Текст книги "История лазера"
Автор книги: Марио Бертолотти
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 31 страниц)
Рене Декарт (Картезий, 1596—1650), младший современник Галилея, был первым, кто предпринял намерение провести полную реконструкцию идей, касающихся физической Вселенной.
Период, предшествующий его рождению, и тот, в котором он жил, были отмечены событиями, которые сильно изменили концепцию мира. Открытие Америки, кругосветное путешествие Магеллана вокруг Земли, изобретение телескопа, падение системы Птолемея в астрономии и общая неудовлетворенность схоластикой ослабили старые основы и обеспечили фундамент для нового построения.
Декарт считается основателем современной философии и одним из создателей науки XVII в. Его отец, Иохим, советник парламента Бретани, был скромным землевладельцем, его мать, умерла, когда он был ребенком. Выбрав военную профессию молодой Декарт принимал участие в кампаниях Мориса Баварского. В возрасте 24 лет он после глубокого психического расстройства решил посвятить себя философии.
Он был одарен сильным ярким воображением, которое сделало его целеустремленным человеком как в личной жизни, так и в его способах рассуждений. Вольтер говорил о нем без иронии, что «природа сделала его почти поэтом, и фактически он сочинил для шведской королевы divertissement, в стихах, которые не были напечатаны». Полагая, что для свободного развития философии нужно избегать политического давления со стороны правительства его родины, он стал беженцем и уехал в Голландию. Но его идеи не принимались ни там, ни во Франции (позже когда его гений был признан, Франция звала его обратно, обещая блестящее положение, которое он так и не получил). 1649 году он принял приглашение от королевы Швеции Кристины. Страстно увлеченная философией королева, хотела чтобы Декарт давал ей уроки в ранние утренние часы. По приезде в Стокгольм философ, заболел пневмонией и спустя несколько месяцев умер.
Стремлением Декарта было создать теорию Вселенной, разработанную как можно детальней. Такая теория с необходимостью заставляла иметь метафизическую основу, и, действительно, метафизика является большей частью хорошо известных его работ. Первым шагом было отбросить бесполезные методы средневековья, попытки интерпретировать природу в понятиях действия и силы, материи и формы, сущности и случайности, десяти категорий, подобных аристотелевым концепциям, уже предложенными другими философами. Действительно, уже Френсис Бэкон (1561—1626) и Галилео Галилей (1564—1642) начали преобразования, которые привели к отказу от аристотелева правила, что в физике все обусловлено конечной причиной. Галилей установил новую науку, (введя экспериментальный метод) основанную на необходимости наблюдать внешний мир и задавать вопросы природе путем постановки соответствующих экспериментов.
Галилей
Галилео Галилей родился в Пизе в 1564 г., и, следуя желанием отца, ученого и способного музыканта, поступил в 1581 г. в Пизанский университет, чтобы стать врачом. Однако медицина его мало интересовала, а сильно привлекала математика. В 1583 г, он сделал свое первое важное открытие. Наблюдая люстры, подвешенные в Пизанском соборе, которые раскачивались под действием ветра, он обнаружил, что период колебания не зависит от амплитуды.
После ряда безуспешных попыток он получил кафедру математики в Пизанском университете. Это была второстепенная профессорская позиция со скромным жалованием 60 скуди в год. Финансовые обстоятельства заставили его в 1592 г. отправился в Падую. Его все еще скромные доходы вынуждали давать частные уроки и в маленькой мастерской заниматься с подручным изготовлением механических инструментов. В Падуе, в 1606 г., он узнал, что годом ранее один голландский ученый изобрел телескоп. Он сам сумел сделать телескоп и, наблюдая Луну, сразу же увидел, что она не является гладким и однородным объектом, как утверждал Аристотель. Он также открыл пятна на Солнце, но наиболее выдающийся момент наступил, когда он открыл четыре спутника Юпитера. Это были новые тела, не упоминаемые Аристотелем, и они определенно не вращались вокруг Земли. Он немедленно опубликовал свои наблюдения в Sidereus Nuncius (l610).
В конце 1610 г. он вернулся в Пизу, где изучал некоторые проблемы, касающиеся движения, результаты работы он частично опубликовал в Diagolo sopra I due massimi sistemi del mondo (1632). Содержание этой книги строго астрономическое и содержит «сократовское» опровержение старой физики и космологии (защищаемой Симплициусом), которое делается Сальвиати, приверженцем Коперника. Все свои механические наблюдения Галилей позднее собрал в Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove science attenenti alia meccanica e ai movimenti locali (1638).
Галилей открыл важность ускорения, которое изменяет скорость во времени как по величине, так и по направлению. До этого люди полагали, что движение земного тела постепенно прекратится, если оно предоставлено само себе.
Почему тела двигаются? В течение почти двух тысяч лет каждый полагал на основе ложных предположений, сделанных Аристотелем, что необходима сила для поддержания тела в движении. Это убеждение представлялось разумным, например если лошадь перестанет тащить повозку, то она быстро остановится. Последователи Аристотеля распространяли свои соображения о причинах движения и на метательные снаряды, утверждая, что выпущенная стрела продолжает движение из-за того, что воздух обтекает ее от наконечника к хвосту и тем самым толкает ее; это прекрасный пример аристотелевой логики.
На самом деле даже сам вопрос «что заставляет тело двигаться?» обманчив. Он имел смысл для Аристотеля, который полагал, что естественным состоянием для тела является покой. Галилей выполнил серию экспериментов, которые убедили его в том, что движущееся тело обладает количеством движения (импульсом), которое сохраняется само по себе. Он утверждал, что любое тело, предоставленное само себе, сохраняет свое движение по прямой с постоянной скоростью. Поэтому ключевой вопрос не «что заставляет тело двигаться?», а «что изменяет движение тела?». Галилей дал ответ, что любое изменение скорости или направления движения должно получаться в результате действия некоторых сил. Такой принцип был позднее выражен Ньютоном как первый закон движения, или закон инерции; сегодня мы можем легко проверить это, пуская шайбу скользить по поверхности льда: чем более гладкая поверхность, тем дольше продолжается движение.
Мы также можем поставить эксперименты, используя объекты, движущиеся в специальных условиях, снижающих влияние воздуха и трения. Они дают возможность убедиться, что даже малый толчок позволяет телу двигаться хотя и с малой, но постоянной скоростью. Экстраполируя такие результаты, можно сказать, что если трение полностью исключить, то тело будет продолжать двигаться бесконечно с постоянной скоростью. Таким образом, внешняя сила нужна, чтобы заставить тело двигаться, но как только оно начало двигаться, не требуется ни какой силы, чтобы оно двигалось с постоянной скоростью.
В дальнейшем Галилей сформулировал закон, управляющий движением падающих тел, утверждая, что когда тело свободно падает, его ускорение, если пренебречь сопротивлением воздуха, остается постоянным и одним и тем же для всех тел. Конкретно он экспериментально продемонстрировал тяжелые свинцовые шары падают с той же быстротой, что легкие тела. Он также задался вопросом в своем труде Discorsi intorno a due nuove scienze, распространяется ли свет с бесконечной или конечной скоростью, и предложил соответствующий эксперимент, который можно считать предшественником эксперимента, выполненного Физо (1819-1896) в 1849 г.
Он горячо принял гелиоцентрическую систему; переписывался с Кеплером и признавал его открытия. С помощью своего телескопа он отрыл, что Млечный Путь образован большим числом звезд, и смог наблюдать фазы Венеры, существование которых следовало из теории Коперника, но которые не наблюдались невооруженным глазом. Когда 7-го января 1610 г. он открыл четыре спутника Юпитера, которых в честь своего покровителя Козимо Медичи II назвал «медичийскими звездами», он столкнулся с проблемой. Все знали, что существуют семь небесных тел, а именно пять планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, а также Солнце и Луна. Семь рассматривалось как священное число: разве суббота не седьмой день? Разве не существует семисветчника и семи церквей в Риме? Разве нет семи смертных грехов? Что может быть более правильным, чем существование семи небесных тел? Если мы теперь добавим четыре луны Юпитера, то число небесных тел станет одиннадцать, а это число не имеет мистического смысла. Поэтому традиционалисты отказались признать телескоп, не желали смотреть через него, и утверждали, что он показывает только фантазии. Галилей вместе с Кеплером смеялся над этим, но вскоре ему было не до смеха. Инквизиция бросила его в тюрьму и обязала его отказаться от идеи движения Земли. Развитие науки в Италии остановилось на несколько столетий, но инквизиция не смогла противостоять гелиоцентрической теории, которую принимали люди науки, особенно в протестантских странах.
На склоне лет Галилею позволили вернуться в свой дом в Арцетри, где он, слепой старик, умер в 1642 г. Церемония похорон в церкви Санта Кроче во Флоренции была запрещена Римом, поскольку она могла бы «скандализировать благонамеренных людей» и «оскорбить репутацию» инквизиции. Запрет на чтение трудов Галилея был отменен лишь в 1757 г. Частичная реабилитация была проведена папой Иоанном Павлом II в 1981 г. с назначением комиссии понтифика, которая должна была проанализировать и вынести решения по четырем группам исследований, касающихся аспектов толкования Священного писания, культуры, науки, а также исторически-юридических особенностей судебного процесса. В октябре 1992 г. комиссия вынесла окончательное заключение, не реабилитируя Галилея, но признавая, что все поборники прогресса без исключения имеют равные права при отсутствии неблагоприятных документов. Это был довольно завуалированный способ сказать, что в то время суд мог бы пройти и по-другому.
Физика Декарта
Открытие Кеплером трех законов движения планет указало на исключительную важность математики в изучении природы, и воодушевило Декарта, чьи исследования основывались на убеждении, что теоремы математики дают точность, определенность и универсальный подход, не доступные другим дисциплинам. Как следствие, Декарт основывал все свои построения на аксиоме, считая, что ясность и определенность являются отличительными чертами подлинного знания. Он начал с отрицания, что тела на расстоянии могут действовать друг на друга, утверждая, что они могут взаимодействовать только, когда они в контакте. Как следствие, пространство между Луной и Землей, и в более широком смысле, все пространство не может быть пустым, но частично заполнено некоторыми телами, подобно воздуху и материальным объектам. Промежутки между частицами, составляющие эти тела, а также остальное пространство предполагалось «физической средой», наполненной субстанцией, которая хотя и не поддается человеческим ощущением, способна передавать силу и воздействовать на тела, погруженные в нее. Эту среду он назвал «эфиром». Таким образом, термин эфир терял значение, данное античной греческой космологией, т.е. некий совершенный элемент, составляющий небесные сферы и тела. Декартовские частицы находятся в постоянном движении, образуя вихри, и свет является просто передачей давления, производимого на глаз движением этих вихрей. В своей книге Dioptrique ученый сравнил зрение с ощущением предмета, получаемого слепым человеком с помощью своей палки.
Основываясь на идее, что эффекты, производимые контактами и столкновениями, являются простейшими и наиболее понятными явлениями внешнего мира, он не нуждался в каких-либо других посредниках. Он не требовал, как мы делаем сегодня, чтобы его схема имела экспериментальное подтверждение, поскольку он больше верил в простоту и точность умозрений, чем в соответствие с наблюдаемыми фактами.
Его труды следует рассматривать как исключительно важные умозрительные попытки показать, что вся Вселенная и ее происхождение можно представить в виде логически согласованной механической схемы, которая зависит от немногих фундаментальных действий, и что полное понимание принципов ее действия можно полностью понять с помощью математики. Он стал родоначальником идеи механистической философии, согласно которой неодушевленный внешний мир может с научными целями рассматриваться, как автоматический механизм, и для каждого физического явления можно вообразить соответствующую механическую модель.
Подобная точка зрения не могла быть принята до Возрождения, когда было слишком мало – если и было – самодействующих механизмов, которые способны были работать без участия человека. Люди имели только некоторые инструменты, которые, чтобы работать, требовали умелого управления ими, и поэтому любое проявление регулярности понималось как результат действия некоторого разума. Уже античные греки верили, что порядок и гармония, наблюдаемые в движении небесных тел, основано на их душах, и многие явления получили абсурдные объяснения в аристотелевой философии. Например, падение тяжелого тела объяснялось предположением, что тяжелое вещество стремиться занять свое естественное место: центр Вселенной. Это объяснение стало неудовлетворительным, когда была принята коперниковская теория Солнечной системы, поскольку теперь Земля двигалась в бесконечном пространстве и нельзя было указать точку центра Вселенной. Революционным образом Декарт предположил, что космос можно рассматривать, как огромную машину и вследствие этого все происходящее в материальном мире можно предсказать с помощью математических вычислений.
Он пошел и дальше, утверждая, что физика, подобно геометрии Эвклида, может быть просто выведена из априорных принципов без какой бы то ни было необходимости наблюдений и экспериментов, т.е. на основе гносеологического рационализма. В этом убеждении он отступал от новых доктрин Бэкона и Галилея и подвергался даже критике Гюйгенсом.
По существу, создавая всеобъемлющую теорию Вселенной без необходимости изучения в деталях любого процесса, Декарт скорее продолжал традицию греков, чем следованию новым путям, проложенным Тихо Браге, Кеплером и в особенности Галилеем. Он никогда не держался принципа, что достоверное знание можно последовательно постигать путем терпеливого изучения природы, и его гипотеза, что сила может получаться только путем передачи через давление или удар, не давала возможности ему объяснить любую из сил, существующих в природе. Дефекты его методологии привели к тому, что менее чем за столетие почти все его теории были отвергнуты; однако его идеи стимулировали научную мысль на высочайшем уровне.
Закон преломления
В работе Dioptrique Декарт излагает свою теорию света, основанную на вихрях, и обсуждает законы отражения и преломления, впервые выразив принцип, что отношение углов падения и преломления зависит от среды, через которую проходит свет.
Уже греки знали, что если световой луч проходит из одной среды в другую, он частично отражается, а частично проходит через поверхность раздела двух этих сред (рис. 3). Каждый может выполнить эксперимент с куском стекла, освещаемым лучом света от окна. Часть солнечного света отражается от поверхности стекла, образуя пятно света, которое двигается по стене при движении стекла, а другая часть проходит сквозь стекло. Явление, при котором часть света проходит через стекло, называется преломлением (рефракция). Термин происходит от латинского слова refraction и отражает тот факт, что объект, который частично находится в одной среде, а частично – в другой (например, палка частично в воздухе, а частично в воде), кажется сломанным (на латыни refractus).
Рис 3. (а). Падающий, отраженный и преломленный лучи. Закон преломления утверждает, что sin θ 1/sin θ 2= v1/v2, где v 1и v 2– скорости света в первой и во второй средах, соответственно, (б) Пучок света, отраженный и преломленный к куске стекла
Имеются три закона геометрической оптики: первый утверждает, что свет распространяется по прямой линии, если только не встречает помех; вторым и третьим законами являются законы отражения и преломления. Первый закон уже можно найти в труде по оптике, написанном Эвклидом (300 лет до н.э.), там же содержится и закон отражения; но оба они были известны и ранее.
Без сомнения явление преломления света было известно Аристотелю. Позднее Птолемей старался, правда безуспешно, вывести количественный закон. Из измерений, сделанных им для сравнительно малых углов, он сделал ошибочное утверждение, что угол преломления пропорционален углу падения. Много позднее арабский оптик Альхазен (Абу Али аль-Хасан ибн аль Хаитам 965—1038) нашел, что отношение между углами падения и преломления не остается постоянным при изменении угла падения, но он не смог дать верной формулировки. До него было около сотни публикаций; в одной из наиболее важной, переведенной на латинский язык в XII в. и опубликованной в 1572 г. под заглавием Opticae Thesaurus, теория греков, согласно которой глаз испускает лучи, впервые авторитетно отвергалась.
Правильная формулировка закона преломления была дана Виллебродом Снеллиусом (1591 – 1676), профессором математики в Лейдене, который установил экспериментально в 1620 г., что отношение косекансов углов падения и преломления постоянно, и выразил это в своей рукописи, которая получила некоторое распространение. Однако дальнейшие исторические исследования показывают, что закон преломления был открыт английским астрономом и математиком Томасом Херриотом (1560-1621) в Ислворте (Мидлсекс) около 1601 г. Кроме того, математик Абу Сайд аль-Ала в своей книге «О зажигательных инструментах» (написанной около 984 г.) устанавливал закон и рассчитывал с его помощью зажигательного стекла. Декарт в своей книге Dioptrique приводит современную формулировку закона, утверждая, что отношение между синусами углов падения и преломления равно скорости света во второй среде, деленной на скорость в первой (т.е. в среде, из которой выходит свет). Используя свою теорию света, в которой предполагалось наличие малых испускаемых частиц, он показывал, что закон преломления обусловлен изменением скоростей частиц при переходе их из одной среды в другую. Гюйгенс утверждает, что Декарт был знаком с рукописью Снеллиуса и использовал его результаты.
Хотя утверждение, что отношение синусов углов падения и преломления зависит от скоростей света в двух средах, справедливо, Декарт, используя законы механики к малым летящим частицам, которые по его представлению составляют свет, приходил к заключению, которое было неверным. Он считал, что для согласования с экспериментальными наблюдениями, а именно, что в более плотной среде свет отклоняется в меньшей степени, следует предположить, что в ней световые частицы движутся быстрее.
Во всяком случае его теория имела большой успех. Он дал математическое объяснение радуги, рассчитав отражение и преломление света в дождевых каплях, и это рассматривалось его современниками как изумительный результат. Радуга всегда рассматривалась как необъяснимый феномен, вплоть до того времени, когда архиепископ Сплита философ Марко Антонио де Домини (1560—1624) предположил, что этот феномен возможно связан с дождем и солнцем.
Теория света Декарта быстро заменила средневековые взгляды и способствовала новым знаниям. Однако попытки рационально объяснить природу и возникновение света привели к огромному противоречию в двух созданных и взаимно исключаемых теориях: волновой теории Гука и Гюйгенса, и корпускулярной теории, введенной Декартом и продолженной Ньютоном и его последователями.
ГЛАВА 1
ВОЛНОВАЯ И КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИИ СВЕТА
Людьми, которые сыграли центральную роль в истории теории света, были Гук, Гюйгенс и Ньютон. Гук и Ньютон были британцами, Гюйгенс – голландцем. Все они сделали замечательные вклады в различные области физики и установили основу современного понимания света, хотя и предложили противоречащие теории. Одна была основана на волновых представлениях, в то время как другая рассматривала свет, состоящим из малых частиц. Эти две теории, которые казались непримиримыми, вызвали яростные дискуссии и споры среди последователей и их сторонников. Были написаны лавины слов об этом споре; мы не станем глубоко вникать в него, но ограничимся наиболее важными фактами.
