная труба появилась на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сообщил в 1608 году очковых дел мастер Липперсгейм. Известие о его изобретении побудило Галилея через год в Падуе построить свой телескоп и тем самым положить начало современной астрономии. Разработкой же собственно теории этого инструмента и практики его применения занимался не только Галилей, но и в основном Иоганн Кеплер.
Изобретение зрительной трубы в начале XVII века было вполне естественным, а ее быстрое распространение и блестящие результаты, полученные при ее помощи, свидетельствуют о своевременности открытия. Напротив, микромир никого не привлекал в эту пору, и микроскоп можно назвать преждевременным изобретением. Использовать его наука не сумела.
И этому нисколько не противоречит тот факт, что изобретение зрительной трубы относят обыкновенно к 1608-му, а микроскопа к 1590 году, на 18 лет раньше. Дело в том, что 1608-й – это год обнародования изобретения зрительной трубы, а 1590-й – действительно год изобретения микроскопа.
Кроме того, последняя дата не вполне достоверна.
Наши знания о первом микроскопе основаны на сообщении голландского посла В. Ф. Борееля (1655), который слышал, что его прежний товарищ детства в Мидельбурге, оптик Захарий Янсен, вместе со своим отцом устроил первый микроскоп. Изобретатели представили прибор эрцгерцогу Альбрехту австрийскому, а он подарил его Дреббелю, у которого посол и видел микроскоп в 1619 году. О том же сообщал и сын Захария Янсена. Так как фактов, опровергающих эти данные, нет, приходится признать 1590 год годом изобретения микроскопа. Во всяком случае, передача микроскопа эрцгерцогу должна была произойти после 1596 года, так как только тогда Альбрехт вступил в Брюссель в качестве генерал-губернатора; притом не подлежит ни малейшему сомнению, что до всеобщего сведения микроскоп дошел позже зрительной трубы.
Мы знаем, что Сенека заметил увеличительную способность стеклянных сосудов с водой; что Альгазен говорил об увеличениях, получаемых с помощью сферических поверхностей, а Роджер Бэкон и Порта с увлечением описывали свойства стеклянных полированных чечевиц. Но никому из прежних естествоиспытателей не приходила мысль применить чечевицы для наблюдения мельчайших предметов, недоступных простому глазу.
Название микроскоп, прямо указывающее на такую цель, обязано своим происхождением Десмикиану, члену основанной в 1603 году академии «Dei Lyncei» (то есть рысеглазых). Но собственно микроскопические наблюдения с научной целью были начаты Гуком, Левенгуком и Гартсекером только около 1670 года, хотя, впрочем, уже Стеллути в 1625 году рассматривал под микроскопом части пчелы.
Все эти ученые пользовались еще простым микроскопом. Левенгук употреблял маленькие стеклянные чечевицы, увеличивавшие в сто шестьдесят раз, Гук – стеклянные шарики, а Гартсекер сам плавил для себя подобные шарики над лампой. Еще проще был водяной микроскоп С. Грея 1696 года, где капля воды, взятая на кончик иглы, помещалась в маленькое отверстие металлической пластинки и сама собой превращалась в увеличительное стекло.
Микроскоп XVII века с подсветкой
Оцените, до какой же степени было затруднено исследование микромира с помощью таких шариков и как велика была наблюдательность, например, Левенгука, открывшего при помощи подобного инструмента инфузории, семянные тельца и так далее! Ведь согласно исчислению Гюйгенса, шарик увеличивает только в сто двадцать раз. Продолжительное применение столь простых микроскопов показывает, что потребности в них были минимальны даже в XVII веке, а позднее начало научных исследований служит признаком того, что в это время вообще не нуждались еще в микроскопе.
Знаменитый Гюйгенс, несмотря на то, что он был голландцем, полагает, что микроскоп был изобретен не ранее 1618 года и впервые продемонстрирован у Дреббеля в Англии в 1621 году. Однако Галилей уже в 1612 году послал микроскоп в дар королю Сигизмунду польскому, но это, очевидно, не вызвало ничьего внимания, так как Гюйгенс в подтверждение своей точки зрения указывает, что итальянец Сиртури, писавший в 1618 году о зрительных трубах, не упоминает еще о микроскопе.
Поговорим же подробнее о телескопе и микроскопе Галилея.
Как только профессор физики и военного дела Галилео Галилей узнал о появлении нового прибора – зрительной трубы, он сразу решил применить его для астрономических наблюдений. Он уже в то время был убежденным последователем Коперника. Он в это время занимался движением маятника и связанной с этим проблемой свободного падения тел и получал результаты, в общем противоречащие учению Аристотеля. И вот, за несколько дней наблюдения звездного неба в телескоп он увидел достаточно для того, чтобы полностью опровергнуть всю картину мира Аристотеля.
Луна не выглядела совершенной сферой, Венера, как и Луна, имела фазы, Сатурн оказался разделенным на три планеты. Галилей также заметил, что вокруг Юпитера вращаются три звезды или луны, то есть миниатюрная система Коперника, которую каждый смотрящий в телескоп мог увидеть своими глазами. Он обнаружил также, что Солнце вращается вокруг своей оси, и на его поверхности имеются пятна. Кроме того, поверхность Луны оказалась гористой, а сама Луна совершала видимые периодические колебания вокруг центра как маятник. Галилей обнаружил огромное количество звезд, невидимых невооруженным глазом или даже с помощью зрительных труб. Кажущийся туманностью Млечный Путь также оказался состоящим из отдельных звезд.
В 1610 году Галилей опубликовал труд «Звездный вестник». В нем он сжато и ясно излагал свои наблюдения. Книга вызвала сенсацию, и надо сказать, что многие открытия Галилея получили признание в церковных кругах, а папа Урбан VIII считал его своим другом. Однако доминиканцы и иезуиты оказались сильнее папского покровительства: по их доносу в 1633 году Галилей был предан суду инквизиции в Риме и чуть было не разделил участь Джордано Бруно. Лишь ценой отречения от своих взглядов он спас себе жизнь; учение о движении Земли было объявлено ересью.
Но его «Звездный вестник» послужил могучим стимулом к созданию разнообразных конструкций телескопов и других оптических приборов. Путем логических рассуждений он сам пришел к выводу о необходимости сочетания в телескопе выпуклой и вогнутой линзы для получения искомого эффекта увеличения. Он первым понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть различным. Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз, что позволило ему создать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали увеличение лишь в 3–6 раз.
Галилею также принадлежит приоритет в конструировании микроскопа, который он создал, подбирая соответствующее расстояние между линзами, при котором оказывались увеличенными не удаленные, а близкие предметы. О наблюдениях насекомых имеется запись от 1614 года, а в 1624 году он посылает сконструированный им микроскоп Федерико Чези с описанием наводки на резкость.
После смерти Галилея должность придворного математика герцога тосканского получил его ученик Эванджелиста Торричелли. Научившись у своего великого учителя искусству шлифовки линз, он стал искать ответ на вопрос: как проверить точность изготовления линз? Так как в первой половине XVII века еще не были известны явления интерференции и дифракции, результат работы шлифовальщиков целиком зависел от случая. В 1646 году им была сделана линза диаметром 83 мм, которая и сейчас относится к классу современной точной оптики. Письма Торричелли, датированные 1644 годом, доказывают, что это не было случайностью. Он писал:
«В конце концов… изобретение, касающееся стекол, у меня в руках… За несколько последних дней я один обработал шесть стекол, из которых два не уступали наилучшему из тысячи стекол, сделанных за тридцать лет Фонтаной» (линзы неаполитанского мастера-оптика были самыми совершенными в то время).
Хотя Торричелли так и не открыл свой секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, полагают, что он заметил интерференционные кольца, возникающие при притирке линзы с поверхностью формы, и использовал их для оценки качества обрабатываемой поверхности. Заметим, что, когда он умер, официальным открывателям этих «колец Ньютона» Роберту Гуку и Исааку Ньютону было 12 и 5 лет соответственно.
Кроме изготовления зрительных труб и телескопов, Торричелли занимался конструированием простых микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы, которую он получал из капли стекла, расплавляя над пламенем свечи стеклянную палочку. Подобно тому, как в руках Галилея телескоп обнаружил тайну звезд, микроскоп в руках исследователей XVII века открыл двери в мир бесконечно малого. Насекомые, части растений, бактерии – все это стало предметом исследования и привело к быстрому расцвету соответствующих дисциплин.
А фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер, родившийся в 1571 году. При точном расчете оптимальных линз для любых целей надо знать правильный закон преломления света в стекле. Этот закон еще не был известен; конечно, не знал его и Кеплер (он ошибочно полагал, что отношение угла падения к углу преломления есть константа). И все же он придумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши дни кеплеровский окуляр находит применение в оптических приборах.
Помимо интенсивных занятий астрономией, он изобрел зрительную трубу, состоящую из двух положительных линз (телескоп Кеплера) с большим полем зрения и промежуточным перевернутым действительным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. Это превратило телескоп из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный.
Он первым применил камеру-обскуру для наблюдения солнечного затмения, установив, что форма изображения на стенке камеры не зависит от формы отверстия. В 1604 году Кеплер написал «Дополнение к Виттеллию», в котором четко описывает перевернутое изображение на сетчатке глаза, завершив исследования Альхазена и Леонардо да Винчи в области физиологии зрения.
Его главным трудом по оптике стала «Диоптрика», написанная всего за два месяца в 1610 году, под впечатлением открытий Галилея. Здесь он дал начала анализа и синтеза оптических систем, а также все основные понятия геометрической оптики. Этот выдающийся труд и все остальные работы, в том числе знаменитые законы для гелиоцентрической системы Коперника, он создавал в тяжелейших материальных условиях.
Таким образом, в первом десятилетии XVII века Кеплер научно объяснил ряд оптических явлений (отражение, преломление), ввел понятие фокуса и дал глубокий анализ механизма зрения.
Преломлением света Кеплер занялся в связи с астрономическими проблемами. Он заметил, что если падающий луч образует с перпендикуляром угол не более чем 30°, то преломленный луч идет под углом, не превышающим 20°. Он заметил также следующее: когда свет проходит из среды более плотной в менее плотную, угол, на который отклоняется преломленный луч (по отношению к перпендикуляру), возрастает с увеличением угла падения до тех пор, пока не оказывается параллельным преломляющей поверхности.
Анастасиус Кирхер (1601–1680) на основании большого числа опытов составил таблицу углов падения и соответствующих им углов преломления, вплоть до одной минуты, используя в основном прозрачные жидкости и твердые тела. Описывал он также ход лучей из воздуха в воду, из воздуха в вино и из масла в стекло.
Правильный закон преломления был открыт Снеллиусом (1591–1626), профессором математики Лейденского университета. Но хотя после тщательных экспериментальных исследований он и открыл этот закон, при жизни Снеллиуса он опубликован не был и впервые стал известен в 1637 году благодаря Рене Декарту. С открытием закона Снеллиуса оптика стала неразрывной частью геометрии, что должно было бы привести к созданию совершенных телескопов. Однако действующие телескопы оставались с дефектами, в частности свет от звезд, проходя через них, окрашивался по краям – возникали ореолы вокруг наблюдаемых объектов.
Декарт не только, вслед за Кеплером, подробно исследовал строение глаза, но и уточнил формулировку закона преломления, получив этот закон чисто математически независимо от Снеллиуса. В практической оптике он усовершенствовал конструкцию микроскопа (осветительное зеркальце, конденсор), предложил методы центрирования и обработки асферических поверхностей.
Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом некоторые считали, что светящимся телом излучаются некие лучи. Эта точка зрения в XVII веке оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.
Но было и другое мнение. Теория Аристотеля считала свет распространяющимся в пространстве (в среде) действием или движением. Это мнение Аристотеля мало кто разделял, но к середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых подошел к теории волновой природы света чешский ученый Марци: в 1648 году он открыл явление дисперсии света.
Со временем образовалось две противоположные теории света: корпускулярная и волновая. Для развития корпускулярной была более благоприятная почва. Действительно, в рамках геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории. И общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией.
Но в это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света, и родоначальником этой теории можно считать Декарта.
Ф. М. Гримальди (1618–1663) заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что это явление противоречит закону прямолинейного распространения света, а вместе с тем и корпускулярной теории, но не решился полностью отказаться от нее. Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, подобным ряби на воде или звуковым колебаниям, причем различные цвета имели различную длину волн, подобно музыкальным звукам.
К 1642 году – году смерти Галилея и рождения Ньютона, классическая картина мира была разрушена, и вскоре ее место заняли начальные положения новой. Ньютон разработал фундаментальные концепции новой картины мира, позже названной классической. Не менее значительны были и его открытия в оптике. Уже в 26-летнем возрасте он стал преемником своего учителя Барроу в качестве профессора кафедры математики, и его первые лекции касались оптики. В них он изложил свои открытия и набросал корпускулярную теорию света, согласно которой свет представляет собой поток частиц, а не волны, как утверждали Гюйгенс и Гук.
Ньютон считал свет истечением неких световых частиц – корпускул разного размера, которые производят различные колебания в эфире, заполняющем всю Вселенную.
Другой теории света придерживался Гюйгенс. В 1690 году он издал «Трактат о свете». Гюйгенс выдвигал волновую теорию света, но, в отличие от Гримальди, он и его последователи полагали, что волны образует не сам свет, а светоносный эфир. Обе теории – корпускулярная и волновая – имели своих последователей.
Благодаря блестящему сочетанию экспериментальной техники и логики Ньютон смог доказать, что цвета создаются не призмой или радугой, а являются компонентами обычного белого цвета. Его авторитет задержал решение этой проблемы примерно на 80 лет.
Примерно в те же годы интерференцию света исследовал английский физик Роберт Гук. Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Гук подошел к изучению этих явлений с той точки зрения, что свет – это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.
Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции.
Скорость света была впервые определена датским астрономом Ремером в 1676 году. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика, другие же, хотя и считали ее очень большой, но тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Он впервые сделал вывод о конечной скорости распространения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300 870 км/с в современных единицах.
