Дмитрий Калюжный - Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона

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.

История астрономии

Итак, если угодно, предположим, что вся материя, из которой Бог создал видимый мир, была сначала разделена им на части, сколь возможно равные между собой и притом умеренной величины, т. е. средней между различными величинами тех, что ныне составляют небо и звезды. Предположим, наконец, что все они стали двигаться с равной силой двумя различными способами, а именно каждая вокруг своего собственного центра, образовав этим путем жидкое тело, каковым я полагаю небо; кроме того, некоторые двигались совместно вокруг нескольких центров, расположенных в универсуме так, как в настоящее время расположены центры неподвижных звезд; скорость, с которой они были движимы, была умеренная, иначе говоря, Бог вложил в них все движение, имеющееся в мире и ныне.

Астрономия возникла в глубокой древности. Сначала, может быть, на небо смотрели без интереса, но в некий момент люди стали искать в небесных явлениях какой-либо смысл. А кстати, расширение кругозора за счет вовлечения в разговор звездных событий способствовало развитию речи. И практический смысл тоже был: наблюдая за небесными светилами, можно определять направления как на суше, так и на море, а запоминание небесных явлений, происходящих периодически, привело к началу измерения времени и установлению системы календаря.

Так стало возможным предвидение сезонных явлений, что оказалось важным для практической деятельности, и в результате астрономия с самого начала своего развития приобрела религиозный и прикладной характер. Первые «каменные календари», где отмечались точки восхода и захода Солнца в дни равноденствий и солнцестояний, датируются каменным веком (Стоунхендж в Англии, «каменные сундуки» в Хакасии, «обсерватории» в Армении и т. д.).

Большое количество текстов, посвященных астрономическим наблюдениям, найдено в Египте, где по наблюдениям звезд определяли периоды весенних разливов Нила, обусловливавших сроки земледельческих работ.

Китайские авторы относят возникновение астрономии как науки ко второму тысячелетию до нашей эры. Однако в Китае нет астрономических документов того времени. Астрономические знания Китая дошли до нас в очень неполном и часто искаженном виде. Они состояли в определении времени и положения среди звезд точек равноденствий и солнцестояний и наклонения эклиптики к экватору.

В Аравии, где из-за дневной жары многие работы совершались по ночам, существенную роль играли наблюдения фаз Луны.

В Византии, где было развито мореплавание, и вопросы ориентирования были крайне актуальными, в особенности до изобретения компаса, получили развитие способы ориентирования по звездам.