Оптика Ньютона

В первые годы своей научной карьеры Ньютон, казалось, склонялся к волновой теории света. В докладе от 1672 г. он  говорит: "Наибольшие колебания эфира дают ощущение красного цвета, наименьшие и наиболее короткие — фиолетового, а промежуточные — промежуточных цветов".

Но последующие размышления не только не утвердили его в этом мнении, а все больше отталкивали его от этой точки зрения, пока он не превратился в одного из наиболее решительных противников волновой теории. Причины этого хорошо известны, поскольку он сам сформулировал их четко и ясно в вопросе 28. Главной причиной является несовместимость, по мнению Ньютона, прямолинейного распространения света с его волновым характером: "Если бы свет состоял в давлении или движении, распространяющихся в жидкой среде мгновенно или во времени, он должен был бы загибаться внутрь тени" так же, как загибаются волны на воде за препятствием, как звук колокола проникает за холм. "Но относительно света неизвестно ни одного случая, чтобы он распространялся по извилистым проходам или загибался внутрь  тени".

Ньютону обычно ставят в упрек, что он не понял значения опытов Гримальди, которые как раз и показывают отклонение света за препятствием. Но при этом забывают добавить, что в то время и Гук, и Гюйгенс, создатели волновой теории, тоже не понимали, что дифракция представляет собой явление отклонения света.

Ньютоновская модель света, как она следует из "Оптики", и в частности из последних "Вопросов",— весьма сложная, во многих пунктах запутанная и противоречивая. Физики XVIII века стилизовали ее, частично исказили, сохранив лишь основную идею: свет, по Ньютону, состоит из мельчайших корпускул, вылетающих с громадной скоростью из источника света по всем направлениям и движущихся прямолинейно со скоростью тем большей, чем больше плотность среды. Иногда проявляется притяжение корпускул к обычной материи. Первый вопрос Ньютона гласит: "Не действуют ли тела на свет на расстоянии и не изгибают ли этим действием его лучей; и не будет ли caeteris paribus это действие сильнее всего на наименьшем расстоянии?".

Размер корпускул для разных цветов различен: более крупные, попадая на дно глаза, возбуждают там колебания, распространяющиеся к мозгу вдоль зрительных нервов, вызывая ощущение красного цвета, а более мелкие вызывают ощущение фиолетового цвета. Но различные цветовые ощущения обусловлены не непосредственно различной величиной корпускул,  а различной частотой колебаний, вызываемых ими в зрительном нерве. Во время прямолинейного полета в каждой корпускуле что-то колеблется: может, это внутреннее, присущее ей колебание, а может быть, оно обусловлено колебаниями материальных частиц, которые эта же частица вызвала на расстоянии. Эти колебания передаются эфиру, заполняющему всю Вселенную и пронизывающему все тела, причем его плотность в разных телах различна и максимальна в пустоте. Таким образом получаются эфирные волны. Когда световая корпускула приближается к преломляющей поверхности, на нее воздействует ею же созданная волна, вызывающая в ней периодические приступы легкого прохождения и легкого отражения. Однако в противовес этой волновой трактовке в вопросах 25—28 Ньютон приводит одно соображение за другим, чтобы опровергнуть существование эфира, привлекая даже (что вовсе на него не похоже) авторитет многих древних философов.

Этого, по-видимому, достаточно, чтобы составить себе представление о сложности и громоздкости теории Ньютона, не вникая более детально в другие странные свойства этих корпускул, приписанные им для объяснения того или иного частного явления. Если даже согласиться, что в механике Ньютон гипотез не выдвигает, в оптике он отыгрывается за это вдесятеро!

ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ

В кратком предисловии к своему "Traite de la lumiere" ("Трактат о свете"), изданном в Лейдене в 1690 г., Христиан Гюйгенс пишет, что закончил этот трактат еще в 1678 г. и в том же году представил его Парижской Академии наук. Он не публиковал его раньше из-за плохого французского языка, на котором был написан трактат, надеясь перевести его на латинский (и действительно, среди бумаг Гюйгенса найден перевод первых страниц) и опубликовать вместе с трактатом по инструментальной оптике. Видя, однако, что эти намерения остаются нереализованными, Гюйгенс решил опубликовать работу в том виде, в каком она есть, чтобы она вообще не пропала.

Как мы уже видели выше, в 1678 г. появились фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в "Оптику". Мышление Гюйгенса находится под воздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к выводу, что "...явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо физического механизма".

Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать вопроса о цветах в своем трактате.

Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном собрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматривается прямолинейное распространение света, во второй — отражение, в третьей — преломление, в четвертой — атмосферная рефракция, в пятой — двойное лучепреломление и в шестой — формы линз.

Работа начинается с критики предшествовавших теорий Декарта, Гримальди и Ньютона. Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть, чтобы два пересекающихся пучка лучей, т. е. два потока частиц, не возмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточно вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т. е. от тел, находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный зеркалом, способен сжигать предметы, т. е. разъединять их части, "что служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной  философии"; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что распространение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит Гюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу: "Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества".

Увы, нельзя сказать, чтобы аргументы Гюйгенса были очень убедительны!

Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установив параллель между звуком и светом,  Гюйгенс замечает, что этой средой не может служить воздух, поскольку опыты с пневматической машиной показали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, и постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что она не проявляет никаких свойств тяжести, но очень жесткая и очень упругая. Как видно, Декарт нашел достойного последователя!

Приняв существование такого странного вещества, Гюйгенс рассматривает механизм распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка пламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна, становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом, это движение распространяется от частицы к частице через посредство вторичных сферических волн, подобно тому как распространяется пожар. Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразное движение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способно распространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас от звезд. На это Гюйгенс отвечает: "Но это перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих, правда, из различных точек светящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой".

Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавший бессмертным имя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, точно таким же, какие мог видеть читатель чуть ли не в каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании исчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона. Лейбниц сразу понял значение новой концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1694 г.: "Безусловно, господин Гук и патер Пардиз никогда бы не пришли к объяснению законов преломления с помощью построенной ими картины волновых движений. Вся суть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как излучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательными волнами".

К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное интуитивное представление о прямолинейном распространении света. Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствием распространяющиеся там элементарные волны не имеют огибающей и потому остаются незаметными, и делает вывод: "В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии".

Однако это утверждение остается голословным, так что его можно с равным правом принять или отвергнуть.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма  частичного   отражения,   преломления  и  полного  внутреннего   отражения — явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию, нагромождая одну гипотезу на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со здравым смыслом требовала меньшей скорости в более плотной среде.

Показав, что предложенный им колебательный механизм приводит к принципу Ферма (причем даваемое им доказательство значительно проще, чем у Ферма), и рассмотрев в четвертой главе атмосферную рефракцию, Гюйгенс переходит к пятой главе, которую все, начиная с Лейбница, всегда считали самой изумительной частью его трактата. Здесь Гюйгенс рассматривает явление двойного лучепреломления, которое он обнаружил также и в кварце. Он измерил с очень большой точностью геометрические характеристики исландского шпата, определил по ним главное сечение и ось кристалла (эти термины, введенные им, остались до сих пор в науке) и нашел, что показатель преломления необыкновенного луча меняется в зависимости от положения плоскости и от значения угла падения.

В шпате или в кварце имеются две преломленные волны. Отсюда Гюйгенс заключает, что им соответствуют две различные скорости распространения. Та, что соответствует обыкновенной волне, одинакова по всем направлениям в кристалле и приводит поэтому к сферической форме огибающих волн. Скорость необыкновенной волны зависит от направления, так что эта волна не является сферической. Гюйгенс считает ее эллипсоидальной и вычисляет в этом предположении поведение необыкновенного луча при различных условиях падения, получив при этом результаты, удивительно согласующиеся с опытом. Это согласие представлялось ему триумфом его теории.

Однако Гюйгенс здесь несколько поспешил. Увлеченный, по-видимому, аналогией между звуком и светом, из которой он исходил, Гюйгенс считал колебания эфира продольными, хотя Гримальди и Гук уже выдвигали предположения о поперечности этих колебаний. Если принять предположение о продольности колебаний, то некоторые особенности этого явления не поддаются волновому объяснению, в частности поведение лучей света при прохождении двух кристаллов с параллельными главными сечениями. Гюйгенс, чувствуя этот недостаток своей теории, признает, что не знает, как его восполнить удовлетворительным образом, и полагается на будущее: "...Скажу еще об одном удивительном явлении, которое обнаружили после того, как было написано все предыдущее. Хотя я еще до сих пор не нашел его причины, все же я хочу указать на него, чтобы предоставить возможность другим отыскать эту причину. По-видимому, нужно принять еще другие предположения сверх сделанных мною, хотя последние и сохраняют все свое правдоподобие, будучи подтвержденными   столькими доказательствами".

Составитель проф. А. Т. Ильичев