Людьми, которые сыграли центральную роль в истории теории света, были Гук, Гюйгенс и Ньютон. Гук и Ньютон были британцами, Гюйгенс — голландцем. Все они сделали замечательные вклады в различные области физики и установили основу современного понимания света, хотя и предложили противоречащие теории. Одна была основана на волновых представлениях, в то время как другая рассматривала свет, состоящим из малых частиц. Эти две теории, которые казались непримиримыми, вызвали яростные дискуссии и споры среди последователей и их сторонников. Были написаны лавины слов об этом споре; мы не станем глубоко вникать в него, но ограничимся наиболее важными фактами.

 

Роберт Гук

Роберт Гук родился во Фрешвотере на острове Уайт в 1635 г. и умер в Лондоне в 1703 г. Он был целеустремленным человеком, который придумал и построил ряд инструментов и устройств: мы обязаны ему, например, новейшим использованием спиральной пружины в балансном механизме часов, что позволило обеспечить точность хода. Он ввел закон пропорциональности между упругими деформациями и силой, который носит его имя, провел ряд астрономических наблюдений и претендовал на результаты некоторых работ Ньютона, касающихся открытия закона всемирного тяготения, о котором, правда, он лишь смутно догадывался.

Благодаря своим тщательнейшим наблюдениям с помощью двадцатиметрового телескопа, колебавшегося даже под слабыми порывами ветра, он был первым, кто описал тень кольца Сатурна, бросаемую на планету, и составил детальные карты лунных кратеров. Он был назначен топографом и архитектором и помогал восстановлению Лондона после великого пожара 1666 г. Он был один из первых, кто явно выразил концепцию вымирания и предположил эволюцию двумя столетиями до Чарлза Дарвина.

Он начал свою научную карьеру в качестве ассистента хорошо известного английского химика Роберта Бойля (1627—1691), который после обучения в Итоне и в Женеве приступил к исследованиям свойств газов и вакуума. В 1658—1659 гг. Гук построил для Бойля вакуумный насос типа того, что в 1650 г. изобрел Отто фон Герике (1602—1686) и помогал Бойлю в демонстрациях, когда тот доказывал, что воздух играет важное значение в распространении звука, а также необходим для дыхания и горения. В тот же самый период Бойль сформулировал знаменитый закон, который в Великобритании носит его имя, а в континентальной Европе часто связывается с Мариоттом, согласно которому произведение давления газа на его объем является постоянным, если, как указал Мариотт, температура постоянна. Бойль настолько ценил Гука, что в 1662 г. назначил его куратором экспериментов в Королевском Обществе для улучшения знаний о природе Английской академии наук, основанном им в 1660 г. вместе с другими английскими учеными под покровительством Карла II. Роль Общества была «улучшать знания о природных вещах» путем наблюдений и экспериментов, а не обращениям к книжным авторитетам: девизом общества было Nullius in Verba («ничего не принимать на слово»). С этой целью Общество назначало куратора экспериментов. В этой роли Гук был обязан, когда бы ни проводилось заседание, выполнить три или четыре эксперимента, даже если заседание проводилось раз в неделю. Эта обязанность была довольно обременительной и обязывающей. Однако он выполнял эти обязанности с большим мастерством в течение многих лет, пока не был назначен секретарем Общества.

В оптике он сделал два важных экспериментальных наблюдения, которые, однако, были предвосхищены другими. Первое открытие, которое он описал в своей Micrographia, опубликованной в 1667 г., содержало детальное наблюдение радужных цветов, которые можно наблюдать, когда свет падает на тонкий слой воздуха между двумя пластинами стекла или линзами, или на любую тонкую пленку прозрачного вещества; это так называемые цвета тонких пластинок или кольца Ньютона, которые уже наблюдались Бойлем и впоследствии, были полностью изучены Ньютоном.

Второе открытие Гука, сделанное после публикации его Micrographia, заключалось в том, что свет в воздухе не распространяется строго вдоль прямой линии, но некоторое освещение можно обнаружить в области геометрической тени непрозрачного предмета. Это явление также уже наблюдалось и было опубликовано в 1665 г. в посмертной работе Франческо Мария Гримальди (1613—1663), итальянского иезуита, который дал этому явлению название «дифракция».

Теоретические исследования Гука природы света имели выдающуюся важность, так как они являлись переходом от картезианской (декартовой) системы к полностью волновой теории. В отличие от Декарта Гук считал, что условие, связанное с испусканием света светящимся телом, заключается в быстрых колебательных движениях очень малой амплитуды. Он писал о распространении света;

«...в Homogeneous medium это движение распространяется единообразно с равной скоростью, независимо от места, каждый импульс или колебание светящегося тела будут порождать сферу, которая станет последовательно увеличиваться, становясь все больше, совершенно таким же образом (хотя и бесконечно быстрее), как волны или круги на поверхности воды расходится вес большими кругами из точки палении камня. Отсюда следует, что все части этих сфер волнообразно распространяются в Homogeneous medium, с образованием лучей под прямыми углами к поверхности сферы».

Рис. 4. Волны на поверхности пруда. Круговая рябь представляет фронты волн. Лучи, перпендикулярные волновым фронтам, показывают направление движения волны

Гук ввел также концепцию «волнового фронта» или место точек, для которого, в каждый момент времени, возмущение (независимо от того, как определяется возмущение), первоначально порождаемое точечным источником, имеет одно и то же значение. Он утверждал, что это сфера, центром которой является точка испускания и радиусы которой соответствуют лучам света, испускаемого источником (рис. 4).

Гук пересмотрел теорию дифракции Декарта и вывел закон дифракции из отклонения волнового фронта. Он предположил, что отклонение волнового фронта ответственно за цвета, которые можно наблюдать, когда пучок белого света проходит через стеклянную призму. Он считал, что белый свет был простейшим типом возмущения, производимого простым и однородным импульсом под прямыми углами к направлению распространения, и предполагал, что цвет образуется за счет искажения этого возмущения во время процесса преломления. Мы увидим, что эта теория была полностью опровергнута через несколько лет после ее публикации.

 

Христиан Гюйгенс

Христиан Гюйгенс, один из основателей механики и физической оптики, родился в Гааге в 1629 г. Он был сыном Константина (1596—1687), известного поэта Возрождения. Первоначально он изучал риторику и юриспруденцию, но, будучи влюблен в науки, он предпочел занятия математикой. В 1655 г. Гюйгенс с помощью своего самодельного мощного телескопа прояснил проблему конфигурации Сатурна, открыв его кольца. Он также открыл один из спутников Сатурна: Титан. Затем он обнаружил, что Луна лишена атмосферы и ее «моря» не имеют воды. Годом позже он написал учебник по расчетам вероятностей, De ratiociniis in ludo aleae, а в следующий год построил маятниковые часы.

В 1665 г. он по приглашению Кольбера, могущественного министра Людовика XIV, переехал в Париж, где в 1666 г. он был выбран членом вновь образованной Королевской Академии Наук, а в 1673 г. опубликовал Horologium oscillatorium. В этой книге вводилось понятие момента инерции, первые теоремы механики твердых тел и теория составного маятника. С помощью этих, а также ранее проведенных исследований упругих столкновений он выразил — хотя и в частном случае — теорему работы и энергии, исследовал вращательное движение, дал фундаментальные теоремы центробежной силы и установил, что ускорение под действием тяжести изменяется как функция высоты, продолжая в этом отношении исследования Г. Борели (1608—1679), и прокладывая путь для Исаака Ньютона.

Из-за жестокой кампании, проводимой Людовиком XIV против Голландии, Гюйгенс в 1681 г. был вынужден покинуть Францию и возвратиться на родину, где он вместе со своим братом занимался изготовлением линз для телескопов. В 1690 г. он опубликовал в Лейдене свою знаменитую книгу Traite de Lumiere, в которой, в противовес теории истечения Ньютона, он поддержал волновую теорию света. Он скончался в Гааге в 1695 г.

Гюйгенс соглашался с Гуком, что свет, по существу, является формой движений. Следовало решить, является ли это движением среды, или сравнимое с полетом стрелы, как это следует из корпускулярной теории. Он решил, что первая альтернатива единственно правильная.

Евангелиста Торричелли (1608—1647) — ученый, который после Галилея занял кафедру математики и философии герцогства Тосканы, — показал, что свет очень быстро распространяется как в воздухе, так и в вакууме. Это дало основание Гюйгенсу полагать, что среда, в которой распространяется свет, должна пронизывать все вещества Вселенной и даже так называемый вакуум. Эту среду он назвал «эфиром». Соответственно свет является возмущением этого эфира, состоящего из упругих колебаний, которые распространяются с большой скоростью в этой высоко упругой и тонкой среде. В 1675 г. датчанин Олаф Рёмер (1644—1710) уже измерил скорость света из астрономических наблюдений, получив значение 214 300 км/с, которое на треть меньше современного значения около 300 000 км/с.

Гюйгенс принимал точку зрения Декарта, согласно которой, каждое явление можно представить как некоторый механический процесс. Упругие явления были хорошо известны к тому времени, в частности, благодаря исследованиям Гука, и если для света нужны были волновые представления, то упругие колебания представлялись вполне уместными. Был уже известен целый ряд примеров упругих колебаний: морские волны — волновое явление колебаний воды; звуковые волны — волновое явление в воздухе, звук скрипичной струны, получаемый благодаря ее колебаниям. Все эти волны являются упругими колебаниями некоторых сред. Принимая, что эфир это среда, в которой распространяется свет, и что свет является волнами, естественно было принять, что он и является упругими колебаниями этого эфира.

При обсуждении волнового процесса распространения Гюйгенс в Traite de la Lumiere ввел знаменитый принцип, носящий его имя, с помощью которого он смог количественно вывести законы отражения и преломления. Затем он дал физическое объяснение изменениям скорости света при его распространении из одной среды в другую, предположив, что прозрачные тела состоят из твердых частиц, которые, взаимодействуя с эфиром, изменяют его упругость.

И Гук, и Гюйгенс предполагали, что свет представляет собой быстрое колебательное движение эфира. Эфир определялся, как особая среда, упругая и с необходимостью твердая, но которая столь тонка (весьма несовместимые свойства), что заполняет все пространство внутри и вне материальных тел. Это колебательное движение может напоминать, как писал Гюйгенс, волны на воде, получающиеся при падении камня.

 

Исаак Ньютон

 

Исаак Ньютон родился в Вулсторпе, Линкольншире, 25 декабря 1642 г. Он, без сомнения, является одним из самых выдающихся исследователей Природы. Его мать принадлежала к умеренной части благородного класса, а отец, который умер до его рождения, был мелким землевладельцем. Его строгое пуританское воспитание, усиливаемое отчужденностью от матери, которая вторично вышла замуж за протестантского священника, а затем восстановленные тесные, нежные отношения с ней, рассматриваются некоторыми биографами в духе фрейдистских интерпретаций, касающихся его нервных срывов, женоненавистничества, и причуд характера.

Он должен был стать мелким землевладельцем, и его обучение должно было ограничится средней школой. Но его замечательная склонность к механическим изобретениям, а также к гуманитарным изучениям в области древнееврейского языка и теологии дали основания его учителям рекомендовать его в Кембриджский университет. Он был принят в Тринити колледж в июне 1661 г., но его мать не оплатила обучение, и он был вынужден поступить в университет на положение subsizar. Так назывались бедные студенты, в которые должны были исполнять обязанности слуг по отношению к старшим студентам. Это тягостное для него положение, сделало его еще более замкнутым по отношению к окружающим его студентам, которые впоследствии, когда он стал знаменитым, не могли вспомнить встречи с ним. Он не выделялся в своих официальных занятиях и не следовал формальному курсу. Как в математике, так и в натуральной философии (физике, говоря современным языком) он был самоучкой, так как в то время обе эти дисциплины преподавались слабо. Механистический мир Декарта и атомистические концепции теолога, математика и астронома Пьера Гассенди (1592—1655), который был профессором Колледж де Франс в Париже, увлекли его, о чем он записал в своей записной книжке, которая в тот период называлась Quaestiones quaedam philosophical. Хотя, по-видимому, он не пришел к определенным заключениям, он явно склонялся к атомизму. Он критиковал теорию света Декарта, основанную на вихрях, отдавая предпочтение корпускулярной теории. С помощью натуральной философии он открыл для себя математику. Возможно, он купил «Геометрию» Эвклида, но прочел лишь первые страницы, находя их очевидными, хотя позднее он сожалел, что не уделил большего внимания тексту.

Чтобы остаться в Кембридже, Ньютону нужно было получить постоянную должность, в 1664 г. при поддержке спонсоров он был назначен преподавателем. Благодаря своему новому положению он получил возможность четыре года проводить исследования, а либерализм в отношении преподавания позволял полностью посвящать себя этим исследованиям. Когда он работал над проблемой, он забывал не только спать, но и есть. В результате, его еда доставалась его кошке или соседям по комнате, которым только и оставалось что изумляться такому поведению.

В то время университет Кембриджа был полон людей, которые заботились не столько о науке, сколько о своем финансовом благополучии; поэтому молодой Ньютон легко проходил ступени академической карьеры: в 1665 г. он получил степень бакалавра искусств, в 1667 г. стал младшим сотрудником, а в 1668 г. — старшим сотрудником и мастером искусств. В 1669 г. его учитель, теолог, эллинист и математик Исаак Барроу (1630— 1670) уступил ему кафедру математики (в настоящее время причины этого не вполне ясны и есть некоторые сомнения, что он так поступил, видя гениальность своего ученика). Эту кафедру Ньютон занимал до 1701 г.

Между 1664 и 1665 г. Ньютон стал наиболее выдающимся математиком своего времени, установив основы исчисления бесконечно малых и получив другие важнейшие результаты в математике.

В возрасте 27 лет он уже был профессором математики в Кембридже и несколько позднее стал членом Королевского Общества. Традиции описывают его как помешанного профессора, постоянно погруженного в трудные проблемы. Рассказывали, что во время Великой Чумы, когда он вынужден был бежать в родную деревню, он, гуляя в саду и видя яблоко, падающее на землю, старался понять, почему Луна не падает на Землю. Эта нить размышлений привела его к открытию закона всемирного тяготения. Его быстрая академическая карьера поддерживалась надежными основами в физике и математике, а также приобретением знаний в гуманитарных дисциплинах при обучении в Кембридже. Его записные книжки дают представления о внимательном чтении Галилея, Декарта, Гассенди и др. Молодой «натуральный философ» считал себя, стоящим «на плечах гигантов», как он выразился однажды. Он смог усвоить все успехи новой науки и с исключительной ясностью разработать принципиальные темы своих великих вкладов в науку. Период 1665—1666 гг. был особенно плодотворен.

Изучая Кеплера, Декарта и Галилея, Ньютон рассматривал все еще нерешенные проблемы коперниковской астрономии и размышлял об атомизме, вакууме и об экспериментальных и математических методах Галилея. Он придал проблеме планетарных орбит, определяемых тремя законами Кеплера, новое теоретическое содержание, отвергая кеплеровскую гипотезу причин небесных движений. В это же время, он дал первую формулировку закона всемирного тяготения, позднее ставшей легендарной в знаменитом анекдоте о яблоке, распространяемом его биографами, и который сам Ньютон любил рассказывать в старости. На самом деле исследования показывают, что формулировка закона всемирного тяготения была дана позднее. Отвечая на вопросы, как он открыл этот закон, он говорил: «Постоянно размышлял об этом». Никакой другой ответ не мог бы лучше характеризовать этого человека, не только подчеркивая его образ жизни, посвященной скорее рассуждениям, чем действиями, но также давая понимание его рабочей методологии.

Рис. 5. Это представление эксперимента Ньютона с призмой. Пучок солнечного света OF после прохождения маленького круглого отверстия F преломляется призмой АαВβCχ и изображается в виде спектра PYTZ на противоположной стене

В то же время он сконструировал первый телескоп-рефлектор, Сам изготовил зеркало путем плавления особого сплава и производя шлифовку и полировку. Он также решил проблему состава белого света путем постановки знаменитых экспериментов по дисперсии, выполненных со стеклянной призмой. Такие эксперименты были обычными для ученых в оптике того времени, но только Ньютон смог выполнить их на уровне точных математических методов. В 1666 г., когда он был еще студентом Тринити Колледжа в Кембридже, он взял стеклянную призму, «чтобы испытать с ней знаменитые Явления Цветов» (рис. 5). Он писал:

«находясь в темной комнате и сделав малое отверстие в ставне, чтобы пропустить достаточно света Солнца, я разместил мою призму так, чтобы свет мог быть преломлен к противоположной стене. Первым очень приятным ощущением было увидеть яркие и интенсивные цвета, полученные в результате этого; но после более внимательного рассмотрения я к своему удивлению обнаружил, что они имеют вытянутую форму, хотя по закону преломления они должны были бы иметь круглую форму».

Тонкий луч солнечного света, который проходил через круглое отверстие, сделанное Ньютоном, имел круглое сечение, и согласно закону Снеллиуса должен был бы лишь смещаться, но не изменять свою форму.

 

Ньютон и свет

Ньютон сообщает нам, что, начав изучать это странное явление и вычисляя отношения между углом падения белого света на призму и углами преломления цветных лучей, выходящих из нее, сразу же обнаружил, что это отношение различно для разных цветов. Повторяя эксперимент и вводя вторую призму, он отметил, что каждый из основных цветов имеет свое отношение. Он заключил, что белый свет является «неопределенной совокупностью различных цветных лучей».

При описании этого эксперимента Ньютон совершает мистификацию; ключевой эксперимент (experimentum cruris, как его называет Ньютон), на котором он так сильно настаивает, был в значительной степени вымыслом, придуманным позднее для объяснений его рассуждений. На самом деле мы знаем, что Ньютон пришел к своим результатам более сложным путем, который мы не станем прослеживать.

В заключение мы можем согласиться с Ньютоном, что угол преломления зависит от цвета света и что белый свет Солнца является таковым из-за того, что он содержит все цвета, и может быть разложен на свои разные цвета путем преломления, совершаемого призмой. Поскольку, как мы указывали ранее, угол преломления зависит от скорости распространения света, можем также сказать, что результаты Ньютона означают, что скорость распространения зависит от цвета света.

В настоящее время для явления, согласно которому скорость распространения света зависит от его цвета, принято название «дисперсия света», а «дисперсионная сила» описывает способность конкретного материала разлагать свет на различные цвета, наблюдаемые на экране, с помощью преломления в призме. Причина, почему свет каждого цвета распространяется с разной скоростью в одном и том же веществе, оставалась тайной вплоть до начала 20 столетия.

Преодолев свое странное нежелание публиковать свои открытия, Ньютон, обнародовал свои заключения в 1672 г., отправив письмо в Королевское Общество, и мы полагаем, что будет интересно вспомнить, как это случилось. Теория цветов, изложенная Робертом Гуком в Micrographia, не удовлетворяла Ньютона. Гук утверждал, что «синий цвет света получается из-за ощущений на сетчатке с помощью сложного импульса, чья слабая часть предшествует отстающей более сильной части», а красный получается из-за сложного импульса противоположного порядка. Ньютон в своей книге Quaestiones сразу же опроверг эти два фундаментальных предположения Гука и провел эксперименты, которые мы уже описали. Эти эксперименты показали, что белый свет является некоторой суммой цветных лучей, которые разбрасываются путем преломления в призме. Позднее он обнаружил, что этот результат имеет важное практическое значение. При работе с телескопами было установлено, что сферические линзы не отклоняют параллельные лучи, идущие от звезд, таким образом, чтобы собрать их в совершенный фокус (т.е. в точку). В своей работе Dioptrique Декарт показал, что линзы эллиптической или гиперболической формы могут, в согласии с законом преломления, собирать преломленные параллельные лучи в совершенный фокус (т.е. в точку). Ньютон начал исследовать, как можно было бы изготовить такие поверхности, и обнаружил, что получается окрашенное изображение (сегодня этот дефект называется «хроматическая аберрация») из-за того, что синие лучи отклоняются сильнее, чем красные. Тогда он прекратил свою работу по несферическим линзам и никогда не возвращался к ней, решив построить отражательный телескоп, в котором увеличенное изображение получалось за счет использования вогнутых зеркал вместо линз, используемых в телескопе Галилея. Этот телескоп Ньютона имел увеличение в 40 крат. Позднее он построил второй телескоп с увеличением 150 и демонстрировал его в Кембридже. Сведения об этом дошли до Королевского Общества, которое просило ознакомиться с телескопом и в конце 1672 г. получило его от Барроу. Телескоп произвел такую сенсацию, что в январе 1672 г. Генри Олденбург, секретарь Королевского Общества, писал Ньютону, превознося его изобретение и заявляя, что Общество хотело бы послать чертеж Гюйгенсу, чтобы предотвратить присвоение другими людьми идеи Ньютона. Ньютон дал свое согласие и 6 февраля отправил в Общество доклад о своей теории цветов, в котором объяснял, как эта теория привела его к изобретению отражательного телескопа.

Вначале он не формулировал каких бы то ни было гипотез по теории света, но позднее, под влиянием критики Гука, Гюйгенса и др., на которую резко реагировал, вынужден был обозначить свою позицию. В своей работе, Royal Society Philophical Transactions, он принимал во внимание противников своей корпускулярной гипотезы природы света, не исключающей, однако, волновой альтернативы. Резкое противодействие Гука, продолжающееся в течение многих лет, привело к тому, что он долго ничего не публиковал по оптике. Так работа Гука Opticks была опубликована только в 1704 г., после его смерти.

В то время когда он был назначен профессором в Кембридже осенью 1669 г., Ньютон выбрал темой своих инагурационных лекций, прочитанных между 1670 и 1672 гг., теорию цветов и преломлений, которую он разработал в предыдущие пять лет. Эти Lectiones opticae, написанные на латыни, стали первым физическим трактатом и наиболее исчерпывающим изложением его теории цветов. Эти лекции были использованы как основа для его первой книги Opticks, написанной 20 годами позднее. Сравнивая Lectiones с Optics, мы можем проследить эволюцию взглядов Ньютона. В своих Lectiones Ньютон старался развить математическую науку цветов, в то время, как он сам провозглашал, Optics является экспериментальным учебником: «Мой замысел этой Книги не объяснять свойства света гипотезами, а выдвинуть предположения и проверить их здравым смыслом и экспериментами».

 

Великая революция Ньютона в физике

Позднее, в 1679 г., Ньютон продолжил свои исследования тел, подверженных действию гравитационных сил, и полностью решил эту проблему. Фактически интуитивные предположение сделанные им в 1666 г., не были полностью разработаны, поскольку он не располагал точными измерениями относительно Земли, из которых можно было рассчитать притяжение между Землей и Луной. После того как француз Жан Пикар (1620—1682) измерил длину меридиана между Амьеном и Мальвузином (1669—1670), что позволило точно оценить радиус Земли, Ньютон смог вернуться к своим первоначальным идеям, найдя прекрасное подтверждение в экспериментах. Он отвергал картезианское пространство, связанное с механическими гипотезами, но принимал принцип Декарта движения по инерции в вакууме, который Галилей не вполне явно ввел в своей космологической системе» Ньютон принял этот принцип как фундаментальную основу его законов в качестве первого: «Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного, прямолинейного движения, до тех пор, пока действие внешних сил не выведет его из этого состояния».

Принцип инерции, полностью сформулированный им в 1680 г., был использован для объяснения движения небесных тел в пространстве. Инерция позволяет им продолжать бесконечно их прямолинейное движение, а сила гравитации между двумя массами, пропорциональная массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, заставляет каждую планету искривлять своя траекторию по эллипсу.

Сложная аксиоматическая конструкция, устанавливающая фундаментальные основы «классической» механики, разработка теорем, относящихся к круговым и эллиптическим движениям, а также дифференцирование центральных сил, Все это было выполнено Ньютоном между 1684 и 1686 гг.

Представление и опубликование его принципиальной работы, Philosophiae naturalis principia mathematical в 1687 г. было поддержано и оплачено из собственных средств Эдмундом Галлеем, так как Королевское Общество, которое обещало оплатить расходы, испытывало финансовые трудности. Галлей (1656—1742), который позднее был назначен Королевским Астрономом в Гринвиче, был знаменит своими изучениями комет. Он открыл, что события 1456, 1531, 1607 и 1682 гг. были вызваны одной и той же кометой, которая получила его имя и которая движется по сильно вытянутому эллипсу с периодом около 72 года. Последний раз эта комета появилась в 1985 г.

В первом томе содержались законы движения, криволинейные и эллиптические движения, законы столкновений, дифференцирование центральных сил и движение маятника. Второй том был посвящен движению твердых тел в сопротивляющихся средах и означал детальное и систематическое опровержение декартовой физики пространства. Эта физика изменяет реальное поведение тел, движущихся внутри жидкостей, и делает недоказуемым физические основы законов Кеплера. Оба эти тома имели рациональную аксиоматическую и дедуктивную структуру. Третий том начинался с этих же посылок, и в нем индуктивно разрабатывалось устройство Вселенной. Автор простым и изящным способом переформулировал гелиоцентрическую теорию Коперника, добавляя самые новейшие астрономические данные; после демонстрации вывода законов Кеплера из принципов, сформулированных Ньютоном, он разработал теорию движения Луны, приливов и рассчитал относительные траектории комет, а также проблему трех тел.

Первое издание Principia (около тысячи копий) получило широкое распространение в Европе, даже несмотря на недостаточное понимание содержания.

 

Ньютон как публичный человек

Вскоре после публикации Principia, незадолго до своего 50-летия Ньютон стал интересоваться политикой. В канун Славной революции 1688 г. Ньютон открыто противостоял попыткам Якоба (II) Стюарта заставить академический корпус Кембриджа принять бенедиктинского монаха в университет с его строгими протестантскими традициями. В 1688 г. Ньютон был выбран в Парламент как представитель Кембриджского университета. Парламент ратифицировал падение Стюартов и возведение на трон Вильгельма Оранского, так же принял Билль о правах. Потом последовала череда нескольких нервных кризисов. А в 1693 г. Ньютон был назначен смотрителем лондонского монетного двора и управлял важнейшей операцией замены циркулирующих денег на новые монеты. В 1697 г. он оставил Кембридж и кафедру. После ухода из университета он начал играть значительную роль в культурной и политической жизни столицы, будучи введенным в Королевский Суд, и получив рыцарское звание от королевы Анны. В Лондоне он поселился в районе Кенсингтона со своей племянницей Катериной Бартон, прекрасной и практичной женщиной, которая позднее вышла замуж за Джона Кондуита — первого биографа знаменитого ученого. Позднее, в период между 1704 и 1727 гг. Ньютон был президентом Королевского общества.

Ньютон был крайне изменчивой личностью и проводил также исследования в области теологии и алхимии, которые он продолжал в старости, что дало основание экономисту Лорду Кейнсу в 1930-х гг. сказать: «Ньютон был последним из колдунов». Действительно, он полностью соответствовал тенденции XVII в., сочетать точные науки с магией. В его библиотеке было 138 книг по алхимии, которые составляли около двенадцатой доли всех его книг.

Когда он умер 20 марта 1727 г., король оказал ему честь быть похороненным в Вестминстерском аббатстве, где о нем напоминает простая цитата Лукреция: «Ньютон, qui genus humanum ingeniosuperavit».

Его вклад в понимание оптических явлений был увековечен в знаменитой эпитафии поэта Александра Попа (1688—1744): «Природа и законы Природы были в темноте, и Бог сказал: «Да будет Ньютон», и свет настал».

 

Ньютонская теория света

Учебник Optics (1704) начинается с определения характеристик луча света: лучи света возникают на Солнце и доходят до нас через пространство. Каждый сорт лучей производит разное ощущение в глазу; красное, зеленое, синее и т.д. Естественный свет Солнца является суммой всех этих лучей и оказывается белым; эти различные лучи можно разделить с помощью стеклянной призмы.

Хотя Ньютон при помощи искусного философского языка попытался скрыть свои соображения относительно определенной модели света, он не смог устоять от искушения сформулировать свою точку зрения, предполагая, что световые лучи состоят из малых частиц (корпускул), испускаемых Солнцем и другими источниками света. Он полагал, что частицы меньшего размера вызывают ощущения синего и фиолетового, а частицы большего размера вызывают ощущения желтого, оранжевого и красного. Поэтому наши ощущения цветов можно понять как отражение объективной реальности размеров частиц,

В Principia Ньютон применил эти соображения к выводу закона преломления. Свет представляет собой материальное тело и, следовательно, подвержен тем же самым законам механики, которые управляют движением планет. Без внешних воздействий свет распространяется по прямой линии согласно закону инерции, который справедлив для всех материальных тел. Это соображение напоминает подходы пифагорийцев, которые уже были поддержаны Декартом. Но точки зрения обоих ученых очень различны.

Вольтер во время своего путешествия в 1728 г. писал:

«Француз, приехавший в Лондон, обнаружит, что философия, как и многое другое, здесь весьма отличаются. Он теперь не в мире физического пространства, а в вакууме. В Париже Вселенная представляется в виде вихрей тонкой, неосязаемой материи. Но ничего подобного нет в Лондоне. Во Франции давление Луны вызывает приливы, а в Англии моря притягиваются Луной. [...]. Вы далее обнаружите, что Солнце, до которого во Франции мало дела, здесь проявляет свое влияние. Согласно вашим картезианских представлениям все обусловлено неким импульсом, которому мы уделяем мало внимания. А согласно сэру Исааку Ньютону, все обусловлено притяжением, которое мало известно нам. [...]. Последователь Декарта утверждает, что свет существует в воздухе. Но последователь Ньютона считает, что он приходит от Солнца за шесть с половиной минут».

И добавляет:

«Очень мало людей в Англии читают Декарта, чьи труды теперь, конечно, бесполезны. Но, с другой стороны, малое число и тех, кто читал сэра Исаака, так как для этого студент должен быть искушен в математике, в противном случае чтение этих работ будет непонятно ему. Но, несмотря на это, такие люди, прочитавшие Ньютона, являются предметом уважительных разговоров. Сэру Исааку Ньютону воздают должное, а Декарту — нет. Поэтому, если некто не испытывает страха по отношению к вакууму, знает, что воздух обладает весом, использует стекло, то все это благодаря Ньютону. Сэр Исаак Ньютон здесь подобен Геркулесу из легенд, которому невежество приписывает все подвиги античных героев».

Спустя примерно сто лет, 28 декабря 1817 г., группа поэтов, включая Вордсворта, собрались в студии художника Бенджамена Хэйдона и поносили его за то, как он изобразил голову Ньютона на своей картине. Они говорили, что он был «человеком, который верил лишь в то, что также ясно, как три стороны треугольника», а Ките добавил, что Ньютон разрушил всю поэтичность радуги, сведя ее к призматическим цветам. Они подняли тост «за здоровье Ньютона и за неразбериху в математике».

 

Волновая теория со временем становится доминирующей

Как волновая, так и корпускулярная теории приводили к горячим спорам среди их приверженцев, пока эксперименты и теоретические рассмотрения Т. Юнга (1773-1829), Е. Л. Малюса (1775-1812), Л. Эйлера (1707-1783), А. Френеля (1788-1827), Йозеф Фраунгофера (1787-1826) и др. не подтвердили первую теорию.

Леонард Эйлер — великий швейцарский математик, член Академий наук Польши и России — привлек внимание Европы серией писем, опубликованных в 36 изданиях на девяти языках, написанных между 1760 и 1762 годах к немецкой принцессе Анхальт-Дессау, которая спрашивала его мнения по каждому аспекту науки. Касаясь солнечного света, Эйлер задавался вопросом: «Что собой представляют эти лучи? Это, без сомнения, один из важнейших вопросов физики» и добавлял, что, безусловно, поддерживало волновую теорию, что лучи Солнца «соотносятся с эфиром таким же образом, как звук соотносится с воздухом».

 

Теория электромагнетизма Максвелла

Столетием позже, в 1864 г., Дж. К. Максвелл (1831-1879) открыл электромагнитную, а не упругую природу световых колебаний, обобщив это в знаменитых уравнениях, которые носят его имя и описывают различающиеся электрические и магнитные явления (электромагнетизм) в общей форме и из которых можно предсказать существование света. Электромагнитные волны получаются за счет колебаний в пространстве и во времени электрических и магнитных полей. Они распространяются с впечатляющей скоростью 300 000 км∙с-1, т.е. с той же скоростью, с которой, согласно измерениям, сделанным уже в 1675 г. Рёмером и позднее с высокой точностью И. Л. Физо (1819—1896) в 1849 г., распространяется свет. Максвелл предложил способ искусственного получения этих волн, и в 1887 г. Г. Герц (1857—1894) действительно смог получить электромагнитные волны с длиной волны порядка метров.

Джеймс Клерк Максвелл рассматривается вместе с Ньютоном и Эйнштейном как один из трех величайших гениев физики. Не случайно у Эйнштейна в его кабинете в Принстоне висел портрет Максвелла.

Максвелл родился в Эдинбурге (Шотландия) в семье среднего достатка. Его отец, Джон Клерк, был юристом, который унаследовал имение Максвеллов в Шотландии и стал членом их семьи. Он построил дом вблизи Глейнэйра, куда семья переехала вскоре после рождения Джеймса. Когда ему исполнилось восемь лет, его мать (с которой он был очень близок) умерла, и он остался с любящим отцом, который так и не женился больше. Максвелл любил рисовать, сочинял стихи и любил животных. У него было слабое здоровье, и он часто болел. Еще в школьные годы он заинтересовался математикой и геометрией. Его преподаватель в Эдинбургском университете профессор Джеймс Д. Форбс (1809—1868), который в течение многих лет был его наставником, представил в Эдинбургское Королевское общество одну из первых математических работ Максвелла 1846 г., касающуюся описания некоторых кривых. С 1847 по 1850 г. он учился в местном университете. В 1849 г. его профессор по математике Келланд представил в Эдинбургское Королевское общество еще одну его работу по кривым, а в 1850 г. работу по равновесию упругих тел. В эти же годы Максвелл интересовался цветным зрением. Он в 1850 г. поступил в Кембриджский университет и в 1855 г. получил ученую степень. Здесь он стал членом престижного Клуба Апостолов и в нескольких выступлениях показал свою глубокую заинтересованность в этико-философских, религиозных, логических и методологических вопросах. При подготовке к экзаменам на степень он стал интересоваться электричеством и магнетизмом. В то же время он изучил рыбий глаз и, получив математическое описание его свойств, показал условия совершенного фокусирования.

Спустя примерно полвека, Р. К. Люнебург заново открыл это, рассматривая линзы, обладающие свойствами, указанными Максвеллом. После получения степени для Максвелла в Кембридже не нашлось места, и он возвратился в Шотландию. С 1856 по 1860 г. он был профессором натуральной философии в Маришаль колледже Абердина. Эта должность хоть и не давала большого дохода, зато летние каникулы предоставляли массу свободного времени. Максвелл мог проводить шесть месяцев в своем имении Глейнэйра. В это же время он женился. Один из его студентов в Абердине, Давид Гилл (1843—1914), который позднее стал пионером применения фотографии в астрономии и Королевским Астрономом, так описывает уроки Максвелла:

«В те дни профессор был немногим лучше школьного учителя, а Максвелл не был хорошим учителем. Лишь четверо или пятеро из нас в классе с семьюдесятью или с восьмьюдесятью учениками получали от него знания. Мы оставались с ним на пару часов после лекций, до тех пор, пока его ужасная жена не утаскивала его на скудный обед в 3 часа дня. Сам он был симпатичным и очаровательным — часто задумывающимся и внезапно пробуждающимся чтобы сказать, о чем он размышлял. Многое мы не могли понять в то время, но впоследствии вспоминали и осознавали».

Исследования стабильности колец Сатурна позволили ему в 1857 г. выиграть приз и утвердили его как одного из лучших математических физиков своего времени. Проанализировав эту проблему, он получил вывод, что кольца образованы многими частицами, что в настоящее время подтверждается более точными астрономическими наблюдениями. С 1860 г. до 1865 г. он работал в Королевском колледже в Лондоне, где тщательно разрабатывал свои принципиальные работы, там же он встретился и часто общался с Майклом Фарадеем (1791—1867), отцом учения об электричестве, к которому относился с восхищением и от которого он многому научился в области электричества и магнетизма.

В 1865 г. почувствовав усталость, он на шесть лет уединился в своем доме в Гленлэре. Покидал он его только для коротких путешествий, одно из которых было в Италию в 1867 г. В Гленлэре, он закончил свою кинетическую теорию газов и написал свой знаменитый труд Treatise on Electricity and Magnetism, который содержит полностью разработанную теорию электромагнитного поля. В отношении уравнений, которые являются квинтэссенцией всей его работы, Эйнштейн сказал: «Специальная теория относительности обязана своим происхождением уравнениям Максвелла электромагнитного поля», а Больцман вопрошал: «Разве это не Бог, кто написал эти символы?»

В 1871 г. Максвелл занял кафедру экспериментальной физики в Кембридже и стал директором Кэвендишской лаборатории. Эта лаборатория была организована, в октябре 1870 г., когда герцог Девонширский, декан Кембриджского университета, решил поддержать строительство физической лаборатории и обеспечить ее оборудованием. Лаборатория была названа именем одного из родственников герцога, Генри Кэвендиша (1731—1810), который посвятил свою жизнь химии и экспериментальной физике, особенно интересуясь электричеством. Максвелл, активно работая по организации лаборатории, находил время для своего труда, который он опубликовал двумя годами позднее (1873). Он умер в Кембридже 5 ноября 1879 г.

Благодаря ему, мы обладаем фундаментальными основами теории электромагнетизма, а также термодинамики и кинетической теории газов, в которой он является одним из основателей наряду с Людвигом Больцманом (1844—1906) и Джошуа Виллардом Гиббсом (1839—1903). Кинетическая теория рассматривает газ, состоящим из огромного числа атомов или молекул, которые свободно движутся в пространстве, соударяясь друг с другом и со стенками сосуда. С помощью этой модели теория позволяет нам интерпретировать макроскопические свойства газов. Джон Херапат (1790-1868) первым установил связь между температурой газа и скоростью его молекул, хотя соотношение, которое он нашел, было ошибочным. Это также исследовалось англичанином Джеймсом П. Джоулем (1818—1889) и немцами Рудольфом Клаузиусом (1822—1888) и Людвигом Больцманом. Максвелл вывел из теории конкретные свойства газов, установив закон распределения скоростей молекул, рассматривая молекулы как маленькие бильярдные шары. Он получил выражения для давления, вязкости, диффузии и др. Он вывел теорему равнораспределения энергии, о которой мы будем говорить в дальнейшем. Максвелл рассматривал два возможных способа описания газа. Один основан на законах динамики и описывает детерминистическое поведение индивидуальных составляющих газа. Это дает полное описание системы. Другой метод является статистическим по природе и не принимает во внимание знание поведения индивидуальной молекулы, а имеет дело с огромным числом молекул. Система рассматривается, используя законы статистики. Это позволяет получить величины, которые описывают глобальные свойства газа, такие, как давление, температура и др.

Максвелл также интересовался теорией цветов, он развил и дополнил теорию физика и врача Томаса Юнга, который утверждал, что цветовое зрение получается комбинацией трех изображений в основных цветах, для которых в человеческом глазу имеются три вида соответствующих рецепторов. Максвелл идентифицировал эти три первичных цвета, из которых можно получить все цвета, как красный, синий и зеленый, и указал, что случай цветовой слепоты обусловлен отсутствием в глазу одного из трех рецепторов. Он указал, что если сделать фотографию через фильтры этих цветов, а затем соединить изображения, то получится цветная фотография объекта. Он практически продемонстрировал это собранию Королевского Общества в 1861 г., сделав фотографию закрученной в узел ткани с шотландским национальным рисунком. Эта была первая цветная фотография, полученная методом, который в существенных чертах используется и в наше время.

Однако теория электромагнитного поля — наиболее важный результат, полученный Максвеллом, и это, без сомнения, одно из важнейших достижений науки, на котором основана современная наука и техника.

В середине XIX в. электромагнетизм включал огромное число экспериментальных результатов, в которые значительный вклад внес Фарадей, но ожидалась общая теория, которая могла бы эти результаты интерпретировать.

Майкл Фарадей (1791-1867) является исключительным примером новаторского исследователя. Он был сыном кузнеца и начал работать с 13 лет подмастерьем в переплетной мастерской. Здесь он читал книги по химии и электричеству и делал эксперименты с помощью самодельных устройств. В 1813 г. он познакомился с химиком Хемфри Дэви (1778—1829) и стал его ассистентом в Королевском институте. Он был очень искусным экспериментатором и открыл фундаментальные явления, которые послужили основой электромагнитной теории Максвелла. Он разработал метод визуализации силовых линий электрических и магнитных полей. В качестве ассистента Дэви он в 1813—1815 гг. путешествовал по Европе, где знакомился с работами самых выдающихся исследователей континента.

В 1821 г. он, продолжая эксперименты датского физика Г. К. Эрстеда (1777—1851), показал, что магниты оказывают механическое действие на проводники, по которым протекает электрический ток. Позже он изучал явления электролиза, выраженные в законах, носящих его имя. В 1830— 1831 гг. он открыл явление электромагнитной индукции. Среди его последующих открытий — действие магнитного поля на поляризованный свет (эффект Фарадея) и диамагнетизм. В 1862 г. он пытался изучить действие магнитного поля на спектры света, пионерские исследования, которые позднее с успехом были выполнены П. Зееманом.

Максвелл блестящим образом интерпретировал результаты Фарадея и других исследователей, показав, что явления электрических и магнитных явлений тесно связаны, и в некоторых случаях электромагнитное поле может распространяться в виде волны. Отсюда следует, что свет является волной такого вида. Электромагнитная теория Максвелла встретила сильное сопротивление. Даже сам Максвелл и его ученики долгое время старались описать электромагнитное поле с помощью механических моделей. Только после продолжительных попыток объяснить его уравнения на основе механических моделей была окончательно принята концепция, что электрические и магнитные поля являются реальностью.

Рис. 6. Синусоидальная волна, видимая в заданный момент времени, как функция положения

Волновая теория рассматривает свет как колебания эфира и замечательно объясняет отражение, преломление, дифракцию и интерференцию, а также другие явления. Свойство света восприниматься окрашенным укладывается в свойствах волны. Белый свет есть ни что иное, как смесь всех цветов (факт, который еще Ньютон экспериментально продемонстрировал). Определенный цвет определяется длиной волны излучения (рис. 6), т.е. расстоянием между двумя соседними пиками волны. В видимой области эта длина волны обычно измеряется в ангстремах (один ангстрем или А° равен 10-8 см) и видимая область простирается от ~3800 А° (фиолетовый свет) до 7000 А° (красный свет). Число пиков волны, проходящих в секунду через заданную точку, является частотой волны и измеряется в герцах (Гц). Произведение длины волны и частоты равно скорости распространения волны. Например, зеленый свет имеет в вакууме длину волны 5500 А°, распространяется со скоростью 300000 км с-1 и имеет частоту 545 000 млрд. Гц. Излучения с большими длинами волн последовательно заполняют инфракрасные, микроволновые и радиоволны, А излучение с укороченными длинами волн являются ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-лучами (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитный спектр. Слева обозначены частоты, а справа — соответствующие длины волны