Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

Российской академии наук

Р Е Ф Е Р А Т

по дисциплине «История и философия науки»

на тему «Волновая и корпускулярная теории в оптике Ньютона и их роль в возникновении спектроскопии»

Семенова Анна

Нижний Новгород

2013

Оглавление

• Введение
• 1. Предпосылки возникновения спектроскопии
• 2. Оптика до Ньютона
• 2.1 Оптика в период Античности
• 2.2 Оптика в Средние Века
• 2.3 Оптика в период Возрождения
• 3. Оптика Ньютона
• 3.1 Краткая биография ученого
• 3.2 Теория цвета Ньютона
• 3.4 Корпускулярная и волновая теории с точки зрения Ньютона
• Заключение
• Библиография

Введение

Существуют понятия, смысл которых ясен интуитивно, однако дать точное определение которым сложно, если не невозможно.

Вот, например, короткое слово «наука». Что именно оно означает?

Если выйти на улицу и спросить первого встречного, знает ли он, что такое «наука», то вопрос, скорее всего, будет понят не верно. Человек может подумать, что речь идет о каком-нибудь новейшем достижении в конкретной области науки, о которой он раньше никогда не слышал, а может и обидеться. оптика ньютон спектроскопия

В лучшем случае ответ будет звучать примерно так:

«Наука - это тогда, когда пишут формулы, ставят опыты, изобретают, делают открытия, работают ученые…»

или:

«Наука - это то, что пишут в специальной литературе, изучают в ВУЗе, делают ученые».

То есть, наука определяется через ее проявления.

Самое интересное заключается в том, что в философии так же нет простого и четкого определения, что же скрывается за словом «наука». Смысл этого понятия определяется через его проявления. Можно выделить три ипостаси науки:

1) «Это тогда, когда все через формулы» - наука, как особый вид мировоззрения.

2) «Это то, что делают ученые» - наука, как специфический вид деятельности.

3) «Это то, чем занимается Институт» - наука, как социальный институт.

Из-за отсутствия четкого определения, что же такое «наука вообще», очень трудно провести грань между наукой и не-наукой. Сложно установить статус еще не доказанной гипотезы или, напротив, теории уже развенчанной, опровергнутой, но существовавшей и развивавшейся, такой, как принцип относительности Галилея в физике или флогистон Шталля в химии. Еще сложнее отделить науку и не-науку в историческом плане, установив день и час, когда наука произошла от своих предшественников.

История великих научных открытий в той или иной мере хорошо изучена. В справочной литературе нетрудно найти, что Ньютон поставил свой знаменитый опыт по преломлению света призмой в 1666 году, а Энштейн объяснил законы фотоэффекта в 1905.

Но год и даже век возникновения науки, как таковой, не установлен до сих пор.

Создал ли науку первобытный человек в каменном веке, когда привязал камень к палке и тем самым впервые применил знания и воображение для изменения природы, для создания нового объекта с заданными свойствами?

Или же наука родилась в Античности, когда философы потребовали логического обоснования всякому знанию?

Создали ли науку труды английских эмпириков XIII века, разработавших основы научного эксперимента?

Или же следует отдать честь отца науки Галилео Галилею, впервые использовавшему математическое описание явлений и мысленный эксперимент?

Возникла ли наука вместе с появлением профессии «ученый» в XIX веке, когда в лаборатории Либиха соединились процессы подготовки студентов и исследования мира, а Нобель заработал целое состояние при помощи своих знаний и исследований?

А может, раз мы еще не знаем, что такое наука, то науки еще нет? Может, наука еще только начинает быть, и ее пока смутный образ, подобно ее определению, еще только складывается из разрозненных мозаичных кусочков знания, метода, принципов построения истинного знания и принципов взаимоотношений ученых между собой и со всем остальным миром?

Кто-то может предположить, что наука - понятие слишком абстрактное и широкое, чтобы загонять его в рамки определений и дат. Существует же деление науки на отрасли: физика, химия, биология, математика…. Эти отрасли развивались по-разному. Так, в XVII веке развитие физики шло семимильными шагами, тогда как химия оставалась еще на уровне алхимии.

Но и в конкретной области науки трудно однозначно определить дату возникновения: можно ли считать первыми физическими исследованиями наблюдения первобытного человека за тем, как горит огонь, как течет вода, как лавина сметает все на своем пути, а первым опытом - камень, брошенный на голову пещерному медведю?

Была ли алхимия в Средние Века одним из этапов развития науки химии или же мистическим учением? Алхимическая гипотеза о трансмутации веществ противоречит современному научному знанию, но в отсутствии нынешней концепции химических элементов выглядит едва ли более неестественной, чем гипотеза о гелиоцентрическом устройстве Солнечной Системы выглядит в отсутствии практически всех современных астрономических знаний - каждый же день видно, что солнце движется по небу.

Трудно, если не невозможно, ответить на вопрос: какое же именно событие послужило началом науки вообще или же какой-либо конкретной научной области, разделив науку, не-науку и донаучное знание.

Даже если взять такую узкую и относительно молодую область физики, как спектроскопию, можно увидеть, что корни ее уходят очень и очень глубоко. Так, первые спектроскопические эксперименты были проделаны Бузеном и Кирхгофом в 1859 году. В этих экспериментах эмиссионные спектры («пробу на окрашивание пламени») и спектры поглощения использовались для контроля чистоты химических веществ и для градуировки оптического инструмента. Как указывают некоторые источники [9], идея использования спектрального анализа вещества для контроля его чистоты возникла, когда Бузен обнаружил совпадение линий спектров пламени, окрашенного парами некоторых веществ, с Фраунгоферовскими линиями в солнечном спектре.

Фраунгоферовы линии, в свою очередь, были открыты Волластоном [10] в 1802 году в результате очень тщательного и высокоточного исследования солнечного спектра. Другое открытие, так же сделанное в начале XIX века в результате тщательного изучения видимого спектра солнечного света - открытие инфракрасного и ультрафиолетового излучения, подчиняющегося обычным законам оптики (прямолинейное распространение, преломление, отражение).

Едва ли идея провести изучение свойств различных цветов солнечного спектра возникла бы без современной концепции о цвете, согласно которой, цвет является свойством электромагнитного излучения, а не иллюзией, возникающей только в глазу, и не свойством поверхности предмета.

Первые предположения подобного рода высказывал Рене Декарт, затем такая теория света и цвета была развита Исааком Ньютоном и Франческо Мариа Гримальди [2].

Но можно заметить, что эффект преломления света, разложение белого света в спектр было известно задолго до Ньютона. Так, Франческо Марволик, наблюдал преломление света призмой уже в XVI веке и показал, что образующиеся при этом цвета совпадают с цветами радуги. А уж радуга, это прекрасное и величественное явление природы, была известна человеку еще на заре первых цивилизаций, так же, как и игра света в гранях драгоценного камня или отражение света от воды, стекла и отшлифованной поверхности металла.

Так нельзя ли сказать, что ювелир в Древнем Египте, шлифующий драгоценные камни для украшений или бронзовую пластинку для зеркала, уже создавал некие предпосылки для развития спектроскопии?

Но тогда и возникновение «первичного спектроскопического знания» можно отнести в незапамятные времена, когда человек впервые наблюдал игру отражения и преломления света на поверхности реки или озера?

В моем реферате я планирую рассмотреть исследования Ньютона, посвященные изучению природы цвета, взгляды этого великого английского ученого на корпускулярную и волновую теории природы света, а так же - роль, которую сыграли исследования Ньютона и построенная им теория в возникновении спектроскопии.

1. Предпосылки возникновения спектроскопии

Френсис Бэкон в сочинении «Новый органон», вышедшем в 1629 году, предложил метод построения научного знания, основанный на эксперименте и индукции. Согласно Бэкону, не следует сваливать в кучу случайно полученные знания, подобно муравью, который все тащит в свой муравейник, равно как и не следует строить замысловатые конструкции, основанные единственно на своих измышлениях, подобно пауку, плетущему паутину из нитей, которые сам же прядет. Для успешного построения истинного научного знания следует собирать экспериментальные факты, раскладывая их по полочкам, подобно тому, как пчела собирает нектар с цветов и раскладывает его по упорядоченным ячейкам-сотам.

Подобный «путь пчелы», путь индукции на мой взгляд очень хорошо описывает возникновение не только отдельных теорий, обобщающих экспериментальное знание, но даже и целых областей науки, например, радиоспектроскопии.

В самом деле, наука эта не возникла из ничего, не свалилась в 1933 году Клитону и Вильямсу, как снег на головы, но возникла из своих предшественников, продолжив идеи и методы оптической спектроскопии в новый частотный диапазон.

Точно то же самое можно сказать и об оптической спектроскопии, которую, пожалуй, можно считать матерью всех последующих спектроскопических исследований. Едва ли эта наука могла бы зародиться, скажем, во времена Античности. Философы Древней Греции относились к чувственному восприятию и опытам с некоторой пренебрежительностью - ведь чувства могли и обманывать, кроме того, чувственным восприятием обладали животные и рабы. Человека, занятого проблемой рационального познания первооснов мира построением логических цепочек, едва ли заинтересовал бы чисто опытный факт, что пламя окрашивается определенным цветом, в зависимости от того, какие вещества были добавлены в огонь. Если мы видим цвет пламени не таким, какой он есть - то не зачем и уделять внимание этой ошибке. А если же мы видим пламя таким, какое оно есть, то надо найти первооснову и установить ее свойства - тогда все явления станут понятны, как частные проявления свойств (целей? души?) этой первоосновы.

2. Оптика до Ньютона

2.1 Оптика в период Античности

Первые рассуждения об оптике, о том, как распространяется свет и о том, как работает зрение, встречаются еще у философов Античности. С точки зрения современного физика представления эти кажутся не только наивными, но так же противоречивыми, запутанными и зачастую неверными, однако следует учесть, что эти представления и теории едва ли могли на что-то опираться. В самом деле, согласно одной из теорий (см. Введение), наука возникла как раз в Древней Греции трудами великих философов. Эти философы были первопроходцами, и не могли воспользоваться знанием прежних эпох и поколений - то знание было разрозненным, отчасти - набором чисто практических рекомендаций обыденного мировоззрения, отчасти же было представлено в виде мифов и легенд. И первое, и второе не опиралось ни на какое рациональное обоснование (разве что размышления вроде «так было и будет», «известно, что происходит именно так», «я видел это собственными глазами»). Кроме того, если мифологическое мировоззрение пользовалось определенным авторитетом, то обыденные знания, «жизненный опыт» и то, что сообщают нам органы чувств, философы отвергали. Чувство низменны: органами чувств обладают и рабы, и животные. Чувства могут обманывать человека, тогда как строгая система логических выводов лгать не может. Вероятно, в таком несколько пренебрежительном отношении к знанию, получаемому лишь при помощи органов чувств, заключались причины не только явного противоречия некоторых философий с реально наблюдаемыми процессами (например, Зенон отвергал возможность движения), но и «странности» теорий, описывающих сами механизмы чувственного восприятия. В самом деле, философы и ученее Древней Греции стремились в первую очередь познать вещество или принцип, лежащие в основе всего сущего - первооснову, первопричину (архэ) и закон ее функционирования (Космос или Логос). Если познать таковую основу, то все остальные, «мелкие» проблемы могут быть разрешены просто выведением частного из этой общей первоосновы.

Однако и в те времена существовало уже несколько мнений относительно механизмов зрения, неразрывно связанных тогда с оптикой. Например, пифагорейцы полагали, что из глаз человека истекает некий флюид, «ощупывающий» видимые предметы - подобно тому, как слепой ощупывает палкой свой путь (такая теория получила название теории зрительных лучей). Атомисты, напротив, полагали, что материальные предметы испускают некие «образы», «призраки», которые, попадая в наши глаза, и создают ощущение зрения. Эти две концепции были объединены Платоном, согласно концепции которого, образ в сознании человека возникает при взаимодействии «мягкого света дня», «ровно и сильно бьющего» из наших глаз, с флюидом, исходящим от тела. При этом, согласно Платону, человек видит только те тела, флюиды которых родственны «зрительным лучам», однако могут существовать и такие объекты, флюид которых не родственен «зрительным лучам» и никакого зримого образа в сознании не создает [2]. Вероятно, к таким объектам относились идеи и понятия, которые, согласно Платону, являются первичными по отношению к вещам.

Ни концепция «зрительных лучей», ни концепция «образов», испускаемых материальными телами, не может объяснить, скажем, от чего человек видит днем лучше, чем ночью, или от чего подчас зрительный образ отличается от действительных вещей. Например, человек видит предметы, отраженные в зеркале, там, где их заведомо нет, а если смотреть на отражение предмета в кривом зеркале или на предмет, частично погруженный в воду, то изображение получится искаженным. Однако, как уже упоминалось выше, несоответствие теории видимым фактам в эпоху Античности скорее говорило против фактов или против истинности их восприятия, но уж никак не против теории.

Тем не менее, уже в Древней Греции были известны некоторые законы геометрической и физиологической оптики [2]. Например, первый постулат в «Оптике» Евклида гласит: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Этот постулат в виде основного принципа физиологической оптики, дожил до наших дней. Сходное утверждение содержится и в «Катоптрике»: «Все, что видно, видно по прямой». Евклид не ограничивается простой констатацией факта, на десяти (по другим сведениям, двенадцати) постулатах «Оптики» он строит геометрическое рассмотрение оптики, исследует геометрические проблемы, связанные с прямолинейным распространением света, например, образование тени. Закон перспективы так же является одним из постулатов «Оптики»; понятия «конуса зрения» и точки наблюдения из этого закона актуальны и сейчас:

«Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета».

В «Катоптрике» дается точный закон отражения света, рассматривается ряд задач с отражением от плоских и сферических зеркал. Решения этих задач и ряд выводов, сделанных из них, вполне согласуется и с современной наукой. И не удивительно. В самом деле, для решения задач геометрической оптики в принципе не важно направление распространения лучей света: от предметов к глазам или от глаз к предметам. При изменении направления распространения лучей на противоположное конфигурация прямых или ломанных (с точками излома на зеркале) линий, вдоль которых распространяются лучи, углы, которые эти линии образуют друг с другом и с поверхностью зеркала, расстояния до предметов и размеры предметов остаются неизменными. Для решения таких задач на основе постулатов «Оптики» и «Катоптрики» Евклида требуется лишь знание геометрии. Однако в «Катоптрике» содержится и внутреннее противоречие: если свет отражается от зеркала, то почему же человек «видит по прямой»?

Другой античный трактат по оптике - «Оптика» Птолемея - написан в том же духе, что и работы Евклида. Однако Птолемей не ограничился рассмотрением прямолинейного распространения и отражения света - он исследовал законы преломления, установил, что в результате астрономической рефракции кажущееся положение звезд выше истинного. Кроме того, Птолемей исследовал не только геометрическую оптику, но и описал процессы, лежащие в основе восприятия оптических иллюзий.

Исследование вопросов оптики философами Античности показывают, что несмотря на приоритет, принадлежавший рационализму, как методу познания, а первооснове и первопричине, как объекту исследования Вероятно, отсюда проистекает прекрасное изучение геометрии в период Античности (недаром та геометрия, которой мы пользуемся и сейчас для описания мира, в котором живем, носит имя Евклида). Ведь геометрия, как область математики, работает в основном с идеальными объектами, для изучения которых логические наблюдения и построения нужны много более, чем наблюдения., другие области исследования все же не оставались вовсе без внимания. Более того, на взгляд автора реферата, изучение оптики невозможно без использования хоть в какой-то мере знания, полученного путем наблюдений и опытов.

Античная теория оптики, запутывающая физиологическую и геометрическую оптику, порой оказывала последующему развитию науки «медвежью услугу», особенно в Средние Века, когда отдельные труды древних мыслителей были возведены в ранг догматов, не подлежащих обсуждению или оспариванию. Однако именно в период Античности были заложены первые основы оптики.

2.2 Оптика в Средние Века

После упадка древнегреческих цивилизаций и завоевания Египта, части территории Испании, Италии и Византии - стран, где была распространена Античная культура - арабами началась ассимиляция культуры Античности с культурой Средневекового Востока. Благодаря этому труды и достижения мыслителей Древней Греции сохранились и вернулись в Европу уже с Востока.

Самая оригинальная работа по оптике, написанная в Средние века, принадлежала, пожалуй, перу Ибн аль-Хайсама, более известного в Европе под именем Альхазен [2, 3, 4, 11]. Используя анатомическое строение глаза, приведенное Галеном во II веке нашей эры, и подкрепив его медицинскими исследованиями Альхазен рассматривал различные случаи ослепления, в особенности, боль в глазах и возможное ослепление, которое причиняют яркий свет., Альхазен делает фундаментальный постулат:

«Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза».

Второе открытие Альхазена, по значимости не уступающее первому, а то и превосходящее его, состояло в том, что человек не воспринимает весь зрительный образ объекта со всех сторон целиком и одновременно. Напротив, Альхазен разложил этот сложный процесс на множество элементарных, положив, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует определенная воспринимающая точка глаза. Здесь стоит отметить, что Альхазен почему-то считал воспринимающей частью глаза не сетчатку, а хрусталик. Подобное мнение выглядит весьма странно для блестящего ученого, великолепно для своего времени знавшего не только оптику, но и строение глазного яблока - ведь хрусталик тело прозрачное. Кроме того, если воспринимает хрусталик, зачем бы понадобилась вся остальная часть глаза за ним? Льоцци [2] объясняет это тем, что, продолжив ход лучей внутри глаза за хрусталик на сетчатку, Альхазен пришел к выводу, что изображение на сетчатке непременно должно быть перевернутым. Однако подобный вывод противоречит «здравому смыслу» - ведь никто же не видит мир перевернутым.

Альхазен, пожалуй, одним из первых использовал камеру - обскуру, причем свои опыты он ставил, судя по сохранившимся описаниям, с величайшей тщательностью. В результате этих опытов Альхазен приходит, например, к выводу о том, что лучи, исходящие от разных тел, вполне могут пересекаться и при этом не взаимодействуют. Этот вывод невероятно важен для оптики. Он означает, что (во всяком случае, до некоторого предела мощности) лучи света не видоизменяют друг друга или же среду, в которой распространяются В противном случае было бы возможно взаимодействие лучей через это изменение среды.. Каждая последующая теория о природе света должна была согласовываться с этим принципом. Если свет - флюид, то флюид этот не может иметь ни веса, ни плотности, ни упругости. Если поток корпускул, то корпускулы эти должны быть достаточно малы и достаточно разряжены, чтобы не сталкиваться друг с другом. Если же свет - это волна, то такие волны должны взаимодействовать по линейным законам, когда эффект от наложения двух волн всегда есть только сумма эффектов.

Работа Альхазена, пожалуй, дала первый толчок к разделению физиологический и геометрической оптики. Эта работа содержит очень важные для оптики выводы, значение которых трудно переоценить. Однако, к сожалению, работа Альхазена мало была известна в Европе, хотя и знаменита. Более распространен в Средние Века был трактат Вителлия, человека, о личности которого мало что известно [2]. В его трактате, по существу, изложено содержание и методы физики арабов, там есть лишь два новых факта по сравнению с Альхазеном: доказательство того, что параболическое зеркало имеет единственный фокус (однако это положение, похоже, было сформулировано еще греческими авторами) и тщательное изучение радуги.

2.3 Оптика в период Возрождения

Из-за оптических иллюзий, описанных еще мыслителями Античности, а затем - Альхазеном в Средние Века, - к оптике в Средние Века сложилось настороженное, недоверчивое отношение [2]. Зрение считалось самым обманчивым из всех чувств. Вероятно, это удержало Франческо Марволика от опубликования его труда по оптике - самого оригинального труда по оптике со времен Вителлия. Трактат Марволика разделен на две части: первая посвящена прямолинейному распространению света и его отражению от зеркал различной формы (плоским, сферическим, коническим и так далее), вторая - преломлению, радуге, аномалиям глаза и коррекции зрения с помощью очков. Так, Марволик вводит фундаментальное положение теории зрения - лучи преломляются на хрусталике Отсюда следует, что именно аномалии хрусталика приводят к таким пробемам со зрением, как близорукость и дальнозоркость., органом же восприятия является сетчатка глаза. Однако вместо того, чтобы принять перевернутое изображение на сетчатке, Марволик использует сложное построение, должное показать, что изображение получается непременно прямым.

В геометрической оптике основная заслуга Марволика связана с изучением преломления света. Так, Марволик исследовал преломление света стеклянной сферой и наблюдал диакаустику. Марволик первым обнаружил способность призмы раскладывать солнечный свет в спектр, и, что кажется удивительным, первым описал семь цветов радуги (у Вителлия упоминалось всего три цвета). Кроме того, Марволик заметил, что эти цвета совпадают с цветами солнечного спектра, полученного при помощи призмы. Это открытие могло бы показать, что радуга образуется из-за процесса, аналогичного происходящему с солнечным светом в стеклянной призме. Но, к сожалению, в те времена господствовала точка зрения, высказанная еще в Античности: свет сам по себе не имеет цвета, цвет - нечто другое, совершенно отдельное, связанное скорее со свойствами поверхности вещей. В период от Марволика до Ньютона считалось (вероятно, так считал и сам Марволик, хотя на это прямых указаний нет), что призма «навязывает» цвета свету, то есть, обладает свойством значительно (и, скорее всего, необратимо) изменять солнечный свет, примешивая к нему изначально несвойственное качество цвета.

Но все же роль этого открытия в создании теории света весьма значительна. Поставив на пути веерообразно расходящихся после призмы цветных лучей белый экран, можно наблюдать на этом экране цвета, изначально ему не присущие. Если затем убрать призму, то можно убедиться, что сам по себе экран цвет не изменил и остался белым. Следовательно, цвет далеко не обязательно есть свойство поверхности предмета, а может быть связан со светом. Автор реферата не находил в литературе свидетельств, что кто-либо до Ньютона проводил подобный опыт и, тем более, сделал именно такие выводы. Сейчас этот опыт представляется простым и даже естественным: ведь солнечные лучи могут наблюдаться либо с помощью экрана, либо в сильно запыленном (задымленном или заполненным туманом) воздухе, и первое представляется более простым для реализации, нежели второе. Так же очень сомнительно, что призма непрерывно стояла на своем месте и освещалась так же непрерывно в течение многих суток под одним и тем же углом. В какой-то момент ее должны были убрать или (если опыт и вправду проводился более нескольких часов), призма перестала бы освещаться солнцем (из-за ночи или плохой погоды). В любом случае, в какой-то момент «цветные лучи» перестали бы падать на экран, при этом нетрудно заметить, что экран сам по себе окрашенным не стал. Однако такое явление, во-первых, надо заметить, а во-вторых, задуматься, почему же оно произошло, как оно могло произойти, если цвет бывает заключен только в материальном теле. До подобного опыта и подобной мысли нетрудно дойти в наше время, во время существования вполне сформированной теории цвета, однако придумать их самостоятельно могло быть значительно труднее. Таким образом можно было бы прийти к современной теории о свете и цвете. Но чтобы это сделать, потребовался гений Ньютона.

Обратимся к истории.

Великий ученый: математик, оптик, механик и астроном, первооткрыватель законов движения планет Солнечной Системы - Иоганн Кеплер - написал в 1604 году фундаментальный труд по оптике «Паралипомены к Вителлию», а в 1611 году - уточняющую и дополняющую его «Диоптрику» [1, 2, 3, 4, 6, 7, W]. В этих работах прекрасно для того времени рассматриваются вопросы геометрической оптики и механизмов зрения, Кеплер делает важные открытия:

1) При преломлении лучей, проходящих через задиафрагмированную сферу, одна точка изображения соответствует одной точке предмета, а параллельный поток лучей сходится в точке, которую Кеплер назвал «фокусом».

2) Кеплер продолжил ход лучей света до сетчатки глаза и показал, что изображение на сетчатке непременно будет перевернутым, однако из этого не следует, что мы видим мир перевернутым, опрокинутым, «вверх ногами»: глаз может воспринимать нижнюю точку изображения на сетчатке, как верхнюю, а левую - как правую, таким образом обеспечивая восприятие мира именно таким, как он есть.

3) Кеплер усовершенствовал рефрактор Галилея, заменив схему с выпуклой (собирающей) и вогнутой (рассеивающей) линзами на схему с двумя выпуклыми линзами. Данная схема обеспечивала значительно более широкое поле зрения, в котором все объекты были видны отчетливо, по сравнению с «голландско-галилеевой трубой» с выпуклой и вогнутой линзами.

Но вот что пишет Кеплер о природе цвета в «Паралипоменах к Вителлию» [2, 8]:

«Цвет - потенциальный свет, заключенный в прозрачной материи (если вообще он может считать чем-то независимым от зрения), а различные свойства в природе материи, в зависимости от ея разреженности или плотности, прозрачности или непрозрачности, обуславливают разнообразие цветов. (…) Несомненно, что они [цвета] обязаны своим существованием ослаблению света и прибавлению водянистого материала.»

Сходного мнения придерживался знаменитый (так его называл сам Ньютон) Антониа де Доминика. В его трактате о свете читаем (цитаты из доклада Мандельштама, [6]):

«Если в теле заключен чистый свет, как, например, в звездах или огне, и этот свет теряет по какой-нибудь причине свой блеск, то он кажется белым светом.

Если к свету примешивается некоторое количество тьмы, которая все же позволяет свету проходить и не поглощает его всецело, тогда появляются промежуточные цвета. На этом основании огонь кажется красноватым, потому что смешан с дымом, затемняющим его… Существуют три промежуточных цвета: наименьшая примесь тьмы производит красный цвет…»

Иных взглядов придерживался Рене Декарт, один из величайших философов XVI-XVII веков, отвергший схоластический метод познания и разработавший рациональный метод [1, 2, 8, W]. В своей «Диоптрике» часть знаменитого труда «Рассуждение о методе, как средстве направлять свой разум и отыскивать истину в науках. С приложениями: Диоптрика, Метеоры и Геометрия», вышедшего в 1637 году [2] Декарт утверждает, что мы различаем цвета по различным способам воздействия света на наши глаза. Более явно это звучит не в «Диоптрике», а в VIII главе «Метеоров»:

«Природа цвета заключается лишь в том, что частицы тонкой материи, передающей действие света, стремятся с большей силой вращаться, чем двигаться по прямой линии. Таким образом, те, которые вращаются с гораздо большей силой, дают красный свет, а те, которые вращаются лишь немного сильнее, дают желтый… И во всем этом рассуждение так хорошо согласуется с опытом, что, по-моему, хорошо познав то и другое, невозможно сомневаться в том, что дело происходит именно так, как я это сейчас объяснил.»

Пожалуй, это первый в истории науки пример представления цвета, как физико-физиологического явления, обязанного различным ощущениям, возникающим в глазу и вызываемым различным движением светоносных частиц.

Следует заметить, что в «Диоптрике» Декарт не делает однозначного вывода о природе самого света, используя для объяснения механизмов зрения и законов геометрической оптики три взаимопротиворечивые аналогии:

1) «Свет является неким движением или неким действием» Подобную аналогию впервые выдвинули философы Древней Греции, сравнивая световые лучи с палкой, которой слепой ощупывает предметы вокруг себя., которое через воздух и другие прозрачные тела идет от светящегося тела к глазам.

2) Свет является потоком тонкой материи: как два потока виноградного сусла вытекают, не мешаю друг другу, из двух отверстий в дне чана, полного винограда, так и потоки тонкой материи, исходящей из Солнца к нашим глазам, не возмущают друг друга и не возмущаются обычной материей Следует заметить, что в XVII-XVII веке вообще были популярны «тонкие материи», с помощью которых объясняли явления теплопроводности, электропроводности, горения и окисления (флогистон Шталля)..

3) Световой луч подобен брошенному материальному телу Первым подобную аналогию выдвинул арабский ученый и философ Альхазен [2]..

Как мы видим, первая аналогия напоминает волновую теорию света Я понимаю эту аналогию, как нечто, близкое к первым волновым теориям света (разработанным Гуком и Гюйгенсом): свет - волны, распространяющиеся в эфире, т.е., некое возмущение материи, но не сама материя непосредственно., вторая и третья содержат идею о материальности света. Но если аналогия потока света с потоком жидкости предполагает, что два пересекающихся луча не мешают друг другу, то аналогия каждого луча с брошенным материальным телом противоречит этому предположению.

3. Оптика Ньютона

3.1 Краткая биография ученого Приведенная выше информация о биографии Исаака Ньютона является практически точной цитатой отрывка из статьи Большой Советской Энциклопедии «Ньютон, Исаак». Однако автором данного реферата были опущены некоторые моменты, относящиеся скорее к административной деятельности Ньютона, такие, как его участие в реформе денежной системы Англии. Примечания автора реферата.

Исаак Ньютон родился четвертого января 1643 года (по Григорианскому календарю) в семье фермера. В 12 лет начал учиться в Грантемской школе, а в 1661 году поступил в Тринити-Колледж Кембриджского университета в качестве субсидайзера. Учителем Ньютона в Кембриджском университете стал известный математик И. Барроу. В 1665 году Ньютон окончил университет, получив ученую степень бакалавра. В 1666-67 годах, во время эпидемии чумы, Исаак Ньютон находился в своей родной деревне Вулстроп; эти годы были наиболее продуктивными в его научном творчестве. Именно возникшие и сложившиеся тогда идеи привели Ньютона к созданию дифференциального и интегрального счислений, к изобретению зеркального телескопа, к открытию закона всемирного тяготения. В Вулстропе Ньютон провел свои опыты над разложением солнечного света в спектр. В 1668 году Ньютону была присвоена степень магистра, а в 1669 году Барроу передал ему почетную люкасовскую физико-математическую кафедру, которую Ньютон занимал до 1701 году. В 1671 году Ньютон построил свой второй зеркальный телескоп, значительно превосходящий линзовые телескопы того времени по четкости получаемого изображения и свободный от хроматической аберрации при относительно небольших размерах. В 1672 году Ньютон был избран членом Лондонского королевского общества, а в 1703 году стал его президентом. В 1687 году он опубликовал свой грандиозный труд «Математические начала натуральной философии». В 1695 году Ньютон был избран иностранным членом Парижской Академии Наук. В 1705 году за научные труды Ньютон был возведен в дворянское достоинство.

Скончался Ньютон в 1727 году и был похоронен в английском национальном пантеоне - аббатстве Вестминстера [1, 2, 3, 4, W].

3.2 Теория цвета Ньютона

Не берусь судить, какое из великих достижений Ньютона:

Создание теоретических основ механики и астрономии,

Открытие закона всемирного тяготения,

Разработка (наряду с Г. Лейбницем) дифференциального и интегрального счисления,

Изобретение зеркального телескопа,

Или же другие открытия и исследования в оптике, механике, химии и алхимии (или других областях естествознания и философии)

- оказалось самым важным с точки зрения развития науки. [1, 2, 3, 4, W]

Но мне хотелось бы рассмотреть опыты Ньютона по разложению солнечного света в спектр - явлению, которое позже назовут дисперсией света.

О способности тела, вырезанного из прозрачного материала, разлагать солнечный свет в спектр было известно еще до Ньютона Согласно М. Льоцци, Франческо Марволик первым начал исследование преломления света в призмах, а Рене Декарт использовал преломление света в сферических каплях воды для объяснения радуги, см. выше. Однако ясное объяснение данного явления, как и сама концепция света, практически отсутствовали. М. Льоцци пишет: «У физиков первой половины XVII века свет был бесцветным в буквальном смысле слова». Считалось, что: «… цвет - это вещь, отличная от света, некое «качество», которое должны продолжать изучать философы. А философы говорили о цвете такие вещи, которые совершенно непостижимы для нас сейчас: цвет есть качество, пребывающее на поверхности непрозрачных тел; что он существует в предвидении, видим в потенции и становится видимым в действии внешнего света; что между прозрачным и непрозрачным существует различие…». [2]

Таким образом, до Ньютона цвет считали или вовсе отдельным от света явлением, или некоим показателем «степени ослабления» света, «примешивания» к «чистому свету» тьмы (Кеплер и де Доминика), или физико-физиологическим явлением (Рене Декарт). Хотя последний взгляд весьма близок к современным представлениям В самом деле, физиологическую составляющую в восприятии света никак нельзя исключать, хотя бы потому, что зеленый цвет, полученный при помощи призмы из солнечного света, и видимый зеленый цвет, полученный при смешивании желтой и синей красок, по-разному преломляются призмой., по всей видимости, Декарт не считал белый свет составным [2, 8] Во всяком случае, Льоцци об этом не упоминает [2], а Мандельштам в своем докладе о Ньютоне замечает, что Декарт не объяснил цвета радуги и причину их чередования [8]..

До Ньютона считалось, что призма обладает свойством направлять падающий на нее поток плоскопараллельных лучей по расходящимся веером траекториям, окрашивая их в цвета радуги («навязывая» эти цвета свету).

Мандельштам так описывает опыты, позволившие Ньютону объяснить разложение солнечного цвета в спектр [8]:

«если смотреть на продолговатый прямоугольный кусочек бумаги, окрашенный наполовину в красный, наполовину в синий цвет, через призму, (…) то прямоугольник представляется как бы переломанным: синяя половина отклонена сильнее, чем красная.»

«Подобный же кусочек бумаги, то есть, прямоугольник, обе половины которого окрашены, как в опыте первом, обматывается несколькими нитками черного шелка, помещается вертикально и освещается пламенем свечи. Линза отбрасывает изображение освещенной бумаги на передвижной экран (…). Там, где получается резкое изображение красной половины - нити служат для точной установки «на фокус» - изображение синей половины расплывчато. И наоборот, если передвинуть экран несколько ближе, то получается резкое изображение синей, но зато расплывчатое красной стороны».

Эти опыты иллюстрируют первое основное положение Нь.тона: лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости.

Следующая серия опытов Ньютона была посвящена взаимодействию белого (точнее, желтоватого) солнечного света с призмой. Для этого Ньютон направлял узкий пучок лучей, прошедший через маленькое отверстие в ставне в затемненную комнату, на призму, и ставил на пути веерообразно расходящихся после призмы лучей экран. На экране Ньютон наблюдал цветную полосу, цвета в которой плавно переходили через все возможные оттенки от красного к оранжевому, далее - желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому.

Сопоставляя этот опыт со своим первым положением, Ньютон делает один из важнейших выводов в истории оптики - вывод о том, что солнечный свет не является «простым», но состоит из лучей различной преломляемости.

В третьей серии опытов Ньютон изучал свойства «цветных лучей» выходящего из призмы «веера». Ученый убедился, что узкий пучок «цветных лучей» одного цвета отклоняется второй призмой, как единое целое на некоторый угол, но в веерообразный спектр этот пучок уже не разлагается. Подобные опыты доказали существование особого рода «простого света», характеризующегося определенной степенью преломляемости лучей (это физическое свойство) и определенным цветом (это физиологическое свойство), причем первое и второе однозначно связаны. Рядом простых, но убедительных опытов Ньютон показывает, что «простой» свет не изменяется ни при преломлении, ни при отражении, ни при рассеянии. Наконец, из лучей «простого» света, взяв их в определенной пропорции и «смешав» при помощи призмы, можно получить свет, который мы видим, как белый. Следовательно, разложение призмой белого света в спектр не является «необратимой порчей» этого света, но является лишь неким аналогом механического разделения смеси (скорее, смеси различных твердых частиц, а не жидкостей), компоненты которой можно без особого труда соединить обратно, получив ту же самую смесь.

Такую трактовку цвета, как изначального свойства света (во всяком случае, «простого» света) оспаривал Иоганн Гете. Согласно Горохову Павлу Александровичу, доктору философских наук [9], Гете видел в подобной теории опасное своей бездушностью, только на математике основанное естествознание. И выступая против Ньютона, Гете тем самым боролся с претензиями математического естествознания служить единственным и исключительным средством изучения и объяснения природы. Взглядам Гете на цвет, как на физиологическое (а, вероятно, еще и психологическое) явление уделил некоторое внимание П. А. Флоренсийский в своей работе «Столп и утверждение истины». Причем русский православный священник, религиозный философ и ученый во многом был солидарен с немецким поэтом К сожалению, автор реферата не имел возможности лично ознакомиться с трудами Флорентийского, так же как с философскими рассуждениями Гете, а так же с трудом Лихтенштадта «Гете. Борьба за реалистическое мировоззрение» или другими трудами, содержащими философские рассуждения И. Гетте. Поэтому данная информация приводится со слов Горохова П. А. (да простит меня Гете, называвший себя плохим поэтом и хорошим ученым). В доказательство своей правоты Гете приводил примеры, когда ощущение цвета у человека возникает при механическом воздействии на глаз (при нажатии на глазное яблоко пальцем или легком уколе поверхности глаза тонкой иглой человек «видит» цветные пятна или круги, хотя в реальном мире перед глазами этого человека никаких кругов из цветных материалов или лучей «простого цвета» нет).

К чести Ньютона следует заметить, что великий английский ученый знал об этих явлениях и даже ставил над собой опыты, накалывая глаз тонкой иглой, в результате чего едва не лишился зрения. Кроме того, в своих опытах с полученным при помощи призмы «простым светом» Ньютон заметил, что ощущение цвета не может решать вопрос о его «простоте» (монохроматичности). Так, «смешивая» призмой красный и зеленый «простой свет», можно получить свет, видимый глазом, как желтый, однако при пропускании через призму этот «желтый» свет разлагается в спектр, а не преломляется, как единое целое. [8] Да и белый свет, являющийся на самом деле «составным», наш глаз видит, как один цвет, а не как набор всех цветов радуги.

Выводы: таким образом, Ньютон дал действенное учение о цвете, на основании которого он нашел огромное число новых фактов, количественно связанных друг с другом, и открыл путь к нахождению новых. Основные постулаты Ньютоновского учения о свете:

1) Существует особый род света - «простой» свет различной цветности. Каждому простому цвету соответствует количественный признак - определенная степень преломляемости. Свойства простого света не могут быть никак изменены.

2) Всякий свет, в том числе и белый, есть смесь различных «простых цветов». При помощи призмы из смеси могут быть выделены цвета; но ни призмы, ни другие приспособления не могут «навязывать», как это думали раньше, тот или иной цвет.

Это учение о цвете, следующие из него изменения, уточняющие геометрическую оптику, простота интерпретации законов геометрической и физической оптики при помощи развитой Ньютоном преимущественно корпускулярной теории привели к тому, что в XVII - XVIII веках корпускулярная теория света одержала победу над волновой.

Без учения Ньютона о цвете, особенно без второго его постулата, спектроскопия (во всяком случае, оптическая спектроскопия с тем инструментальным набором, с которым она используется и сейчас) не смогла бы возникнуть. В самом деле, какой смысл пропускать некоторый свет через призму и изучать полученные цветные полосы, если эти полосы не присущи свету и вызваны не свойствами источника или пройденной до призмы среды, а просто «навязаны» призмой? В лучшем случае, эти полосы можно было бы использовать лишь для изучения свойств самой призмы.

3.3 Корпускулярная и волновая теории с точки зрения Ньютона

Льоцци [2] в «Истории физики» пишет, что изначально Ньютон склонялся скорее к волновой теории, однако затем, рассудив, что эта теория противоречит ряду фактов, отдал предпочтение корпускулярной. Мандельштам в своем докладе, прочитанном в Боровом [8], отмечает, что в первой опубликованной работе Ньютона, «Началах», роль гипотез была сведена к минимуму, однако «Оптика» носит отпечаток корпускулярной теории света.

Следует заметить, что Исаак Ньютон, по его собственному выражению, «гипотез не измышлял» и старался объяснять теорией имеющиеся факты, а не подтверждать фактами придуманную теорию Этим метод построения знания Ньютона родственен с методом, предложенным Френсисом Бэконом. Ньютон наблюдал явления интерференции (недаром кольца, возникающие, когда выпуклую линзу кладут на преломляющую плоскую пластинку, называют «кольцами Ньютона», а не «кольцами Гука» или «кольцами Гюйгенса») и сделал вывод о возможной периодичности света. Явления интерференционных колец Ньютон объяснял тем, что в корпускулах света происходят некие колебания, или же что корпускулы света возбуждают колебания в эфире, что приводит к периодическим «приступам» «легкого отражения» и «легкого прохождения» света. Это предположение следует отнести к волновой или скорее корпускулярно-волновой гипотезе о природе света Заметим, что сейчас принят корпускулярно-волновой дуализм не только в природе света, но и в природе, например, элементарных частиц.. Стоит так же отметить, что Ньютон совершенно верно понял, что появления интерференционных колец, а так же, окрашивание тонких пленок яркими цветами вызваны отражением света.

Чтобы объяснить все явления оптики, включая двойное лучепреломление, интерференцию, а позднее - и открытую Гриммальди дифракцию, Ньютону пришлось создавать весьма сложную корпускулярную теорию света. Казалось бы, подобная теория противоречила его принципу «гипотез не измышлять». Почему же Ньютон не принимал волновую теорию? Вероятно, бесплотный, ненаблюдаемый в экспериментах эфир казался ему куда более хитроумной и непохожей на правду гипотезой, чем его теория. Кроме того, как отмечает Мандельштам, Ньютон разбирал волновую теорию в том виде, в котором она существовала в его время, и обнаружил в ней ряд противоречий:

1) Прямолинейное распространение света. Ньютон замечает (и вполне справедливо!), что если бы свет был бы волной, то он огибал бы препятствия подобно тому, как это делают волны на воде. Однако же такого не происходит. Примерно в то же время, когда Ньютон проводил свое изучение разложения света в спектр, Франческо Мариа Гримальди наблюдал явление отклонения света от прямолинейной траектории для пучков света, проходящих через маленькое отверстие. Гримальди назвал это отклонение «дифракцией» (термин используется до сих пор). Подробнее смотри ниже.

2) Если свет - это волны, то в чем же они распространяются? Для того, чтобы световые волны могли распространяться, все пространство, включая космос, должно быть заполнено каким-то веществом, из-за чего планеты и звезды испытывали бы при движении сопротивление, а значит, постепенно их движение затухало бы, однако этого не происходит. Кроме того, если подумать, теория вещества - эфира, в котором распространяются световые волны, противоречит принципу относительности Галилея и второму закону механики, выведенному Ньютоном: изо всех инерциальных систем выделяется одна, неподвижная относительно эфира. В этой системе скорость света изотропна по направлениям, в других же изотропной быть не может. Автор реферата не знает, проводилось ли такое рассуждение Ньютоном, но хочет отметить, что именно подобные рассуждения и противоречия привели в конечном итоге к теории относительности Альберта Энштейна.

3) Следует заметить, что поляризованный свет уже был известен во времена Ньютона. Существование поляризованного света противоречит гипотезе, что свет представлен продольными волнами. Но если свет должен быть представлен поперечными волнами, то материя, в которой он распространяется - эфир - должна быть твердым телом, чтобы в ней существовали сдвиговые деформации. В этом случае совсем не понятно, как же звезды и планеты могут двигаться через эфир.

Отдельно следует сказать несколько слов о дифракции. Это явление было обнаружено Франческо Мариа Гримальди в 1665 году при экспериментах с очень тонкими пучками света. Подобные пучки не распространялись прямолинейно, как им полагалось бы, а расходились значительно сильнее, кроме того, на экране, освещенным такими пучками, пятно света было окрашено по краям. Гримальди совершенно верно применяет волновую теорию света для описания данного явления, причем использует ту же аналогию с волнами на воде, которая для Ньютона была признаком неверности волновой теории света. Более того, как следует из схем световых лучей, начерченных Гримальди, он считал свет поперечной волной.

Так же Гримальди была разработана теория о цвете, согласно которой цвета являются составной частью света:

«Не исключена возможность, что видоизменения света, в силу которых он постоянно окрашивается в так называемые кажущиеся цвета, или, лучше сказать, становится видимым, как цветной, представляют собой определенную его волнистость с очень частым волнением, как бы трепет распространения с мельчайшим волнением, благодаря которому и получается, что он действует на орган зрения определенным характерным для него образом».

В подтверждение своей теории Гримальди приводил, в том числе, аналогию видимых цветов света со звуком, различная высота которого, как учил Галилей, зависит от различных колебаний воздуха. В данном контексте представляется удивительным, что Гюйгенс, так же придерживающийся волновой теории света, в своем трактате отказался рассматривать теорию цвета. Вероятно, причина заключается в том, что Гюйгенс посчитал объяснение Гримальди слишком упрощенным.

Таким образом, заключает Льоцци [2], Гримальди закончил начатый Декартом процесс переноса цветов в область физических явлений.

Как мы видим, гипотезы о природе света и цвета: волновая природа света, поперечность световых волн, зависимость цветов от типа колебаний, - выдвинутые Гримальди, очень напоминают современные представления.

Однако автору реферата не удалось найти информации о том, что Гримальди выделял «простой» или «элементарный» свет. Более того, если не требовать, чтобы «мелкие колебания», придающие свету цвет, были вполне определенного вида, то любой свет, будь он монохроматическим или нет, можно представить в виде какого-то одного определенного колебания, не нуждающегося в том, чтобы раскладывать его в сумму других. Однако, при таком подходе сложно объяснить явление дисперсии света: почему некоторые виды света, в том числе «невидоизмененный» белый свет, должный, казалось бы, быть самым простым и основным, при прохождении через призму разлагается в расходящийся пучок окрашенных лучей, тогда как «видоизмененный», окрашенный свет в некоторых случаях лишь преломляется призмой, как единое целое, но ни в какой спектр не раскладывается.

Но, как с сожалением отмечает Льоцци [2], хотя Ньютон и Гюйгенс знали о существовании подобного явления, они не смогли верно понять его суть. Согласно же Мандельштаму [8], Ньютон проводил опыты с дифракцией и признавал в своей работе, что точно и строго описать это явление он не в силах. И не мудрено. Это произошло, скорее всего, из-за сложности условий, в которых наблюдается дифракция. Так, если когерентный свет длины волны л проходит через отверстие размера a, то зона дифракции, где не выполняются законы геометрической оптики, начнется на расстоянии порядка l=a²/л. Для отверстия диаметром 1 мм и для длины волны 500 нм получим расстояние l в несколько километров! Такой опыт весьма трудно поставить.

Кроме того, волновая теория, изначально развитая Гюйгенсом, так же не могла объяснить явление дифракции и была в этом отношении «ничуть не лучше» корпускулярной. Зато корпускулярная теория, в отличие от волновой, прекрасно справлялась с объяснением прямолинейности распространения света, а так же - разложение белого света призмой в спектр. Так, Гюйгенс пишет в своем трактате о свете (появившейся через двадцать с лишним лет после работы Ньютона!):