Оптика занимает особое место в науке хотя бы потому, что «свет» — понятие и макроскопическое и микроскопическое, интересы оптики, ее методы простираются от мегамира до микромира, от Вселенной до микрочастиц, а научные выводы, полученные или при изучении оптических явлений, или с помощью оптических методов и средств, не раз меняли представления об устройстве мира, то есть имели и имеют мировоззренческий характер. Даже на первых этапах развития науки, в эпохи мифологии и философии, еще до возникновения инструментальной оптики представление о свете, зрении, Солнце играли весомую роль в формировании мировоззрения. Существовала мифологическая, фантастическая «оптика», в которой обожествлялось Солнце, смешивались понятия зрения и света. Тождественность представлений о свете и зрении сохранялась вплоть до XVII в. На фоне выдающихся успехов науки в таких областях, как геодезия, астрономия, математика, механика учение о свете было, по современным понятиям, нелепым. Это может быть объяснено в определенной мере отсутствием оптических инструментов, дающих изображения предметов. Первой оптической системой, «отделившей» свет от зрения, стала камера-обскура, о которой мы уже упоминали. Изображение, даваемое камерой, существовало отдельно от глаза. Как только появились оптические системы, создающие изображение, оптика как наука о зрении (в первородном смысле) стала превращаться в науку о свете, или, в более широком понимании, науку об излучении, его распространении и взаимодействии с веществом. В технике возникает оптическое приборостроение, и по сей день создающее условия для развития многих отраслей науки и техники. Оптические эксперименты поставили на новом уровне теоретические проблемы в области оптики, важнейшими из которых являются проблемы природы света и скорости его распространения. В постановке и решении этих проблем видное место принадлежит Франческо Гримальди (1618—1663), Олафу Ремеру (1644—1710), Христиану Гюйгенсу (1629—1695), Роберту Гуку (1635-1703). В ряду достижений оптики XVII в. ярким событием явилось открытие дифракции, принадлежащее итальянскому ученому Гримальди. Франческо Мария Гримальди родился в семье торговца шелком. С юных лет Гримальди вступил в орден иезуитов и на протяжении многих лет учился в нескольких иезуитских школах и университетах Италии, а затем сам преподавал в иезуитской коллегии в Болонье математику и филисофию. В 1647 г. Гримальди получил степень доктора философии, а в 1651 г. принял сан священника. К вопросам оптики Гримальди пришел от астрономии, которой занимался под влиянием известного итальянского астронома Дж. Риччиолли. Гримальди оказывал ему помощь в подготовке к изданию книги «Новый Альмагест». Основное научное сочинение Гримальди, которому он посвятил последние годы жизни, было опубликовано посмертно в 1665 году. Книга под названием «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» начинается с 102 5. Начало эпохи науки заявления об открытии дифракции — отклонения света, нарушения прямолинейности его распространения при взаимодействии с препятствием, например при прохождении через малые отверстия. Термин «дифракция» введен самим Гримальди и используется по сей день. Явление дифракции было открыто Гримальди при проведении экспериментов с узкими пучками лучей (см. рис. 1.5). Через щель CD в пластинке АВ проходит пучок лучей — солнечный свет. На пути пучков, прошедших через щель CD, расположена другая щель GH в пластинке EF. Оказалось, что лучи, про- Рис. 1.5. Схема опыта Гримальди по дифракции шедшие GH, образуют конус, основание которого IK заметно больше, чем это должно следовать из геометрических построений (конусы NDM и LCO). Кроме того, края световых пятен, наблюдаемых на экране, оказались окрашенными, по описанию Гримальди, в красные и голубоватые цвета, тогда как центральное пятно было белым, «залитым чистым светом». Гримальди объясняет это явление образованием за препятствием волн в световом флюиде, отклоняющихся за отверстием. Долгое время вопрос о скорости света оставался открытым. Замечательным событием в изучении этого вопроса стала дискуссия Р. Декарта и П. Ферма, приведшая Ферма к формулировке принципа «наименьшего времени» при распространеии света. Ферма придерживался мнения о мгновенности распространения света, но искал зерно истины в метафизическом утверждении, известном еще со времен античности, что природа всегда действует по кратчайшему пути. Но что такое кратчайший путь? Как оказалось, это не самый близкий, не самый легкий, не путь с наименьшим сопротивлением, а путь с кратчайшим временем. Этот принцип известен как «принцип Ферма». Приняв гипотезу о конечности скорости света и ее зависимости от свойств среды, соединив эту гипотезу с принципом кратчайшего времени, Ферма получил, к своему удивлению, закон преломления, совпадавший с законом Декарта. Ферма дал и обратную формулировку этого закона, по которой если преломление подчиняется закону Декарта и если показатель преломления равен отношению скоростей света в первой и второй среде, то свет при распространении из одной среды в другую следует по пути, при котором время распространения является наименьшим. Имя Пьера Ферма (1601 —1665) известно также в связи с его теоремой, доказать которую до сих пор не удается. По профессии Ферма был юристом, работал адвокатом в Тулузе, советником парламента, и математика для него была желанным увлечением. Он любил читать сочинения древних ученых. На полях «Арифметики» Диофанта Александрийского Ферма написал, что 103 Раздел I. История науки в доклассический период нельзя решить уравнение xn + yn = z", где п — целое число больше 2. Ферма пишет: «Я нашел удивительное доказательство этого предположения, но здесь слишком мало места, чтобы его поместить». Несмотря на усилия выдающихся математиков, доказательство утверждения Ферма в общем виде не найдено, но получено лишь для некоторых частных случаев. Вернемся к проблеме скорости света. С помощью экспериментальной техники того времени измерение скорости света было невозможным. Поэтому естественным было использование астрономических наблюдений, то есть наблюдений Пьер Ферма на расстояниях, при которых время распространения света становится доступным для измерения. Доказательство конечности скорости света принадлежит датскому ученому Олафу Ремеру. Ремер родился в Ааргузе в семье купца. Учился в Копенгагенском университете, изучал медицину, физику, астрономию. В 1671 г. Ремер принял приглашение работать в Парижской обсерватории. В Париже он принимает активное участие в решении ряда технических проблем, в проведении точнейших астрономических наблюдений. Интересно отметить, что он обучал математике наследника французского престола. Именно Здесь, В Париже, Ремер доказал конечность СКО- Христиан Гюйгенс рости света при наблюдении за одним из спутников Юпитера. Схема наблюдений показана (см. рис. 1.6). Пусть А — Солнце, В — Юпитер, D и С — положения спутника Юпитера Ио, входящего в тень в т. С и выходящего из тени в т. D; К, L, G, F — точки наблюдения с Земной орбиты, ЕН — диаметр Земной орбиты, проходящей через Солнце. Когда Земля удаляется от орбиты Юпитера, перемещаясь из т. L в т. К, момент выхода из тени спутника в т. D будет отсрочен на время распространения излучения от т. L к т. К И, напротив, при перемещении из т. F к т. G момент выхода из тени будет на этот же интервал приближен. По подсчетам Ремера, необходимо 22 минуты для прохождения интервала ЕН, равного диаметру орбиты Земли (современное значение 16 мин. 36 сек.). Свою теорию Ремер представил Парижской Академии наук, но эта теория встретила в академической среде, где господствовало картезианство, сильное сопротивление. Однако большинство крупных ученых того времени, среди которых И. Ньютон, X. Гюйгенс, Г.В. Лейбниц разделяли взгляды Ремера. После возвращения на родину Ремер создал первоклассную обсерваторию, усовершенствовал ряд астрономических приборов, оснастивших лабораторию. В конце жизни Ремер много сил и времени отдавал государственным делам, будучи главой Государственного Совета. 104 5. Начало эпохи науки D Рис 1 6 Схема наблюдения Ремера за спутником Юпитера Выдающийся вклад в развитие теоретической оптики, в теорию света был сделан голландским ученым Христианом Гюйгенсом, чье имя увековечено наименованием одного из основополагающих принципов оптической теории — «принципа Гюйгенса». X. Гюйгенс родился в Гааге в знатной и богатой семье. Математика и физика увлекали Христиана с детства, однако он получил юридическое образование в Лейденском и Бредском университетах. Математикой Гюйгенс, видимо, занимался самостоятельно. Его наставником в этом деле был известный голландский математик того времени Ван-Шотен. В 1651 году, когда Гюйгенсу было всего 22 года, он написал свой первый трактат по математике «Теоремы о квадратуре гиперболы эллипса и круга и центра тяжести их частей». После окончания университета Гюйгенс занимается дипломатической работой, затем едет во Францию, поступает в Анжерский протестантский университет, получает диплом доктора права. Но, возвратившись в Голландию, он перестает заниматься юриспруденцией и целиком посвящает себя астрономии, механике, математике и оптике. Написанный им в 1657 г. трактат «О расчетах при азартной игре» стал одной из первых работ по зарождавшейся теории вероятностей. На протяжении всей жизни Гюйгенс занимался изготовлением оптических сие гем. Страсть к шлифовке стекол пришла к нему еще в молодости. Гюйгенс изобрел шлифовальный станок для изготовления линз и создал зрительные трубы хорошего качества, позволившие ему открыть «кольцо Сатурна». В своих зрительных трубах, имевших большое увеличение, Гюйгенс применил схему окуляра, который теперь носит его имя — «окуляр Гюйгенса». Чтобы объявить о своем открытии кольца, или, как он полагал, спутника («луны») Сатурна, Гюйгенс, согласно тогдашнему обычаю, послал к известным астрономам загадку (анаграмму), составленную из букв, которые образовывали следующую фразу: Saturno luna circumducitur diebus sexdecim, horas quatuor, то есть: «Сатурн сопровождается луной, которая обращается вокруг него в шестнадцать дней и четыре часа». Он вырезал на объективе своей подзорной трубы эту загадку и слова, служившие ей отгадкой. 105 Раздел I. История науки в доклассический период Кроме кольца Сатурна Гюйгенс обнаружил «шапки» на Марсе, туманности в созвездии Ориона, полосы на Юпитере. Астрономические наблюдения требовали точных приборов для измерения времени. Хорошие часы нужны были и голландским морякам. Гюйгенс в связи с этим изобретает часы с маятником (патент от 1657г.). Идея часов с маятником принадлежит, как мы уже упоминали, Галилею, но реализовать ее удалось Гюйгенсу. Историки считают, что Гюйгенс пришел к своему изобретению независимо от Галилея. В трактате «Маятниковые часы» (1658г.) Гюйгенс изложил теорию математических и физических маятников, дал формулу для расчета периода колебаний маятника. Астрономические исследования Гюйгенса и изобретение маятниковых часов сделали его имя известным по всей Европе. В 1663 г. Гюйгенс был избран первым иностранным членом Лондонского Королевского общества, а в 1665 г. его приглашают в Париж в качестве почетного члена Академии наук Франции. В Париже Гюйгенс пробыл 16 лет (1665—1681 гг.). Франция стала его второй родиной. Здесь он завязывает международные научные связи, поддерживает контакты с Бойлем, Гуком, Ньютоном, Лейбницем. В связи с начавшимися во Франции враждебными действиями католиков против протестантов (Гюйгенс был протестантом), он уезжает на родину, несмотря на уговоры Людовика XIV остаться. Гюйгенс считал себя в науке продолжателем Галилея и Торричелли, теории которых он, по его собственному выражению, «подтверждал и обобщал». Шедевром Гюйгенса в области механики является его произведение «Качающиеся часы, или о движении маятника». В этой работе, опубликованной в 1673 г., приводится описание маятниковых часов, движения тел по циклоиде, развертка и определение длин кривых линий, определение центра колебаний, описание устройства часов с круговым маятником, изложение теоремы о центробежной силе. С 1659 г. Гюйгенс работал над трактатом «О центробежной силе», опубликованном посмертно в 1703 г. В нем Гюйгенс изложил законы, определяющие центробежную силу. Идея о центробежной силе впервые четко выражена Гюйгенсом в его письме к секретарю Лондонского Королевского общества от 4 сентября 1669 г. Эта идея была зашифрована в виде анаграммы. Вывод формулы для центробежной силы имел огромное значение в развитии механики. Когда Ньютона спрашивали, что нужно прочесть, чтобы понимать его работы, он прежде всего указывал на сочинения Гюйгенса. Большое значение в развитии динамики имеет труд Гюйгенса «О движении тел под влиянием удара», законченный в 1656 г, но опубликованный в 1700 г. Гюйгенс рассматривает задачи об упругом соударении тел на основе трех принципов — принципа инерции, принципа относительности и принципа сохранения суммы произведений каждого «тела» на квадрат его скорости до и после удара — эту величину Лейбниц назвал «живой силой» и противопоставил «мертвой силе», или потенциальной энергии. «Живая сила», как мы теперь знаем, отражает кинетическую энергию, формула для 106 5. Начало эпохи науки расчета которой была получена Густавом Корио- лисом (1792-1843). Формула Кориолиса, которая отличается от формулы «живой силы» Гюйгенса и Лейбница множителем 1/2. Начиная примерно с 1675 г., Гюйгенс целиком занят проблемами оптики. Его работы в этой области обобщены в «Трактате о свете», изданном в Лейдене (1690 г.). В нем он впервые изложил стройную волновую теорию света. Трактат состоит из 6 глав, в которых последовательно рассматривается прямолинейность распространения света, отражение, преломление, атмосферная рефракция, двойное лучепреломление и, наконец, форма линз. Критикуя позиции сторонников корпускулярной теории (в част- Рис. 1.7. Принцип Гюйгенса ности, невозможность объяснить с помощью этой на примере свечи теории, почему пересекающиеся пучки лучей не взаимодействуют, если они состоят из отдельных частиц), Гюйгенс приходит к выводу: «Нельзя сомневаться, что свет состоит в движении какого-то вещества». Гюйгенс, приняв за аксиому существование этого гипотетического вещества, рассматривает механизм распространения света. Гюйгенс выдвинул принцип волнового распространения света, заключающийся в том, что каждая точка среды распространения света, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Этот принцип, носящий имя Гюйгенса, рассмотрен им на примере пламени свечи (см. рис. 1.7). Точки А, В, С пламени сообщают движение окружающей среде — эфиру, то есть создают волну. В свою очередь каждая точка эфира, как только до нее находит возмущение, сама становится центром новой волны. Таким образом, волновое движение распространяется от точки к точке. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность — волновой фронт. Предложенный Гюйгенсом принцип формирования волнового фронта позволил блестяще объяснить законы отражения и преломления, при этом принцип Гюйгенса приводит к принципу Ферма, но доказательство Гюйгенса значительно проще. Уязвимым местом теории распространения света Гюйгенса явилось не вполне удовлетворительное объяснение прямолинейности распространения света. Это объяснение Гюйгенс делает по аналогии с упругим ударом о группу шаров. Он пишет: «Если взять огромное количество одинаковых по величине шаров из очень твердого вещества, расположить их по прямой линии так, чтобы они соприкасались друг с другом, то всякий раз, как такой шар ударит первый из них, движение распространится в одно мгновение к последующему шару, который отделится от ряда так, что никто не заметит, как другие шары также пришли в движение, а тот, который произвел удар, останется неподвижным... Таким образом, обнаруживается передача движения с необыкновенной скоростью, которая тем больше, чем тверже вещество шаров». 107 Раздел I. История науки в доклассический период Для того, чтобы такой механизм передачи возмущений в эфире был реализуем, эфир необходимо наделить абсолютной твердостью и одновременно свойством проникновения во все тела. При выдвижении своего принципа Гюйгенс исходил из аналогии со звуком и считал волновые колебания эфира продольными, то есть совпадающими по направлению с распространением волны. Но если принять характер колебания эфира продольным, то ряд эффектов, возникающих в двулучепреломляющих кристаллах, не поддаются объяснению. Как мы видим, в оптике XVII века господствовали механические представления. Физики того времени, как правило, были одновременно механиками и оптиками. Особенно это характерно для творчества Роберта Гука — величайшего английского физика. Гук вышел из семьи духовенства. Его отец хотел видеть Роберта пастором, но уже в ранние годы Гук обнаружил замечательные способности к математике и механике и был отдан на обучение к часовому мастеру, а затем в Оксфордский университет. В возрасте 24 лет он работает ассистентом у Бой- ля, а в 1662 г. Гук приглашается на должность «куратора опытов» в Королевское научное общество. Вскоре Гук становится членом Королевского общества, а в 1667 г. — секретарем его. Лондонское Королевское научное общество того времени обсуждало не только теоретические, но и сугубо практические вопросы. Так, например, 18 марта 1663 г. Обществом было одобрено предложение о разведении в Англии картофеля, чтобы «предотвратить в будущем возможность голода». Клубни картофеля были переданы членам общества для разведения, несколько картофелин получил и Гук. После сильнейшего пожара, произошедшего в Лондоне в 1666г., Королевскому обществу было поручено разработать план новой застройки. Свой план представил и Гук, но он не был принят, хотя инспектором застройки стал именно Гук. Лондон восстанавливался по плану замечательного архитектора Рена — создателя знаменитого собора Петра и Павла в Лондоне. Должность инспектора застройки Лондона приносила, по-видимому, немалые доходы. После смерти Гука в 1670 г. в его кабинете был обнаружен железный ящик, в котором содержалось несколько тысяч фунтов стерлингов. Гук оставил неоценимое научное наследие. Имя Гука связано с фундаментальным законом, устанавливающим зависимость между механическими напряжениями в упругом теле и вызываемыми ими деформациями. Этот закон Гук опубликовал в 1678 г. в виде анаграммы из 14 букв, перевести которую можно так: «Какова сила — таково растяжение». Закон Гука является основополагающим в науках о сопротивлении материалов. Гук усовершенствовал многие измерительные приборы: воздушный насос (вместе с Бойлем), барометр с круговой шкалой, анемометр (прибор для измерения силы ветра) и многие другие. 108 5. Начало эпохи науки В области оптики выдающееся значение имеет усовершенствование Туком микроскопа. Изобретение микроскопа приписывают голландскому очковому мастеру Захарию Янсену. Однако для научных исследований микроскоп впервые использовал Гук. Устройство микроскопа описано им в книге «Микрография» (1665г.). С помощью микроскопа Гук увидел клетки тканей организмов. Само слово «клетка» введено именно Гуком. Значение «Микрографии» Гука далеко выходит за пределы проблем, связанных с микроскопом. Гук излагает в этой, получившей особую известность книге, свои представления о природе света, опыты по определению упругости воздуха, астрономические наблюдения, наблюдения тонких слоев (мыльные пузыри, масляные пленки и т.п.), помещенных в световой пучок. Гук вплотную приблизился к открытию закона всемирного тяготения. В 1674г. в работе «Попытка доказать движение Земли наблюдениями» Гук выдвинул три важнейших предположения, суть которых в следующем. • Во-первых, существует сила притяжения, которой обладают все небесные тела, и эта сила направлена к центру тела. • Во-вторых, Гук следует Галилею в вопросе о законе инерции. • В-третьих, силы притяжения, по Гуку, увеличиваются по мере приближения к притягивающему телу. В 1679 г. Гук указывал, что если притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния, то формой орбиты планет является эллипс. Это предположение Гук сделал в своем письме к Ньютону в Кембридж и предложил его для обсуждения. В ответном письме Ньютон выразил сожаление, что в его возрасте (Ньютону было тогда 37 лет) трудно заниматься математикой и его более интересуют средневековые алхимические рецепты изготовления золота. Как выяснилось позднее, Ньютон тогда уже был близок к открытию закона всемирного тяготения или даже открыл его, но не спешил с публикациями. Биографы отмечают неуживчивый характер Р. Гука, его посягательства на научные приоритеты Х.Гюйгенса, Ф. Гримальди, И.Ньютона. Но до своей кончины Гук пользовался глубочайшим уважением ученых Англии и всей Европы.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Оптика и механика. Гримальди. Гюйгенс. Ремер. Гук» з дисципліни «Історія науки»
