Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 52 страниц)

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 (15611626) и Галилео Галилей (15641642) 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 СЂСЏРґР° безуспешных попыток РѕРЅ получил кафедру математики РІ Пизанском университете. Рто была второстепенная профессорская позиция СЃРѕ скромным жалованием 60 СЃРєСѓРґРё РІ РіРѕРґ. Финансовые обстоятельства заставили его РІ 1592 Рі. отправился РІ Падую. Его РІСЃРµ еще скромные РґРѕС…РѕРґС‹ вынуждали давать частные СѓСЂРѕРєРё Рё РІ маленькой мастерской заниматься СЃ подручным изготовлением механических инструментов. Р’ Падуе, РІ 1606 Рі., РѕРЅ узнал, что РіРѕРґРѕРј ранее РѕРґРёРЅ голландский ученый изобрел телескоп. РћРЅ сам сумел сделать телескоп Рё, наблюдая Луну, сразу же увидел, что РѕРЅР° РЅРµ является гладким Рё однородным объектом, как утверждал Аристотель. РћРЅ также открыл пятна РЅР° Солнце, РЅРѕ наиболее выдающийся момент наступил, РєРѕРіРґР° РѕРЅ открыл четыре спутника Юпитера. Рто были новые тела, РЅРµ упоминаемые Аристотелем, Рё РѕРЅРё определенно РЅРµ вращались РІРѕРєСЂСѓРі Земли. РћРЅ немедленно опубликовал СЃРІРѕРё наблюдения РІ 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? Р’ течение почти РґРІСѓС… тысяч лет каждый полагал РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ ложных предположений, сделанных Аристотелем, что необходима сила для поддержания тела РІ движении. Рто убеждение представлялось разумным, например если лошадь перестанет тащить РїРѕРІРѕР·РєСѓ, то РѕРЅР° быстро остановится. Последователи Аристотеля распространяли СЃРІРѕРё соображения Рѕ причинах движения Рё РЅР° метательные снаряды, утверждая, что выпущенная стрела продолжает движение РёР·-Р·Р° того, что РІРѕР·РґСѓС… обтекает ее РѕС‚ наконечника Рє хвосту Рё 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.

РњС‹ также можем поставить эксперименты, используя объекты, движущиеся РІ специальных условиях, снижающих влияние РІРѕР·РґСѓС…Р° Рё трения. РћРЅРё дают возможность убедиться, что даже малый толчок позволяет телу двигаться хотя Рё СЃ малой, РЅРѕ постоянной скоростью. Ркстраполируя такие результаты, можно сказать, что если трение полностью исключить, то тело будет продолжать двигаться бесконечно СЃ постоянной скоростью. Таким образом, внешняя сила нужна, чтобы заставить тело двигаться, РЅРѕ как только РѕРЅРѕ начало двигаться, РЅРµ требуется РЅРё какой силы, чтобы РѕРЅРѕ двигалось СЃ 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. �нквизиция бросила его в тюрьму и обязала его отказаться от идеи движения Земли. Развитие науки в �талии остановилось на несколько столетий, но инквизиция не смогла противостоять гелиоцентрической теории, которую принимали люди науки, особенно в протестантских странах.

РќР° склоне лет Галилею позволили вернуться РІ СЃРІРѕР№ РґРѕРј РІ Арцетри, РіРґРµ РѕРЅ, слепой старик, умер РІ 1642 Рі. Церемония РїРѕС…РѕСЂРѕРЅ РІ церкви Санта Кроче РІРѕ Флоренции была запрещена Р РёРјРѕРј, поскольку РѕРЅР° могла Р±С‹ скандализировать благонамеренных людей Рё оскорбить репутацию инквизиции. Запрет РЅР° чтение трудов Галилея был отменен лишь РІ 1757 Рі. Частичная реабилитация была проведена папой Р�оанном Павлом II РІ 1981 Рі. СЃ назначением РєРѕРјРёСЃСЃРёРё понтифика, которая должна была проанализировать Рё вынести решения РїРѕ четырем группам исследований, касающихся аспектов толкования Священного писания, культуры, науки, Р° также исторически-юридических особенностей судебного процесса. Р’ октябре 1992 Рі. РєРѕРјРёСЃСЃРёСЏ вынесла окончательное заключение, РЅРµ реабилитируя Галилея, РЅРѕ признавая, что РІСЃРµ РїРѕР±РѕСЂРЅРёРєРё прогресса без исключения имеют равные права РїСЂРё отсутствии неблагоприятных документов. Рто был довольно завуалированный СЃРїРѕСЃРѕР± сказать, что РІ то время СЃСѓРґ РјРѕРі Р±С‹ пройти Рё РїРѕ-РґСЂСѓРіРѕРјСѓ.

Физика Декарта

Открытие Кеплером трех законов движения планет указало РЅР° исключительную важность математики РІ изучении РїСЂРёСЂРѕРґС‹, Рё воодушевило Декарта, чьи исследования основывались РЅР° убеждении, что теоремы математики дают точность, определенность Рё универсальный РїРѕРґС…РѕРґ, РЅРµ доступные РґСЂСѓРіРёРј дисциплинам. Как следствие, Декарт основывал РІСЃРµ СЃРІРѕРё построения РЅР° аксиоме, считая, что ясность Рё определенность являются отличительными чертами подлинного знания. РћРЅ начал СЃ отрицания, что тела РЅР° расстоянии РјРѕРіСѓС‚ действовать РґСЂСѓРі РЅР° РґСЂСѓРіР°, утверждая, что РѕРЅРё РјРѕРіСѓС‚ взаимодействовать только, РєРѕРіРґР° РѕРЅРё РІ контакте. Как следствие, пространство между Луной Рё Землей, Рё РІ более широком смысле, РІСЃРµ пространство РЅРµ может быть пустым, РЅРѕ частично заполнено некоторыми телами, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ РІРѕР·РґСѓС…Сѓ Рё материальным объектам. Промежутки между частицами, составляющие эти тела, Р° также остальное пространство предполагалось физической средой, наполненной субстанцией, которая хотя Рё РЅРµ поддается человеческим ощущением, СЃРїРѕСЃРѕР±РЅР° передавать силу Рё воздействовать РЅР° тела, погруженные РІ нее. Рту среду РѕРЅ назвал эфиром. Таким образом, термин эфир терял значение, данное античной греческой космологией, С‚.Рµ. некий совершенный элемент, составляющий небесные сферы Рё тела. Декартовские частицы находятся РІ постоянном движении, образуя РІРёС…СЂРё, Рё свет является просто передачей давления, РїСЂРѕРёР·РІРѕРґРёРјРѕРіРѕ РЅР° глаз движением этих вихрей. Р’ своей РєРЅРёРіРµ Dioptrique ученый сравнил зрение СЃ ощущением предмета, получаемого слепым человеком СЃ 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 РЅРµ могла быть принята РґРѕ Возрождения, РєРѕРіРґР° было слишком мало если Рё было самодействующих механизмов, которые СЃРїРѕСЃРѕР±РЅС‹ были работать без участия человека. Люди имели только некоторые инструменты, которые, чтобы работать, требовали умелого управления РёРјРё, Рё поэтому любое проявление регулярности понималось как результат действия некоторого разума. Уже античные греки верили, что РїРѕСЂСЏРґРѕРє Рё гармония, наблюдаемые РІ движении небесных тел, основано РЅР° РёС… душах, Рё РјРЅРѕРіРёРµ явления получили абсурдные объяснения РІ аристотелевой философии. Например, падение тяжелого тела объяснялось предположением, что тяжелое вещество стремиться занять СЃРІРѕРµ естественное место: центр Вселенной. Рто объяснение стало неудовлетворительным, РєРѕРіРґР° была принята коперниковская теория Солнечной системы, поскольку теперь Земля двигалась РІ бесконечном пространстве Рё нельзя было указать точку центра Вселенной. Революционным образом Декарт предположил, что РєРѕСЃРјРѕСЃ можно рассматривать, как РѕРіСЂРѕРјРЅСѓСЋ машину Рё вследствие этого РІСЃРµ происходящее РІ материальном РјРёСЂРµ можно предсказать СЃ помощью математических вычислений.

РћРЅ пошел Рё дальше, утверждая, что физика, РїРѕРґРѕР±РЅРѕ геометрии Рвклида, может быть просто выведена РёР· априорных принципов без какой Р±С‹ то РЅРё было необходимости наблюдений Рё экспериментов, С‚.Рµ. РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ гносеологического рационализма. Р’ этом убеждении РѕРЅ отступал РѕС‚ новых доктрин Бэкона Рё Галилея Рё 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).

Р РёСЃ 3. (Р°). Падающий, отраженный Рё преломленный лучи. Закон преломления утверждает, что sin θ₁/sin θ₂ = v1/v2, РіРґРµ v₁ Рё v₂ скорости света РІ первой Рё РІРѕ второй средах, соответственно, (Р±) Пучок света, отраженный Рё преломленный Рє РєСѓСЃРєРµ стекла

Р�меются три закона геометрической оптики: первый утверждает, что свет распространяется РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№ линии, если только РЅРµ встречает помех; вторым Рё третьим законами являются законы отражения Рё преломления. Первый закон уже можно найти РІ труде РїРѕ оптике, написанном Рвклидом (300 лет РґРѕ РЅ.СЌ.), там же содержится Рё закон отражения; РЅРѕ РѕР±Р° РѕРЅРё были известны Рё ранее.

Без сомнения явление преломления света было известно Аристотелю. Позднее Птолемей старался, правда безуспешно, вывести количественный закон. �з 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 9651038) 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 �слворте (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). �спользуя 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.