История физики

Закон тяготения Ньютона, буквально понятый, утверждает непосредственное дальнодействие. Последнее возбуждало во все времена, а также и в эпоху Ньютона сомнения, и он сам отнюдь не вполне отказывался от них. Вышеупомянутые спекуляции о причинах тяготения возникали многократно в связи со стремлением разыскать передаточный механизм для тяготения. Несмотря на это, идея дальнодействия под огромным влиянием ньютоновского открытия распространилась на другие области физики. Вероятно, сыграло роль также то, что из нее можно вывести простую и изящную теорию потенциала. В то время как механика деформируемых тел имела дело исключительно с близкодействием, первые теории электрических и магнитных явлений были теориями дальнодействия. Перелом впервые произошел во второй половине XIX столетия под влиянием Михаила Фарадея (1791-1867) и Максвелла (1831-1879) и глубоко проник в физику после открытия в 1887 г. Генрихом Герцем (1857-1894) электрических волн, распространяющихся со скоростью света. Вместе с тем потеряло основу дальнодействие в гравитации, особенно после того, как специальная теория относительности указала, что скорость света является верхней границей для скоростей распространения всех физических действий. Согласно общей теории относительности (1913 г. и позже) распространение тяготения происходит также со скоростью света. Эта теория утверждает существование гравитационных волн, но возбуждение их с интенсивностью, достаточной для наблюдения, невозможно из-за непреодоленных экспериментальных трудностей. Закон тяготения Ньютона остается в силе как приближение.

Забавной иллюстрацией подавляющего влияния ньютоновских идей является тот факт, что наука XVIII столетия относила метеориты к области басен, хотя в седой древности были многочисленные свидетельства их существования. Хаотическое падение камней и железных масс «с неба» казалось эпигонам Ньютона несовместимым с обнаруженным учителем космическим порядком. Лишь в 1794 г. Эрнст Фридрих Хладни (1756-1827) как ученый юрист критически сопоставил множество высказываний свидетелей и на основании полного согласия независимо друг от друга данных показаний пришел к выводу о реальности наблюдаемых явлений. Когда затем в 1803 г. поблизости от Лэгль (департамент Орн, Франция) упало большое количество метеоритов и Жан Батист Био (1774-1862) смог их исследовать, Парижская Академия была вынуждена отказаться от своей предвзятой точки зрения. Но существовало еще гораздо больше вещей между небом и Землей, чем позволяла себе мечтать школьная мудрость *).

ГЛАВА 4

ОПТИКА

Оптика немного моложе, чем механика. Знание прямолинейного распространения света и понятие «луча» - древнего происхождения. Отражение и преломление также были предметом размышления уже в древности; уже тогда знали отражение вогнутым зеркалом и линзами. Роджер Бэкон (1214-1294) описал положение фокуса и обратил внимание на неточность соединения лучей света в изображении точечного источника света. Очки, повидимому, были изобретены флорентинцем Сальвино Армати в 1299 г. Закон, определяющий направление отраженного луча, принадлежит к еще более древним знаниям неизвестного происхождения. Указывают на двух авторов закона преломления: Вилиброрд Снел, иначе Снеллиус (1591-1626), который, по свидетельству Гюйгенса, открыл этот закон на основе измерений, и Рене Декарт (1596-1650), который вывел этот закон из своего корпускулярного воззрения. Кеплер не вполне справился с этим; его формула имеет значение только как приближение для малого угла падения, однако она была достаточной для установления вполне применимой теории телескопа. С установлением законов отражения и преломления были полностью заложены физические основы геометрической оптики, дальнейшее развитие которой большей частью было делом рук математиков и практиков приборостроения. Такие люди, как Гамильтон и Гаусс (1777-1855), принимали участие в ее развитии, но, несмотря на все старания и остроумие, она до сих пор не получила завершенного вида. Границы ее применимости ставятся волновой природой света; в микроскопе эти границы выражаются в том, что он не дает четких изображений двух точек, расположенных на расстоянии меньшем, чем 10^-5см, как это показали в 1874 г. Эрнст Аббе (1840-1905) и Герман Гельмгольц (1821-1894). Правда, эта граница снижается при применении коротковолнового ультрафиолетового света, а при помощи рентгеновских лучей, как это известно с 1912 г., можно оптически воспринять даже расстояния между атомами в твердых телах, имеющие порядок величины 10^-8см (гл. 12).

Большую трудность представляло для старой оптики объяснение цветов. Вторым великим деянием Исаака Ньютона было данное им в 1672 г. доказательство того, что белый свет состоит из света различных цветов и, следовательно, цветной свет имеет более простую природу, чем белый. Ничто так ярко не иллюстрирует значение этого открытия, как страстный протест против него со стороны Гете (1791-1792 и 1810). Гете ссылался на тот факт, что глаз воспринимает белый цвет как единство, в отличие от уха, которое гармонически анализирует колебания. Ньютон был вынужден заняться призмой в связи с хроматической аберрацией оптических инструментов, которую он считал неизбежной. С этим связана его конструкция зеркального телескопа (1672), в котором эта аберрация была полностью устранена. Этой точки зрения придерживались также его последователи до тех пор, пока в 1753 г. Джон Доллонд (1706-1761) не сконструировал ахроматический объектив телескопа с помощью стекол различных сортов. В 1800 г. Фридрих Вильгельм Гершель (1738-1822) указал, что границы спектра не совпадают с границами видимого света и что за красным цветом находится излучение менее преломляемое, но обнаруживаемое благодаря тепловому действию. Спустя год за фиолетовой частью спектра Иоганн Вильгельм Риттер (1776-1810), а также Вильям Гайд Волластон (1766-1828) обнаружили химически действующее излучение.

Проблема измерения континуума различных видов световых лучей, разделяемых призмой сообразно их природе, представляет собой проблему, аналогичную измерению времени (гл. 1). Слова «красный», «желтый» и т. д. внутри этого континуума являются слишком неточными и субъективными вехами, изменчивыми в зависимости от того или другого воспринимающего лица. Поэтому значительным шагом вперед было открытие в 1814-1815 гг. Иозефом Фраунгофером названных по его имени темных линий в солнечном спектре (он присоединил к призме спереди коллиматор, а сзади телескоп). Фраунгофер использовал эти линии как метки и смог точно измерить показатель преломления, приписав каждой линии соответствующее значение. В настоящее время так же поступают для различных технических целей. Но поставленная проблема была решена лишь в 1821-1822 гг., когда Фраунгофер получил диффракцию на решетке и Магнус Шверд (1792-1871) объяснил это явление на основе волновой теории (1835 г.). С этого времени стали измерять длину волны любого вида света по известным углу диффракции и постоянной решетки с относительной точностью до 10^-7. Именно с этого времени существует спектроскопия с ее огромным значением для науки и техники. Так, например, измерения Пашеном (1865-1947) длин волн для линий водорода и гелия и особенно опирающееся на эти измерения точное определение константы Ридберга имели решающее значение для атомной модели Бора (гл. 14).

Другим дискуссионным вопросом в XVII столетии был вопрос о том, конечна ли скорость света или нет. Декарт ее отрицал, Галилей утверждал, оба без опытного обоснования. Для экспериментального решения этой проблемы не было тогда достаточно средств. Однако из наблюдений повторяющихся часто, но не строго периодически, затмений одного из спутников Юпитера Олаф Рёмер (1644-1710) вывел в 1676 г. знаменитое заключение о том, что скорость света в пустом пространстве равна 3 • 10¹⁰ см/сек. Наблюдения Джемса Брэдли (1693-1762) над аберрацией доставили в 1728 г., несмотря на сомнения картезианцев, долгожданное подтверждение того, что эта скорость в 10⁴ раз больше скорости движения Земли вокруг Солнца. Экспериментальные измерения сделаны были впервые в 1849 г. Арманом Физо (1819-1896) при помощи вращающегося зубчатого колеса и в 1862 г. Леоном Фуко (1819-1868) посредством вращающегося зеркала. Эти измерения были повторены еще многими физиками, большей частью теми же самыми методами. Новейшее определение Альберта Абрагама Майкельсона (1852-1931), произведенное в 1925-1926 гг. на расстоянии 70 км от вершины Вильсона до вершины Антонио (Калифорния) и обратно, дало значение 2,99796 • 10¹⁰см/сек при вероятной ошибке в 4 • 10⁵см/сек.