Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Исаак Ньютон родился в Англии в графстве Линкольншир в 1642 году, в год смерти Галилея. Есть некая символика в том, что он пришел в этот мир в праздник Рождества. С 1661 по 1665 год Ньютон учился в Тринити-колледже Кембриджского университета и, по замечанию одного биографа, «был самым замечательным выпускником университета за всю историю университетского образования»50, поскольку абсолютно самостоятельно открыл и довел до совершенства в уединении своих личных записных книжек новую философию, физику и математику, которую в те времена медленно, с настойчивостью и тщанием творили наиболее выдающиеся ученые Европы.

В 1665 году, когда Ньютон окончил курс в университете и намеревался остаться там для продолжения образования, Англию поразила эпидемия чумы, и Ньютону пришлось вернуться в Линкольншир. Период вынужденной праздности среди полей и садов на землях, принадлежавших его матери, не только не стал помехой для продолжения его образования, но, напротив, оказался настоящим даром судьбы. Свободное время позволило Ньютону, тогда находившемуся в самом начале своей научной карьеры, без помех продумать многие проблемы, над которыми он уже работал в университете. Историки называют этот период в жизни Ньютона его annus mirabilis , «годом чудес». Именно тогда были заложены основы многих его важнейших теорий: теории гравитации в физике (история с упавшим яблоком, о которой мы знаем благодаря племяннице Ньютона, а также Вольтеру, предположительно имела место в тот самый период); законов планетарного движения в астрономии; системы дифференциального исчисления в математике. В упомянутый период Ньютон также приступил и к серии революционных экспериментов в оптике.

Оптика, наука о свете, в те времена быстрыми темпами набирала научную значимость. С древних времен мыслители накапливали фундаментальные сведения относительно отражения и рефракции (преломления лучей при прохождении прозрачных материалов) света. Но до семнадцатого столетия зеркала и линзы были очень низкого качества. Более того, исследованиям в этой сфере мешал распространенный предрассудок, что оптические явления не заслуживают серьезного изучения, так как они эфемерны. Могут ли столь искаженные и обманчивые образы представлять какой-либо научный интерес?

Однако как раз в это время изобретение телескопа и микроскопа создало спрос на зеркала и линзы более высокого качества. Это повысило заинтересованность промышленников в их производстве, что, в свою очередь, поощряло исследования в данной области. Новая европейская наука, со своей стороны, тоже стремилась развеять мнение об оптических эффектах как о чем-то иллюзорном (так же она поступала с аристотелевской идеей «насильственного» движения) и настаивала на том, что они (подобно Галилеевой картине движения) – еще одна область, управляемая принципами механики и математическими законами, которые могут быть обнаружены путем эксперимента. Тем не менее Декарт и другие пионеры оптических исследований семнадцатого столетия стойко держались мнения, восходящего к аристотелевским временам, что солнечный (белый) свет чист и однороден, а цвета суть не что иное, как модификации или «загрязнения» белого света.

Оказавшись в изоляции в поместье матери, пока эпидемия свирепствовала в городах, Ньютон превратил одну из комнат в оптическую лабораторию, закрыв туда доступ свету, за исключением одного крошечного отверстия. Там он проводил целые дни напролет, погрузившись в экспериментальные исследования. Как писал один из его ассистентов, «дабы усилить восприимчивость органов чувств и сконцентрировать внимание, [он] на все это время ограничил себя самым небольшим количеством хлеба и хереса, разбавленного водой, которые он употреблял без какой-либо регулярности, как только ощущал острую потребность в еде или ослабление сил». Главным инструментом Ньютона стала призма. В те времена она вызывала всеобщее любопытство своей способностью преобразовывать белый цвет в различные цвета. Однако Ньютон превратил популярную игрушку в важный инструмент научного исследования.

Распространенный стереотип, навязываемый целым поколениям школьников, заключается в том, что научный метод есть некое механическое действие: формулировка, проверка и корректировка гипотезы. Гораздо точнее, хотя и несколько более неопределенно характеризует работу ученых метафора «взгляда» на явление: ведь они и в самом деле «разглядывают» его под разным углом зрения, пытаются его понять, поворачивая то так, то этак. В своей импровизированной лаборатории Ньютон «смотрел» на свет, пользуясь различными конфигурациями призм и линз, и спустя какое-то время пришел к выводу, что так называемый «белый» свет не является чистым, а представляет собой смешение света различных цветов. Позднее Ньютон напишет:

«Самый лучший и надежный метод философского исследования, как представляется, заключается в том, чтобы поначалу внимательно изучить свойства вещей и, установив названные свойства путем экспериментов, затем без излишней торопливости перейти к гипотезам для их объяснения»51.

Тем не менее на протяжении нескольких лет Ньютон делился своими изысканиями с очень немногими. Вернувшись в Тринити-колледж после того, как университет вновь открылся в 1667 году, Ньютон стал посещать лекции по оптике Исаака Барроу, первым занявшего Лукасовскую кафедру математики в Кембриджском университете (прославленную кафедру, которую в более поздние времена занимали Поль Дирак и Стивен Хокинг), вычитывал корректуру лекций Барроу и в 1670 году наследовал последнему в качестве лукасовского профессора. Положение требовало, чтобы он носил алую мантию, подчеркивавшую его превосходство над остальными преподавателями. Кроме того, он был обязан читать студентам по крайней мере одну лекцию в неделю на латыни по теме, имеющей отношение к математике. Ньютон выбрал оптику, которая позволила ему соединить математику и экспериментальную науку и «подвергнуть принципы этой науки более пристальному рассмотрению». Правда, посещались его лекции не слишком активно. Один из помощников Ньютона вспоминал:

«Очень немногие приходили послушать его, еще меньше было тех, кто понимал его, так что часто ему приходилось из-за недостатка в слушателях свои лекции „читать стенам“. Причем в самом буквальном смысле – на его вторую лекцию не пришел ни один слушатель»52.

В 1671 году Ньютон представил членам Лондонского королевского общества телескоп, который он изобрел в результате своих оптических исследований. Общество было учреждено всего десятью годами ранее, его полное название – Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе. Девизом общества, начертанным на гербе, стала латинская фраза Nullius in verba , которая традиционно переводится как «Никому не доверяй на слово».

Общество собиралось еженедельно для обсуждения и анализа работ своих членов. Данный формат имел решающее значение для стимулирования исследований и профессионализации науки, так как Лондонское королевское общество фактически направляло процесс распространения и защиты научной информации. Можно было сосредоточиться на исследовании какой-либо определенной темы, а результаты сообщать в письмах обществу. Эти письма публиковались в издании, которое первоначально именовалось «Перепиской» общества, а позднее стало называться Philosophical Transactions («Философскими сообщениями»), сделавшись предтечей современного толстого научного журнала. Очень немногие из членов Лондонского королевского общества прежде слышали о Ньютоне, однако его телескоп стал сенсацией. Всего лишь шести футов в длину, он был очень хитроумно сконструирован и изготовлен с величайшей тщательностью. По своим характеристикам он не уступал многим телескопам гораздо большего размера. Несколько членов общества уже пытались изготавливать собственные телескопы, и потому они почти сразу же пригласили Ньютона в свои ряды.

Первым официальным материалом, направленным Ньютоном в общество, как раз и стало письмо, в котором содержалось самонадеянное обещание Ольденбургу сообщить новости о «самом странном философском открытии, которое до сей поры совершалось в сфере действий природы». Это послание часто цитируют в качестве шедевра научной литературы и образца научного текста. В нем дается не только великолепное описание самого «решающего эксперимента», но и того мыслительного процесса, который к нему привел. А от проницательного читателя, умеющего читать между строк, не ускользнет и то наслаждение, которое Ньютон испытывал в ходе исследований и которое сумел передать в письме. Послание начинается так:

«Чтобы исполнить свое обещание Вам, я без дальнейшей церемонии ставлю Вас в известность, что в году 1666… я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ее помощью исследовать прославленные „явления цвета“. С этим намерением я погрузил свою комнату в полную темноту, а в оконных ставнях проделал крошечную дырочку, дабы через нее проникало нужное количество солнечного света; я поместил свою призму у самого отверстия, чтобы лучи света преломлялись на противоположную стену. Поначалу для меня было довольно приятным развлечением разглядывать яркие и насыщенные краски, полученные таким образом»53.