Курс истории физики

Ньютон исследовал также явление дифракции и, описав достаточно точно радужные полосы на внешних границах тени волоса, не заметил внутренней светлой полосы. Не заметил он и фраунгоферовых линий в солнечном спектре, которые были открыты значительно позже (в 1801 г.) Волластоном и вновь переоткрыты и тщательно описаны фраунгофером. Сыграли ли тут роль недостатки зрения Ньютона или некоторая теоретическая предубежденность (один из «призраков» Бэкона), сказать трудно, фактом остается то, что знаменитый наблюдатель не заметил некоторых важных и интересных фактов. На каком же языке описывал Ньютон открытую им периодичность, если в оптике он не пользовался языком волновой теории и не прибегал к таким понятиям, как длина волны? Приведем его собственную формулировку из «Оптики».

Предложение XII

«Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, между же возвращениями—к легкому отражению».

Таким образом, луч света попеременно через равные интервалы находится то в фазе легкого прохождения (Ньютон вместо слова «фаза» употреблял термин «приступ». — Я. К.), то в фазе легкого отражения. Результат его, падения на поверхность определяется тем, в какой фазе он падает — в фазе (или приступе) легкого прохождения или, наоборот, легкого отражения. Эта идея дает ему возможность описать опыт с кольцами и определить интервал между возвращениями в одну и ту же фазу.

Явление периодичности света, с нашей точки зрения, означает, что в описании его играют фундаментальную роль периодические функции, синусоидальные функции времени, пространства, т. е. гармонические волны. Ньютон использовал для описания открытого им явления образ волны, возбуждаемой в преломляющей среде падением светового луча, подобно тому как камень, брошенный в воду, возбуждает в ней водяные водны. Эти волны, приводя в движение частицы преломляющего (или отражающего) тела, распространяются в этой среде подобно звуку и движутся со скоростью, большей скорости света, опережая луч.

Луч, падая на поверхность, либо движется в направлении фазы волны, и тогда он проходит, либо его движение противоположно направлению волнового движения, тогда он отражается. «Следовательно, — заключает Ньютон, — каждый луч попеременно располагается или к легкому отражению или к легкому пропусканию каждым колебанием, обгоняющим его».

Эта модель Ньютона, в которой сочетаются корпускулярные (световой луч) и волновые представления (направляющая волна), предвосхищает будущие идеи де Бройля о волне-пилоте, бегущей с фазовой скоростью, большей скорости частицы и большей скорости света. Вообще на всем протяжении своих оптических исследований, начиная с первых мемуаров и кончая «Оптикой», Ньютон постоянно обсуждает две концепции света: корпускулярную и волновую. Волновая теория ему кажется неспособной справиться с противостоящими ей огромными трудностями.

Во-первых, она не в состоянии объяснить прямолинейное распространение света, волна должна огибать препятствия и загибаться внутрь геометрической тени. Как мы знаем, это действительно и наблюдается. Но Ньютон не заметил светлой полосы внутри тени волоса, а радужные внешние полосы он объяснил действием краев на малых расстояниях. «Как только луч проходит мимо тела, он идет дальше по прямой».

Гюйгенс объяснил образование геометрической тени тем, что боковые вторичные волны, испускаемые точками волнового фронта, не имеют огибающей и поэтому неэффективны. Но тем самым он отказался от описания дифракции, которая с успехом была объяснена на основе его принципа Френелем через 130 лет. Гюйгенс далее очень удачно объяснил двойное преломление в одноосном кристалле, но остановился перед объяснением открытого им явления поляризации (употребляя теперешний термин).

Ньютон в своей «Оптике» разбирает это явление и считает, что его можно объяснить, исходя из представления присущей световому лучу полярности. Для волн (имелись в виду продольные волны) о такой полярности говорить нельзя, и, следовательно, волновая теория в этом пункте несостоятельна.

Во-вторых, волновая теория требует допущения среды, в которой распространяется свет. «Против заполнения неба жидкими средами, — говорит Ньютон, — если они только не чрезвычайно разрежены, возникает большое сомнение в связи с правильными и весьма длительными движениями планет и комет по всякого рода путям в небесном пространстве. Ибо отсюда ясно, что небесное пространство лишено всякого заметного сопротивления, а следовательно, и всякой ощутимой материи». «Если же ее (т. е. эту среду или материю. — П. К.) отбросить, то и гипотезы о том, что свет состоит в давлении или движении, распространяющемся через такую среду, отпадают вместе с нею».

Таким образом, Ньютон был первым строгим критиком волновой теории, рассматривающей свет как механические волны в особой среде, которая со времени Гюйгенса стала называться световым эфиром. Мысль же о том, что световые волны могут быть другой, не механической природы, ему, конечно, в то время не могла прийти в голову.

В связи с серьезными трудностями волновой теории Ньютон предлагает обсудить другую концепцию природы света: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами? Ибо такие тела будут проходить через однородные среды без загибания в тень, соответственно природе лучей света. Они могут иметь также различные свойства и способы сохранять эти свойства неизменными при прохождении через различные среды, в чем заключается другое условие лучей света. Прозрачные вещества действуют на лучи света на расстоянии, преломляя, отражая и изгибая их, и взаимно лучи двигают части этих веществ на расстоянии, нагревая их; это действие и противодействие на расстоянии очень похожи на притягательную силу между телами».

Ньютон считает, следовательно, что свет может быть исследован с точки зрения существования дальнодействующих сил. Свет по этой концепции мыслится состоящим из частиц, своеобразных световых атомов, которые могут взаимодействовать с частицами вещества. В «Началах» Ньютон доказывает, что частица, вступая в плотную среду, ускоряется притяжением частиц этой среды. Если тангенциальная составляющая скорости частицы при этом не меняется, то направление ее движения можно определить по закону преломления:

где с, — скорость света в первой среде, с2 — во второй среде. При этом если i > r, т. е. луч света идет из менее плотной среды в более плотную, то с2 > с1, — скорость света в воде или стекле больше, чем в воздухе.

К такому же выводу еще раньше пришел Декарт, но у него речь шла только о механической модели, иллюстрирующей преломление, скорость же света он считал бесконечной. Наоборот, у Гюйгенса закон преломления принимает вид:

и скорость света в воде меньше скорости света в воздухе.

Когда Фуко в 1850 г. показал, что скорость света в воде действительно меньше, чем скорость света в воздухе, то это казалось решающим опровержением корпускулярной теории. На самом деле обе концепции нашли свое место не только в описании света, но и в описании материи на совершенно иной, не классической основе. И Ньютон, как бы предвидя это обстоятельство, избегал высказываться решительно в пользу той или иной концепции. Только его последователи приписывали ему безоговорочную поддержку корпускулярной теории. Ньютон же как в оптике, так в вопросе о тяготении категорически подчеркивал, что он «не измышляет гипотез», а предполагает оставаться на почве строго установленных фактов и принципов.

При всем различии оптики Ньютона и Гюйгенса у них есть одна существенная общая черта: оба они стремятся описать явление света в рамках механических представлений. Механика лежала в основе физических и философских воззрений XVII в. Декарт, Гюйгенс, Ньютон —все они пытались свести явления природы к явлениям механики. «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...» —писал Ньютон в предисловии к «Началам», и с этим желанием солидаризировались современные ему физики и философы.