14 сентября 2018, 17:26

Свет — это частица. Несогласные будут иметь дело с Ньютоном

Фотобиология

Из школьного учебника физики каждому известно, что свет проявляет свойства волны и частицы. Это описание уже настолько замылено, что трудно разглядеть его абсурдность. Вообще-то невозможно одновременно быть волной и частицей. Это куда сложней, чем одновременно быть яблоком и апельсином. Ситуацию немного спасает то, что свет «проявляет свойства», а не «является». Это означает, что люди до сих пор понятия не имеют что такое свет, а просто строят модели, пытающиеся объяснить и предсказать поведение данного феномена при различных условиях. Свет — это хамелеон мира физики, он выглядит по-разному в зависимости от точки зрения.

Идея о двойной природе света официально именуется «корпускулярно-волновым дуализмом», и, откровенно говоря, появилась только как костыль, благодаря которому классическая физика, захромавшая к началу XX-го века на обе ноги, смогла пойти дальше. На протяжении столетий учёные мужи в вопросе природы света были разделены на два непримиримых лагеря, считавших свет либо исключительно волной, либо только частицей. «Частица света» гораздо понятней интуитивно, и не удивительно что история началась с неё.

Для того чтобы увидеть объект, нужно находиться напротив этого объекта. Иначе говоря, объект должен быть в «поле зрения». Это тривиальное наблюдение, однако оно приоткрывает один из фактов о природе света — похоже, что он распространяется по прямой линии от объекта к наблюдателю. В кроне деревьев монолитный до этого свет разбивается на некие части — лучи. Лучи можно наблюдать и при многих других условиях, и они никогда не бывают изогнутыми. Видимо, свет состоит из прямых лучей.

Модель света как лучей, распространяющихся по прямой линии, была изложена Евклидом, работавшим в Греции около 300-го года до н.э. в одной из первых в истории книг по оптике. Евклид использовал эту концепцию чтобы объяснить, отчего с удалением предметы кажутся меньше. (Степень присущего античным грекам любопытства просто потрясает). По мнению Евклида, из глаза наблюдателя выходят лучи, один из которых соединяется с вершиной объекта, а другой с основанием. Угол между лучами связан с воспринимаемым наблюдателем размером объекта. По мере отдаления от объекта угол уменьшается, и объект выглядит меньше [1].

Но из чего состоят эти лучи света? Евклид считал, что они состоят из потока частиц, исходящих из глаза. Они берутся из некого «внутреннего огня», присущего всему живому. Частицы ударяются об объект и отражаются обратно в глаз, создавая изображение. Идея о частицах внутреннего огня не принадлежала Евклиду, её высказывали как минимум Платон, Пифагор и Эмпедокл за 150 лет до Евклида, а также его современник Эпикур. Так что подобия Х-менов с рентгеновскими глазами вполне привычны в древнегреческой физике. Когда евангелист Матфей пишет: «Светильник для тела есть око», он пишет буквальную научную мудрость эллинистического мира: глаз — это фонарь, освещающий вылетающим из него светом всё вокруг. Гораздо позже «богословы» накрутят вокруг пары строчек тома умствований.

Закавыка в том, что в таком случае мы могли бы видеть даже в темноте. Но всё же идея материи, движущейся по траектории между объектом и наблюдателем оставалась мощной моделью.

Модель была усовершенствована Ибн аль-Хайсамом в 11-ом веке. Он постулировал, что объекты освещаются светом Солнца, а не Пифагорейским «внутренним огнём». Отражённый от объекта свет солнца и попадает в глаза наблюдателя. По легенде аль-Хайсам просто наблюдал Солнце до боли в глазах, и решил, что если бы у его внутри горел подобный огонь, то глаза болели бы постоянно. (Не менее потрясает и приверженность любопытных греков к абстрактным теориям и их ёмкость к отрицанию наблюдаемого).

Как бы там ни было, Ибн аль-Хайсам изучал математические законы отражения света от сферических и параболических зеркал, детально описал строение человеческого глаза, и внёс вклад в физику, астрономию и медицину. Он опубликовал свою «Книгу Оптики», переведённую в 13-ом веке на латынь, и оказавшую значительное влияние на возрождавшуюся европейскую науку, в частности, на Роджера Бэкона. База модели оставалась прежней: свет состоит из частиц, распространяющихся прямолинейно в виде луча. Эта модель до сих пор лежит в основе геометрической оптики. Были и другие теории, в частности, в одной из них объекты посылают во все стороны свои призрачные или «эфирные» копии, попадающие в глаз наблюдателя, но они даже в то время не признавались научными.

Далее на сцену выходит старый знакомый: переворачиватель мирозданья и, видимо, страннейший из всех учёных в истории — сэр Исаак Ньютон.

Ньютон ни разу не видел моря и не любил волн. И к свету волна тоже никак не применима, поскольку свет движется по прямой линии. В юности Ньютон прочёл работу Декарта, утверждавшего, что свет является волной, и решил это проверить. Он взял большую булавку, и ввёл её кончик себе в глазную впадину, между глазом и костью. Суть эксперимента заключалось в том, что упругая волна света заставила бы длинную булавку вибрировать, и глаз зафиксировал какие-то периодические колебания. Однако ничего подобного не произошло.

Ньютон придерживался традиционной модели света как частицы, которые он называл корпускулами. Модель света как частицы Ньютон почерпнул у французского философа Пьера Гассенди (1592–1655), работы которого он изучал в юности. Гассенди был первым европейским историком науки и большим знатоком античности. В частности, он пришёл к выводу об ошибочности физики Аристотеля и космологии Птолемея, а также размышлял о силе тяжести и атомарном строении материи. Сам Ньютон в афоризме «я стою на плечах гигантов» отдал должное всем своим предшественникам, поскольку понимал, что никто и никогда не придумал ничего сам. Однако диалектика не смотрит на личности, и в каждой силе уже скрывается слабость. На толкование Библии, поиск в ней скрытого смысла и кодов, на алхимию, теологию и оккультизм Ньютон потратил куда больше времени, чем на физику. У Ньютона было 33 книги по астрономии — и 30 Библий. 55 книг по физике — и более пятиста книг по богословию. Подсчитано, что в своих работах Ньютон написал более трёх миллионов слов, и почти половина из них связана с теологией и религией. Алхимии посвящено 650 000 слов. Он искренне считал, что был избран богом для открытия и толкования «истинного смысла» Писаний[2]. Печально признавать, но большую часть своего времени Ньютон потратил впустую. Не все протоптанные предшественниками дорожки имеют одинаковую ценность, многие из них ведут в никуда.

Итак, модель корпускул прекрасно вписывались в общее мировоззрение Ньютона: силы были центром его вселенной. А сила, будь она гравитация или что-то ещё, согласно законам механического движения, открытых самим Ньютоном, может действовать на частицы, а не на волны. Таким образом, свеча, стоящая на столе посередине комнаты светит, поскольку во все стороны от неё летит бессчётное множество мельчайших частиц. Мы их видим, и яркость света определяется только количеством частиц.

Но объясняет ли теория наблюдаемые явления?

Свет распространяется по прямой. Можно предположить, что частица света настолько мала, что никакая сила НЕ способна на неё действовать. Если на тело не действует сила, то оно движется по прямой линии и с неизменной скоростью — первый закон Ньютона. Стоящий на пути луча объект мешает частицам пройти, и возникает тень. Пока всё неплохо.

Свет способен отражаться. Очень просто: корпускулы света, подобно отскакивающему от стенки мячу, отлетают в глаз наблюдателю.

Свет способен преломляться, кода попадает из одной среды в другую. Так карандаш, наполовину погружённый в стакан воды, выглядит сломанным. Если луч света не меняет направления падения, то величина преломления будет зависеть только от среды, её свойства, называемого «показателем преломления». Опытным путём Ньютон показал, что показатель преломления представляет собой всего лишь отношение скорости света в воздухе к скорости света в другой среде. Он предположил, что в воздухе корпускулы движутся медленно, а попав в иную среду ускоряются, поскольку среда действует на них притягивающей силой. Отсюда и наблюдаемое преломление. Хотя и спорное, но приемлемое на тот момент объяснение, ведь скорость света не была ещё измерена [3]. Сейчас мы знаем, что всё наоборот, скорость света в воздухе максимальна, а в среде замедляется.

В целом ни один эксперимент не опроверг корпускулярную теорию, а значит, она имела право на существование. Но теория света была уже не одна.

Отражение и преломление на границе двух сред

В 1637 году французский философ-математик Рене Декарт (Картезий) опубликовал работу La Dioptrique, (Диоптрика) в которой описал свет как волну давления, распространяющуюся в эластичной среде. Помимо прочего, в своей работе он математическое обосновал закон преломления света. Для этого нужно было только знать показатели преломления n (т.е. скорость движения света) для двух сред. Используя простую формулу n1 sin θ1 = n2 sin θ2 можно безошибочно предсказать, каким будет угол преломления луча света при прохождении через две среды.

Приведённая выше формула была выведена в 1621-ом году голландским математиком Виллебродом Снеллом, и носит название «закон Снелла». Снелл не опубликовал свою работу, Декарт знаком с ней не был, и свои расчёты сделал самостоятельно. Франция является единственной страной, где словосочетание «закон Снелла» не употребляется и поныне.[4] Тем не менее, оба эти господина только описали преломление, но не смогли построить теории о его причине, и, как и все, считали что свет ускоряется в среде.

Зарисовка блохи, сделанная Гуком

Роберт Гук был на семь лет старше Ньютона, и являлся весьма известным и уважаемым учёным. В начале семнадцатого века был изобретён не только телескоп, но и микроскоп, и Гук был крупнейшим в свою эпоху исследователем маленьких вещей. Его зарисовки увеличенных насекомых, плесени и бритвенных лезвий были так поразительны, что Королевское научное общество на свои средства выпустило целую книгу о них. Книга под названием Micrographia вышла в 1665, и явилась первым научным бестселлером. Огромный тираж в 1 200 копий был раскуплен всего за несколько дней.

У Гука была оригинальная теория света и цвета. В своей книге он предполагал, что свет является некой распространяющейся пульсацией, и всё светящееся некоторым образом вибрирует. Он также считал, что существует только два цвета: синий и красный. Они смешиваются, и дают «все оттенки зелёного». На теорию всё это тянуло мало, и Гук оправдывался недостатком места в книге для изложения подробностей.

Но автором первой законченной волновой теории света был голландский математик и астроном Христиан Гюйгенс. Это не удивительно, поскольку другом семьи Гюйгенсов был Декарт, неоднократно гостивший у них в доме в Гааге. Французской академии наук Гюйгенс представил свою теорию в 1679 году, а в 1690 издал труд под названием «Трактат о свете», в котором постулировал, что источник света испускает сферические волны, а каждая точка, до которой дошли эти волны, становится центром испускания вторичных волн, таким образом распространяясь в пространстве. Новые волны будут иметь точно те же характеристики, что исходная волна. Этот постулат называется Принцип Гюйгенса. Согласно ему, например, свет, проходящий через маленькое отверстие распространяется, и само отверстие можно рассматривать как отдельный источник света.

Сам Гюйгенс писал о своей модели так:

«Мы перестанем удивляться, если учтём, что на большом расстоянии от светящегося тела бесконечность волн, даже если они были испущены различными точками этого тела, объединяется вместе, образуя одну единственную волну, которая, следовательно, будет достаточно сильна, чтобы её можно было обнаружить».

Модель Гюйгенса для плоской и сферической волн, распространяющихся вправо.
Модель Гюйгенса, объясняющая работу закона преломления Снелла-Декарта

В эту теорию вполне укладывалось отражение и преломление: луч света оставался тем же, но был другим по составу. Столкнувшись со стеклом, первые пакеты волн замедлялись, но на них «напирали» следующие, заставляя менять направление.

Современная аналогия такова. Выстроившиеся в линию люди забегают в воду. Поскольку в воде бежать труднее, расстояние между людями в воде сокращается. Можно представить весь ряд людей как волну, каждого отдельного человека как гребень волны, а расстояние между людьми как длину волны. Далее можно представить два ряда людей, двигающихся близко друг к другу, например, держась за руки. То есть две волны, идущие гребень в гребень, что именуется «волновым фронтом». Если вхождение в воду происходит под углом, то сохранить связь (продолжать держаться за руки) люди в парах смогут, только если изменят направление движения. А волновой фронт изогнётся.

Несложно заметить, что в модели Гюйгенса скорость света в материале меньше чем в воздухе, а не больше, в отличие от общего мнения того времени.

Сложнее было с распространением света по прямой. Гюйгенс предложил, что как только единичные волны выбиваются из общего движения, они погашаются. Но пока общая масса света идёт в одном направлении, она формирует луч (локальный фронт), поддерживая сама себя.

В общем, да, Гюйгенс был совсем сумрачный гений, корпускулу и её поведение представить куда как проще.

Волновая модель Гюйгенса оказалась весьма математически стройной, обладающей предсказательной способностью, и ничуть не уступавшей корпускулярной. Самой большой проблемой был метафизический вопрос: в чём распространяются волны? Волне для распространения нужна среда. И Декарт, и Гюйгенс средой для распространения света считали «мировой эфир», который Гюйгенс представлял как проникающую всюду бесконечность крохотных невидимых сфер, только упругих, в отличие от жёстких эфирных сфер Декарта. Именно сжатие-растяжение этих сфер и передавало волну света. И француз, и голландец страдали древнегреческим «страхом пустоты». Со времён античной физики само самой разумелось, что всё пространство чем-то заполнено. В абсолютной пустоте невозможно движение, поскольку невозможна передача энергии. («Природа не терпит пустоты», Аристотель, ага) Кроме этого, эфир был средой распространения «искры жизни». Вопрос о том, что отличает живое от неживого, оставался в то время открытым. Общепринятой была концепция «витализма», в которой считалось, что для оживления некая «жизненная сила» должна быть добавлена к материи. Короче говоря, бог во всё сущее вдыхал жизнь через эфир.

Эфир был костылём, без которого физика семнадцатого века рассыпалась, и модели теряли свою предсказательную способность. В то же время этот костыль накрепко сколачивал в одно науку, теологию, и оккультизм. Отголоски витализма до сих пор бродят в псевдомедицинских и околонаучных кругах. То и дело можно слышать о «жизненной энергии», причём заявляющие её наличие не утруждают себя объяснениями, что же именно они имеют в виду. А верующие, похоже, последние двести лет не высовывали носа из своего сказочного домика.

Ньютон пустоты боялся гораздо меньше. В конце концов, гравитация и есть сила, действующая мгновенно и непосредственно, и не нуждающаяся в среде. Именно поэтому для современников идея выглядела настолько дикой, и над Ньютоном долго и задорно потешались во Французской академии наук. Тем не менее, существование эфира Ньютон не отрицал, и эфир не был камнем преткновения в его борьбе с волновой теорией.

Итак, теории света как волны и света как частицы одинаково не опровергались экспериментами. Но поскольку одновременно быть справедливы они не могли, то Ньютону пришлось вступить в научную полемику, которая внезапно ещё и перешла на личности. Формально корпускулярную теорию Ньютон опубликовал в 1672 году в статье «Новая теория о свете и цветах», и в ней он описал результаты своих юношеских экспериментов.

В 1665 году двадцатидвухлетний Ньютон, только-только получивший степень бакалавра, покидает Лондон. Свирепствует бубонная чума, Кембриджский Университет закрыт, все, кто могут убежать из города, бегут. Он уезжает к матери, в родное поместье Вулсторп, в графстве Линкольншир. Это крохотная сонная деревня, в которой абсолютно нечем заняться. Ньютон делает то, что делал в детстве — залезает на чердак, и наблюдает за лучами света. Но теперь по-другому.

Вопреки распространённому мнению, Ньютон не был первым человеком, разложившим призмой белый свет на составные части. Стекло было в употреблении тысячелетия, и бесчисленные поколения стеклодувов создавали всевозможные формы прозрачных объектов. Радугой из призмы в семнадцатом веке никого уже было не удивить, а Ньютон хотел проверить другое. Согласно общепринятому мнению того времени, которое разделяли и все сторонники волновой теории, призма просто «портила» белый свет, создавая разноцветные лучи. В таком случае пропущенный через две призмы свет испортился бы вдвойне. Вот на это и хотел взглянуть Ньютон.

Он создал призмой радугу, но направил её в деревянную заслонку, отверстия в которой позволяли пройти свету только одного цвета. А затем поставил на пути луча синего цвета вторую призму. Если бы радуга создавалась призмой, то свет должен был бы опять разложиться на радугу, но этого не произошло. Синий так и оставался синим, красный красным, а зелёный зелёным. Призма не создавала цвета, она только разделяла их. А когда Ньютон убрал заслонку и начал вращать вторую призму, то перевёрнутая призма внезапно опять создала из радуги цветов луч белого света. Предыдущая теория была неверна: это не призма делала свет, это белый свет состоял из смеси всех цветов. Ньютон назвал эту совокупность цветов спектр — он сам придумал термин — и разделил на семь частей, хотя между цветами радуги и нет чёткой границы. Всё просто: семёрка является мистическим числом в иудео-христианской традиции (семь дней творения, семь планет, семь нот, и т.п.). Так что нашему порядку перечислений в поговорке «каждый охотник желает знать» мы обязаны оккультным штудиям сэра Исаака.

Поскольку свет для Ньютона состоял из частиц, то такое его поведение можно было объяснить тем, что корпускулы разного цвета имеют разную массу, и в силу этого испытывают разную «притягательную силу» стекла. Этим объяснением Ньютон и ограничился, поскольку на тот момент он искал другое. Дело в том, что в юности Ньютон хотел создать телескоп. Это было одной из причин на практике заняться светом — телескоп не получался. Теперь он видел, что проходя через призму свет изменяет направление, и делает это неравномерно: синий свет отклоняется больше красного. Сейчас этот эффект называется «хроматическая аберрация», и он-то и был причиной размытия изображения и неудач. Эффекта хроматической аберрации можно было избежать, если использовать зеркала вместо линз. Ньютон так и сделал, и построил шедевр. Его телескоп приближал в тридцать пять раз, что в три раза больше, чем линзовые телескопы того времени, и был меньше их размером.

Телескоп Ньютона

Телескоп наделал шуму — его привезли в Лондонское королевское научное общество, где срочно потребовали публикации технических данных, теории, и предложили автору почётное членство. Ньютон немного тянет время, но в феврале 1672 года отсылает в общество статью «Новая теория о свете и цветах». Ньютону двадцать девять лет, он уже два года как профессор математики в Тринити-колледж в Кембридже. Члены общества собрали консилиум для оценки его работы, а заключительное ревю доверили писать Роберту Гуку, занимавшему пост куратора экспериментов. И это кончилось первой в истории научной, и в то же время скандальной полемикой о природе света.

Напомню, у Гука была своя теория света как пульсации, и всех цветов как смеси красного и синего. Не удивительно, что он холодно воспринял построения молодого выскочки, полностью опровергавшие его собственные. Но это полбеды — Гук посчитал, что Ньютон просто повторил уже ранее поставленные самим Гуком эксперименты с призмой, и переврал его выводы. В заключение Гук посоветовал молодому учёному предаться более полезным занятиям — например, усовершенствовать свой маленький телескоп. Может тогда он сравнится с телескопом самого Гука. Первая же официальная научная публикация Ньютона окончилась катастрофой.

Ньютон спросил Гука, повторил ли он его эксперимент. Гук ответил, что в этом нет необходимости. Ньютон настаивал, и эксперимент всё же был повторён в присутствии членов общества. Призма рассеяла свет, но члены не разглядели отдельных цветов спектра, а увидели хаотичную смесь всех цветов, переходящих друг в друга. Вдобавок ко всему корреспондент из французской Академии наук сообщил, что согласно передовой французской науке и великому Декарту все цвета происходили из смеси чёрного и белого. А цвета призмы возникли просто оттого, что солнце светило на неё разными своими частями. Таким образом, отсталые англичане несут околесицу. Члены общества бросились обсуждать это.

За следующие несколько лет в журнале «Философские труды Королевского общества» были опубликованы десять статей с критикой теории Ньютона, на которые тот написал одиннадцать яростных ответов. Особенно возмущало Ньютона то, что идею о составном характере белого света считают теорией. Сам он был уверен что это новый, экспериментально подтверждённый и математически обоснованный взгляд на свет. Христиан Гюйгенс в письме к Ньютону вежливо заметил, что белый свет можно получить не только смешиванием всех цветов. Если цвета правильные, то может хватить и двух, например синего и жёлтого. И хотя Гюйгенс был прав, Ньютон тут же занёс его в список личных врагов, наряду с Гуком. Он спорил так горячо, что Гюйгенс предпочёл прекратить общение, мотивировав это так: «Когда я вижу, с каким жаром он защищает свои идеи, у меня пропадает всякое желание продолжать дискуссию». Масла в огонь подлило то, что Гюйгенс описал хроматическую аберрацию в 1652 году, гораздо раньше Ньютона. Просто Гюйгенс, подобно самому Ньютону, не часто публиковал свои работы. И последнее, Гюйгенс в будущем не согласится с теорией притяжения Ньютона, а это было уже совершенно неприемлимо. Поскольку все оппоненты Ньютона придерживались волновой теории света, то он стал яростно отрицать и её тоже.

Смешивание личности исследователя и объекта исследования не делает чести критику. Особенно если учесть, что эксперимент с призмой не опроверг волновой теории света. Да, свет являлся смесью всех цветов. Но это только часть вопроса о природе света. Более того, эксперимент Ньютона волновую теорию скорее подтверждал. Преломление света призмой убедительно описывается волновой моделью Гюйгенса. Волны света преломляются в материале и поэтому меняют направление, как замедляется и меняет направление строй людей, забегающих в воду. Это куда более вероятно, чем некая неизмеряемая «притягательная сила», да ещё и разная для стекла, воды, алмаза, масла и т.д. Если белый свет состоит не из смеси частиц с разной массой, а из смеси волн с разной длиной, то разложение света призмой становится очень простым: разные длины волн света испытывают при вхождении в материал разное замедление, преломляются под разным углом, и в результате белый свет распадается на составные части. Этот процесс называется дисперсией.

Преломление описывает упоминавшийся ранее закон Снелла-Декарта, и из него следуют два важных вывода: 1) когда луч света входит в среду с более высоким показателем преломления, он изгибается в направлении нормали; 2) когда луч света входит в среду с более низким показателем преломления, он изгибается от нормали.

Нормаль — это условная линия, обычно перпендикулярная поверхности. А использовать выводы можно для того, чтобы объяснить, почему при прохождении через обычное стекло не наблюдается дисперсии света. Представим, что луч света падает на лист стекла под углом 60° к нормали, т.е. пересекает границу сред воздух-стекло. Поскольку показатель преломления стекла около 1.50, то угол преломления в стекле составит 35.5, т.е. луч изогнулся к нормали. Пройдя через стекло, луч подойдёт к другой границе сред, и теперь пересечёт среды стекло-воздух. Для обычного листа стекла границы сред параллельны, и попадая в среду с более низким показателем преломления свет изгибается от нормали на те же 35.5°. В итоге свет вышел из стекла под тем же углом, что и вошёл, только слегка сдвинувшись.

Изгибание света листом стекла незначительно, и, как правило, даже не замечается. С водой интереснее. Преломление объясняет, почему погружённая в воду ложка, соломинка или карандаш выглядят сломанными. Отражённый от дна свет при возвращении в воздух (и к наблюдателю) изгибается, меняет направление, и возникает иллюзия, что объект находится ближе. Отсюда следует важный практический вывод — вода всегда глубже, чем кажется.

И наконец, понятно, что происходит с призмой. Её стороны не параллельны друг другу, и луч света, вошедший под одним углом, выйдет под другим. Замедление и изгибание света в стекле по-прежнему происходят, свет с более короткой длиной волны (фиолетовый) изгибается больше всего, но из-за изменившегося угла поверхности на выходе свет не собирается в белый луч.

Объём дисперсии зависит от значений показателя преломления материала для цветов разных границ спектра — красного и фиолетового. Чем больше разница между показателями преломления этих двух цветов, там шире будет цветовой «веер». Для призмы, задачей которой будет только разложение белого света на спектр, лучшим материалом будет стекло типа силикатного флинта. В Англии его начали варить с 17-го века, и видимо, именно такая призма попалась Ньютону. У проводивших проверочный эксперимент членов общества призма могла быть из другого материала. Кроме того, призма, поверхности которой находятся под другим углом, при прохождении света будет давать цветной круг, а не полосу.

Конечно, в подобных деталях ситуацию не осознавал и сам Гюйгенс, если бы он мог объяснить всё так, то вопросы были бы сняты сразу. В частности, он не допускал, что у волн света может быть разная длина, а без этого объяснение разваливается. Математические модели поведения света были одинаковы для волновой и корпускулярной теории, а вопросы о «природе света», или о том, что именно свет делает в материале, пока оставались теоретизированием. Теория Гюйгенса была очень схематичной, множество вопросов оставались открытыми, и особо крыть ему было нечем. Тем более что любой дурак в семнадцатом веке мог купить призму, и с её помощью разложить свет на цветные круги. Но взять вторую призму и собрать свет обратно догадался только Ньютон.

Ньютон, уверенный в своей правоте, контратаковал едкими ремарками, к примеру: «если бы свет был волной, я бы видел своего приятеля за углом, а не только слышал». Волны способны огибать препятствия, это называется дифракцией. Дифракция звуковых волн была уже хорошо известна, и именно на неё намекал Ньютон. Гук заявил, что поставил эксперимент, продемонстрировавший дифракцию света. Ньютон ответил, что этот эксперимент поставили до него, а Гук мало что понимающий плагиатор. Свара разгорелась с новой силой.

Оказалось, что Ньютон абсолютно не переносит критику. Любое замечание по адресу своих работ он воспринимал с обидой маленького ребёнка. Ньютон даже грозится покинуть Королевское научное общество, «дабы впредь избежать подобного отношения». Однако он остаётся, хотя и перестаёт ходить на заседания, и готовит новую статью, уже подчёркнуто вызывающе озаглавленную: «Гипотеза, объясняющая свойства света».

Заседание Лондонского королевского научного общества

Только 27 апреля 1676 года, через четыре года после первой публикации, члены королевского научного общества во главе с Гуком (Ньютон, как обычно, не присутствует) повторяют эксперимент точно с тем же оборудованием, и точно по инструкциям. Наконец-то всё получается. Согласно записи королевского общества того дня, свет вёл себя: «по указанию г-на Ньютона и так, как он всё время утверждал, как это будет». Ньютон слегка приободряется, и начинает готовить к публикации книгу о свете, но в 1677 году умирает старый секретарь научного общества, и на его место единогласно избирают Роберта Гука.

Это настолько выбивает Ньютона из колеи, что почти десять лет он работает «в стол», ничего не публикуя. Новая математика, законы движения небесных тел, новая картина мира: всё это блестящие озарения гениального разума. И Ньютон играется ими в одиночестве. По свидетельству современников длинные волосы Ньютона клоками поседели, хотя ему было только слегка за тридцать, и он перестал следить за собой. В свободное от преподавания время он бродит по узким тропинкам вокруг Тринити-колледжа, и размышляет, размышляет, размышляет, останавливаясь только для того, чтобы набросать тростью на песке уравнение.

Однако он ничего не забыл.

В 1679 году Роберт Гук, возможно желая как-то загладить предыдущие трения, просит Ньютона высказать мнение о другой своей теории. Благодаря развитию телескопов стало возможным наблюдать кометы, и оказалось, что их движение отличатся от движения массивных планет. Гук считал, что существует сила притяжения, зависящая от дистанции межу объектами. Он не знал, что эту идею Ньютон пытается обосновать как минимум с 1666 года, никому ничего не рассказывая. И сейчас Ньютон также ответил, что понятия о подобном не имеет. Переписка продолжилась, и однажды учёные затеяли мысленный эксперимент: предсказать, что будет с шаром, если он беспрепятственно будет падать к центру Земли. В ответном письме Ньютон нарисовал схему, в которой предположил, что из-за вращения планеты траектория движения шара к центру будет иметь спиральную форму.

По мнению же Гука, шар, дойдя до центра Земли, начнёт вокруг неё вращаться, возможно по эллиптической орбите. И он назвал версию Ньютона чушью. Она и была чушью, но Ньютону указали на его ошибку, и он вскипел. Указал Гук, и Ньютон впал в бешенство. По джентельменскому соглашению переписка должна была остаться частной, но Гук прочёл письмо на заседании членов королевского общества. Унижение было публичным, и Ньютон раскалился добела.

Он признал ошибку, признал, что упавший к центру Земли шар примет эллипсоидную орбиту, но привёл математические доказательства того, что орбита будет отличной от предсказанной Гуком. Теперь спор между учёными мужами разгорелся по поводу того, как сила притяжения может изменять траекторию движения небесного тела. Окончательной гипотезой Гука было то, что сила притяжения должна быть обратно пропорциональна квадрату расстояния между объектами, и он просил Ньютона как математика рассчитать, каковы будут траектории движения объектов в этом случае. Ньютон на письмо не ответил.

Иллюстрация закона обратных квадратов: с удалением от источника в два раза интенсивность падает в четыре; с удалением в три раза — в девять и т.д. Закон обратных квадратов действует и для света.

В 1684 году Гук с приятелями сидели в кофейне, и в который раз обсуждали движение небесных объектов. Все соглашались, что сила, заставляющая небесные объекты двигаться вокруг солнца, была обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Но никто не был способен построить математическую модель. Напоследок Гук заявил, что он такую модель уже создал, и просто проводит последние проверки. К словам Гука отнеслись со скептицизмом, ведь обещанную давным-давно детальную модель света он так и не опубликовал. Но один из участников кофепития при посещении Кембриджа сообщил о разговоре Ньютону. Реакция была незамедлительной.

Ньютон прервал многолетнее молчание, и опубликовал небольшую брошюрку «О движении тел по орбите». А затем небольшие публикации полились рекой: Ньютон приучал современников к новой, разработанной им самим математике, и новому научному языку, давшему, например, современный смысл терминам «пространство» и «время». Члены Королевского общество быстро распознали, что впереди замаячило что-то действительно новое и грандиозное, и общество было согласно оплатить печать книги Ньютона — «Математические начала натуральной философии».

В 1686, когда черновик первого тома «Начал» читался членами Королевской академии, Роберт Гук заявил, что идея обратно пропорциональной квадрату расстояния силы притяжения принадлежит ему, а Ньютон использует её без упоминания автора. То есть вторично обвинил Ньютона в плагиате. Реакцию нетрудно было предсказать. Ньютон не спорил, что Гук рассказал ему о своих мыслях по поводу гравитации. Но он, Ньютон, не просил этого делать, имел место обычный в науке обмен идей. К тому же выводы Гука были ошибочны, а верные выводы, хоть и построенные на этой ошибке, принадлежали ему, Ньютону. Теперь Гуку абсурдно утверждать, что всё завертелось из-за него. Ньютон назвал Гука «человеком странного нелюдимого характера», отказался далее признавать его существование, и стал вымарывать все упоминания Гука из своей рукописи.

«Начала», опубликованные в 1687 году, были шедевром. Например, в них Ньютон объяснил прецессию земной оси, упоминавшуюся в предыдущей статье. Обнаружил прецессию древнегреческий астроном Гиппарх около 200 года до н.э., но даже не пытался объяснить. Птолемей, твёрдо уверенный в неподвижности Земли, считал что небеса как-то непостижимо хитро вращаются. Для Ньютона всё было элементарно. Земля кругля и вращается. Вращение создаёт гравитационную силу, которая слегка «сдавливает» Землю у экватора (расстояние от центра Земли до полюса немного меньше, чем расстояние от центра до экватора). На этот пояс с увеличенной массой действуют гравитационные силы Солнца и Луны, заставляющие земную ось описывать круги во время вращения. Более того, Ньютон привёл строгие математические вычисления, предсказывающие скорость прецессии. Их невозможно было оспорить, и это было великолепно.

Однако работу Ньютона читать было совсем не просто. Философ Джон Локк осилил только выводы, а относительно основного содержания написал письмо Гюйгенсу с вопросом: «можно ли доверять расчётам Ньютона?». Пожилой голландец с недоверием отнёсся к «Началам» — там был математический анализ, Гюйгенсу непонятный и ненужный. Он так и не примет новой математики, и до конца жизни будет спорить — с Лейбницем, а не с Ньютоном — о её необходимости. Тем не мене, любой компетентный читатель понимал, что перед ним плод многолетней кропотливой работы, и ни о каком плагиате не может быть и речи. Авторитет Ньютона возрос многократно, а Гук оказался в весьма двусмысленном положении. Особенно учитывая, что Гук собачился и с Гюйгенсом, оспаривая у последнего первенство создания пружинных часов.

Многолетний враг был повержен, научное признание Ньютона резко пошло в гору, и в 1703 году достигло своего пика — он сам был избран секретарём Королевского научного общества. Но только в 1704 году Ньютон опубликовал «Оптику» — фундаментальный труд по вопросу, с которого так неудачно его научная карьера и началась тридцать два года назад. Удивительно, но «Оптика» сильно отличалась от «Начал». Ньютон описывал эксперименты, которые он проводил со светом, и делился своими соображениями. «Оптика» являлась квинтэссенцией экспериментального подхода в науке, в обилии содержала картезианскую геометрию, но содержала минимум математических моделей. Их у Ньютона просто не было.

Двойное лучепреломление кристаллом кальцита

В 1669 году Расмус Бартолин описал двойное лучепреломление — некоторые материалы (кальцит) преломляли свет на два луча в двух разных направлениях. Но и до этого феномен был известен: полумифический «солнечный камень», использовавшийся викингами для навигации оказался двоякопреломляющим исландским шпатом. Если такой кристалл положить на печатную страницу, то внутри него возникали призрачные двойные буквы.

В «Трактате о свете» Гюйгенс посветил исландскому шпату целую главу, называя его трюки «изумительными». Используя закон преломления Снелла-Декарта, он вычислил углы волн, проходящих через шпат, и разделил их на «обыкновенное» и «необыкновенное» преломление. Причём обыкновенный луч подчинялся закону Снелла-Декарта, а углы падения и отражения необыкновенного луча не соответствовали соотношению между синусами. Единый кристалл имел два показателя преломления, и Гюйгенс был в тупике. Ньютон в «Оптике» тоже обратился к исландскому шпату, и повторил технику эксперимента с призмами: подставил под два луча, выходящих из кристалла шпата другой кристалл шпата. Если широкие стороны кристаллов были параллельны друг другу, то второй кристалл также преломлял выходящие из первого лучи на два. Но если второй кристалл повернуть на 90°, стороной, то преломлялся только один луч. Это было так странно, что Ньютону сказать было совсем нечего. Максимум, на что его хватило, это неудобоваримая гипотеза, согласно которой у каждого луча было «четыре стороны или четверти, две из которых были причиной свойства, вызывающего необычное преломление, а другие две не имели к ней отношения».

Гюйгенс ввёл понятие «оптической оси» кристалла, смог рассчитать углы и показать, что происходит вписывающееся в волновую теорию преломление, хотя и необычное, и без объяснения, отчего так ведёт себя только исландский шпат. Но если Гюйгенс прав, и свет имеет максимальную скорость в воздухе, а в среде замедляется, то тогда утверждавшая обратное корпускулярная теория даже преломление — ключевое наблюдение — объясняла ошибочно.

В 1665 году посмертно была опубликована небольшая брошюра о свете, написанная преподававшим в университете Болоньи оптику профессором, священником-иезуитом отцом Франческо Гримальди. В ней он описал, что тень от круглого объекта, помещённого перед источником света, была больше ожидаемой, и имела размытые края, как будто свет слегка загибался за них. Другими словами, Гримальди описал дифракцию света, причём недвусмысленно заключал, что дифракция является четвёртым способом распространения света, наряду с движением по прямой, отражением и преломлением. Но если бы свет был частицей, края тени были бы резко очерчены. Ньютон на это спекулировал в своём обычном ключе — объекты обладают силой притяжения, которая, собственно, и притягивает часть корпускул к краю. Остальные частицы летят дальше, что и создаёт иллюзию размытости.

Но отец иезуит сделал ещё кое-что. Он светил лучом на поцарапанную металлическую пластину, и наблюдал, как на поверхности пластины луч распадается на блёклые цвета. Тот же эффект сейчас можно увидеть на поверхности любого компакт-диска, если светить на него под правильным углом. Гримальди впервые описал дифракционную решётку — прибор, в котором световая волна разбивается штрихами решётки на отдельные пучки света, претерпевающие дифракцию на штрихах и интерферирующие друг с другом. Поскольку для разных длин волн максимумы интерференции будут под разными углами, белый свет разложится на спектр. Разумеется, механизма действия он не знал, однако позже Гюйгенс предположил волновой характер явления, а у корпускулярной теории опять не было никакого ответа. В третьем томе «Оптики» Ньютон привёл описание повторения эксперимента Гримальди, и сообщил, что видел цветные полосы дифракционной решётки, но не сделал никаких выводов относительно предполагаемого четвёртого пути распространения света. Он планировал полное изучение дифракции, но так никогда и не сделал этого.

Кольца Ньютона

И наконец, сам Ньютон впервые описал и начал изучать то, что позже оказалось интерференцией световых волн. Эксперимент был прост: на плоский кусок стекла ложилась неглубокая выпуклая линза, и если на линзу аккуратно нажать, то при хорошем освещении становились видны концентрические серии цветных кругов — попеременно ярких и тёмных — которые получили название «кольца Ньютона». Наличие колец явно указывало на какую-то периодичность, но корпускулы не могли так вести себя, и у Ньютона не было объяснения.

Кольца проявляются оттого что тонкий слой воздуха между стеклянной пластиной и линзой при нажатии сужается, и совпадает или не совпадает с длинами волн падающего света. Там, где кольцо тёмное, произошла деструктивная интерференция, и световые волны погасились на слое воздуха. Когда кольцо светлое или цветное, произошла конструктивная интерференция: амплитуды волн сложились, и слой воздуха усилил волны. Мягко нажимая на линзу или стеклянную пластину можно манипулировать положением колец, так как попеременно уменьшается или увеличивается толщина слоя воздуха. Такой тип интерференции можно видеть, например, на тонком слое воздуха между двумя стеклянными пластинками. Распознать это в то время, конечно, было невозможно.

Таким образом даже самим Ньютоном при работе над «Оптикой» было собранно достаточно фактов, не укладывавшихся в корпускулярную теорию. Ньютон, несмотря на издержки своего характера, был настоящим учёным, и осознавал всю шаткость теории. Содержание «Оптики» вместо списка постулатов скорее представляло собой список сомнений. Ньютон допустил, что восприятие цвета мозгом имеет волновую природу, подобно восприятию волны звука ухом. Для объяснения природы интерференционных колец он даже допустил, что корпускулы могут создавать волны в эфире. Наконец-то Ньютон был не против поспорить, но спорить было не с кем. Единственный достойный оппонент — Гюйгенс — умер в 1695 году. Все остальные считали непререкаемым авторитетом самого Ньютона, а даже если и имели другое мнение, то предпочитали помалкивать, памятуя о его отношении к критике.

Знаменитый афоризм Ньютона (адресованный Галилею): «я смог видеть так далеко только оттого, что стоял на плечах гигантов» по праву считается лучшим выражением признательности учёного своим предшественникам. Но современники Ньютона знали и вторую, человеческую сторону этих слов. Роберт Гук умер в 1703 году, понимая, что Ньютон станет следующим секретарём общества. Ни осталось ни одного портрета Гука. Он не позировал для художников, поскольку был больным человеком. Гук был сгорбленным, ниже среднего роста, бледным, с непропорционально большой головой и выпученными глазами. Никому не пришло бы в голову назвать Гука «гигантом», и Ньютон не смог удержаться, чтобы не пнуть его совсем ниже пояса. Карлик Гук был настолько хил, и физически, и умственно, что, забравшись на его плечи, не увидишь и дальше собственного носа. Именно это современники слышали в афоризме Ньютона в первую очередь, хотя многие признавали, что нападки не совсем справедливы. Всё же Гук фактически являлся основателем клеточной биологии, а также одним из главных архитекторов, восстанавливавших Лондон после чумы и Великого пожара. Но он перешёл дорогу Ньютону, был раздавлен, и желающих примерить на себя острословие последнего больше не находилось. Ненависть была столь сильна, что отсутствие портретов Гука долгое время объяснялось тем, что Ньютон, став секретарём общества, приказал все их уничтожить. Скорее всего это не так, но современники легко в такую версию поверили. Трудно себе представить лучшую характеристику того, как считавший себя богоизбранным Ньютон относился к критике, и людям, её себе позволявшим.

Ньютон умер 27 марта 1727 года в возрасте 84 лет. За несколько дней до смерти он продолжал работать над книгой под названием «Хронология древних царств». В этой, типичной для себя книге, Ньютон пытался сортировать мировую историю, связать её с библейскими преданиями, узнать из данных Ветхого Завета геометрию храма Соломона, построить модель и прочесть скрытые там послания.

О Ньютоне написаны десятки книг, сочинено множество историй (яблоко, пожизненная девственность) и без него не обходится ни один учебник физики. Ещё при жизни его слава была настолько велика, что когда в 1698 году Пётр I посетил Лондон, он попросил показать чудеса света: лондонские верфи, королевский монетный двор, и Исаака Ньютона. Но сейчас нет человека в здравом уме, который станет читать «Хронологию древних царств». Просто оттого, что эта книга не имеет смысла. За свою жизнь Ньютон совершил исключительные открытия в реальности. А в мире фантазий остался ровно там же, где был в юности, разделяя единый спектр света на «мистические» семь цветов. Дело не в том, что Исаак Ньютон в чём-то ошибся. Все в разной степени ошибались. Сейчас мы знаем, что свет не только не отражается и не преломляется, он даже не движется по прямой линии [5]. Дело в том, что единственным критерием истинны является прогресс и постижение нового. А двигаться вперёд можно, только исследуя то, что существует.

В «Оптике» Ньютон пишет: «Не являются ли Лучи Света очень маленькими Телами, исходящими от светящихся Субстанций?»; и продолжает: «как Природа постоянно превращает одно в другое, головастиков в жаб, а личинок в мух, почему ей не превращать Тела в Свет и Свет в Тела?». Именно так всё и обстоит как на Солнце, так и за его пределами: энергия постоянно переходит в массу и наоборот — E = mc2 — хотя это и не совсем то, о чём грезят «мистики». Но читаем далее: «люди возможно уже знали ответы, но утратили их из-за поклонения фальшивым Богам, Солнцу, Луне, и мёртвым Героям». Здрасьте, опять взялся за своё.

«Оптика», в отличие от «Начал», не наделала много шума. В Англии положились на авторитет Ньютона, во Франции остались верны Декарту. После смерти Ньютона его теорию во Франции пропагандировал Вольтер, но, учитывая личность Вольтера, для большинства французских учёных это была не лучшая реклама. Роль играла и извечная «любовь» европейских наций друг к другу. Дело дошло до того, что Вольтер в своих открытых письмах к публике спрашивал: «Отчего вы боитесь принять правду? Только потому что её сказал англичанин?».

Обзорная работа «Элементы философии Ньютона» вышла во Франции в 1738 году, и парадигма сдвинулась. Вторая великая европейская нация приняла идеи Ньютона, и корпускулярная теория света стала не просто доминирующей, а фактически единственной, хотя в самой книге её автор почти открыто говорил, что не полностью в ней уверен. Но если уж попал в учебник, то застреваешь в нём надолго.

Далее: Свет — это волна, и ничто другое
← Ранее: Смена времён года

Источники

  1. Walmsley, I. (2015) Light: A Very Short Introduction. Oxford University Press.
  2. Kraus, L. (2017) The greatest story ever told - so far. Atria Books.
  3. Palash B. Pal (2015) At the Root of Things. The Subatomic World. CRC Press.
  4. Beeson, S and Mayer, J. (2008) Patterns of Light: Chasing the Spectrum from Aristotle to LEDs. Springer Science+Business Media, LLC .
  5. Йонсен З. (2012) Оптика жизни. Руководство биолога по свету в природе. Princeton University Press. https://babylonzoo.blog/optics/interference.html

Литература

  1. Сивухин Д.В. (2002) Общий курс физики. Т.IV. Оптика. М.: ФИЗМАТЛИТ.
  2. Тарасов Л. В., Тарасова А. Н. (1982) Беседы о преломлении света. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. (Библиотечка «Квант». Вып. 18).
  3. Laserna D. (2015) Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом. Пер. с итал. — М.: Де Агостини.
  4. Freistetter, F. (2018) Isaac Newton: the asshole who reinvented the universe. Prometheus Books.
Все заметки категории «Свет и фотобиология»
Комментировать заметку