Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона - Сергей Валянский

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, то 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 изобретел 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.

Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света; в последующем они оформились в две конкурирующие теории: корпускулярную и волновую теории.

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. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. 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.