История науки

5.5. Оптика и механика. Гримальди. Гюйгенс. Ремер. Гук

Оптика занимает особое место в науке хотя бы потому, что «свет» — поня­ тие 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. Су­ ществовала мифологическая, фантастическая «оптика», в которой обожеств­ лялось Солнце, смешивались понятия зрения и света.'Тождественность представлений о свете и зрении сохранялась вплоть до XVII в. На фоне вы­ дающихся успехов науки в таких областях, как геодезия, астрономия, мате­ матика, механика учение о свете было, по современным понятиям, нелепым. Это может быть объяснено в определенной мере отсутствием оптических инструментов, дающих изображения предметов. Первой оптической систе­ мой, «отделившей» свет от зрения, стала камера-обскура, о которой мы уже упоминали. Изображение, даваемое камерой, существовало отдельно от гла­ за. 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 оп­ тическое 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 учил­ ся 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 названи­ ем «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» начинается с

заявления об открытии дифракции — отклонения света, нарушения прямо­ линейности его распространения при взаимодействии с препятствием, на­ пример при прохождении через ма­ лые отверстия. Термин «дифракция» введен самим Гримальди и использу­ ется по сей день. Явление дифракции было открыто Гримальди при прове­ дении экспериментов с узкими пуч­ ками 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 пла­ стинке EF. Оказалось, что лучи, про­ шедшие GH, образуют конус, основа­ ние которого IK заметно больше, чем

это должно следовать из геометрических построений (конусы NDM и LCO). Кроме того, края световых пятен, наблюдаемых на экране, оказались окра­ шенными, по описанию Гримальди, в красные и голубоватые цвета, тогда как центральное пятно было белым, «залитым чистым светом». Гримальди объяс­ няет это явление образованием за препятствием волн в световом флюиде, от­ клоняющихся 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 распро­ странения света, но искал зерно истины в метафизическом утверждении, из­ вестном еще со времен античности, что природа всегда действует по кратчай­ шему пути. Но что такое кратчайший путь? Как оказалось, это не самый близ­ кий, не самый легкий, не путь с наименьшим сопротивлением, а путь с крат­ чайшим временем. Этот принцип известен как «принцип Ферма». Приняв гипотезу о конечности скорости света и ее зависимости от свойств среды, со­ единив 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 прелом­ ление подчиняется закону Декарта и если показатель преломления равен от­ ношению скоростей света в первой и второй среде, то свет при распростра­ нении из одной среды в другую следует по пути, при котором время распрос­ транения является наименьшим.

Имя Пьера Ферма (1601—1665) известно также в связи с его теоремой, до­ казать 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

поступает в Анжерский протестантский университет, получает диплом док­ тора права. Но, возвратившись в Голландию, он перестает заниматься юрис­ пруденцией и целиком посвящает себя астрономии, механике, математике и оптике.

Написанный им в 1657 г. трактат «О расчетах при азартной игре» стал од­ ной из первых работ по зарождавшейся теории вероятностей.

На протяжении всей жизни Гюйгенс занимался изготовлением оптичес­ ких систем. Страсть к шлифовке стекол пришла к нему еще в молодости. Гюйгшк изобрел шлифовальный станок для изготовления линз и создал зрительные трубы хорошего качества, позволившие ему открыть «кольцо Сатурна». В своих зрительных трубах, имевших большое увеличение, Гюй­ генс применил схему окуляра, который теперь носит его имя — «окуляр Гюйгенса». Чтобы объявить о своем открытии кольца, или, как он пола­ гал, 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, ко­ торая обращается вокруг него в шестнадцать дней и четыре часа». Он вы­ резал на объективе своей подзорной трубы эту загадку и слова, служившие ей отгадкой.

Кроме кольца Сатурна Гюйгенс обнаружил «шапки» на Марсе, туманно­ сти в созвездии Ориона, полосы на Юпитере. Астрономические наблюде­ ния 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. Ис­ торики 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 перио­ да колебаний маятника.

Астрономические исследования Гюйгенса и изобретение маятниковых часов сделали его имя известным по всей Европе. В 1663 г. Гюйгенс был из­ бран 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 ста­ ла его второй родиной. Здесь он завязывает международные научные свя­ зи, поддерживает контакты с Бойлем, Гуком, Ньютоном, Лейбницем.

В связи с начавшимися во Франции враждебными действиями католи­ ков против протестантов (Гюйгенс был протестантом), он уезжает на роди­ ну, несмотря на уговоры Людовика XIV остаться.

Гюйгенс считал себя в науке продолжателем Галилея и Торричелли, те­ ории которых он, по его собственному выражению, «подтверждал и обоб­ щал».

Шедевром Гюйгенса в области механики является его произведение «Ка­ чающиеся часы, или о движении маятника». В этой работе, опубликован­ ной в 1673 г., приводится описание маятниковых часов, движения тел по циклоиде, развертка и определение длин кривых линий, определение цен­ тра колебаний, описание устройства часов с круговым маятником, изложе­ ние теоремы о центробежной силе.

С 1659 г. Гюйгенс работал над трактатом «О центробежной силе», опубликованном посмертно в 1703 г. В нем Гюйгенс изложил законы, оп ­ ределяющие центробежную силу. Идея о центробежной силе впервые четко выражена Гюйгенсом в его письме к секретарю Лондонского К о­ ролевского общества от 4 сентября 1669 г. Эта идея была заш ифрована в виде анаграммы.

Вывод формулы для центробежной силы имел огромное значение в раз­ витии 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 движе­ нии 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 прин­ ципа сохранения суммы произведений каждого «тела» на квадрат его ско­ рости 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

тиц), Гюйгенс приходит к выводу: «Нельзя сомневаться, что свет состоит в дви­ жении какого-то вещества». Гюйгенс, приняв за аксиому существование этого гипотетического вещества, рассматривает механизм распространения света.

Гюйгенс выдвинул принцип волнового распространения света, заключа­ ющийся 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 све­ чи (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 вол­ ны. Таким образом, волновое движение распространяется от точки к точ­ ке. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет со­ бой 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 груп­ пу шаров. Он пишет:

«Если взять огромное количество одинаковых по величине шаров из очень твер­ дого вещества, расположить их по прямой линии так, чтобы они соприкасались друг с другом, то всякий раз, как такой шар ударит первый из них, движение рас­ пространится 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, обнару­ живается передача движения с необыкновенной скоростью, которая тем боль­ ше, чем тверже вещество шаров».