Текст книги "История лазера. Научное издание"

Автор книги: Марио Бертолотти

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 52 страниц)

�саак Ньютон

�саак Ньютон родился в Вулсторпе, Линкольншире, 25 декабря 1642 г. Он, без сомнения, является одним из самых выдающихся исследователей Природы. Его мать принадлежала к умеренной части благородного класса, а отец, который умер до его рождения, был мелким землевладельцем. Его строгое пуританское воспитание, усиливаемое отчужденностью от матери, которая вторично вышла замуж за протестантского священника, а затем восстановленные тесные, нежные отношения с ней, рассматриваются некоторыми биографами в духе фрейдистских интерпретаций, касающихся его нервных срывов, женоненавистничества, и причуд характера.

РћРЅ должен был стать мелким землевладельцем, Рё его обучение должно было ограничится средней школой. РќРѕ его замечательная склонность Рє механическим изобретениям, Р° также Рє гуманитарным изучениям РІ области древнееврейского языка Рё теологии дали основания его учителям рекомендовать его РІ Кембриджский университет. РћРЅ был РїСЂРёРЅСЏС‚ РІ Тринити колледж РІ РёСЋРЅРµ 1661 Рі., РЅРѕ его мать РЅРµ оплатила обучение, Рё РѕРЅ был вынужден поступить РІ университет РЅР° положение subsizar. Так назывались бедные студенты, РІ которые должны были исполнять обязанности слуг РїРѕ отношению Рє старшим студентам. Рто тягостное для него положение, сделало его еще более замкнутым РїРѕ отношению Рє окружающим его студентам, которые впоследствии, РєРѕРіРґР° РѕРЅ стал знаменитым, РЅРµ могли вспомнить встречи СЃ РЅРёРј. РћРЅ РЅРµ выделялся РІ СЃРІРѕРёС… официальных занятиях Рё РЅРµ следовал формальному РєСѓСЂСЃСѓ. Как РІ математике, так Рё РІ натуральной философии (физике, РіРѕРІРѕСЂСЏ современным языком) РѕРЅ был самоучкой, так как РІ то время РѕР±Рµ эти дисциплины преподавались слабо. Механистический РјРёСЂ Декарта Рё атомистические концепции теолога, математика Рё астронома Пьера Гассенди (15921655), который был профессором Колледж РґРµ Франс РІ Париже, увлекли его, Рѕ чем РѕРЅ записал РІ своей записной книжке, которая РІ тот период называлась Quaestiones quaedam philosophical. Хотя, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, РѕРЅ РЅРµ пришел Рє определенным заключениям, РѕРЅ СЏРІРЅРѕ склонялся Рє атомизму. РћРЅ критиковал теорию света Декарта, основанную РЅР° РІРёС…СЂСЏС…, отдавая предпочтение корпускулярной теории. РЎ помощью натуральной философии РѕРЅ открыл для себя математику. Возможно, РѕРЅ РєСѓРїРёР» Геометрию Рвклида, РЅРѕ прочел лишь первые страницы, находя РёС… очевидными, хотя позднее РѕРЅ сожалел, что РЅРµ уделил большего внимания тексту.

Чтобы остаться в Кембридже, Ньютону нужно было получить постоянную должность, в 1664 г. при поддержке спонсоров он был назначен преподавателем. Благодаря своему новому положению он получил возможность четыре года проводить исследования, а либерализм в отношении преподавания позволял полностью посвящать себя этим исследованиям. Когда он работал над проблемой, он забывал не только спать, но и есть. В результате, его еда доставалась его кошке или соседям по комнате, которым только и оставалось что изумляться такому поведению.

Р’ то время университет Кембриджа был полон людей, которые заботились РЅРµ столько Рѕ науке, сколько Рѕ своем финансовом благополучии; поэтому молодой Ньютон легко РїСЂРѕС…РѕРґРёР» ступени академической карьеры: РІ 1665 Рі. РѕРЅ получил степень бакалавра искусств, РІ 1667 Рі. стал младшим сотрудником, Р° РІ 1668 Рі. старшим сотрудником Рё мастером искусств. Р’ 1669 Рі. его учитель, теолог, эллинист Рё математик Р�саак Барроу (1630 1670) уступил ему кафедру математики (РІ настоящее время причины этого РЅРµ вполне СЏСЃРЅС‹ Рё есть некоторые сомнения, что РѕРЅ так поступил, РІРёРґСЏ гениальность своего ученика). Рту кафедру Ньютон занимал РґРѕ 1701 Рі.

Между 1664 и 1665 г. Ньютон стал наиболее выдающимся математиком своего времени, установив основы исчисления бесконечно малых и получив другие важнейшие результаты в математике.

Р’ возрасте 27 лет РѕРЅ уже был профессором математики РІ Кембридже Рё несколько позднее стал членом Королевского Общества. Традиции описывают его как помешанного профессора, постоянно погруженного РІ трудные проблемы. Рассказывали, что РІРѕ время Великой Чумы, РєРѕРіРґР° РѕРЅ вынужден был бежать РІ СЂРѕРґРЅСѓСЋ деревню, РѕРЅ, гуляя РІ саду Рё РІРёРґСЏ яблоко, падающее РЅР° землю, старался понять, почему Луна РЅРµ падает РЅР° Землю. Рта нить размышлений привела его Рє открытию закона всемирного тяготения. Его быстрая академическая карьера поддерживалась надежными основами РІ физике Рё математике, Р° также приобретением знаний РІ гуманитарных дисциплинах РїСЂРё обучении РІ Кембридже. Его записные книжки дают представления Рѕ внимательном чтении Галилея, Декарта, Гассенди Рё РґСЂ. Молодой натуральный философ считал себя, стоящим РЅР° плечах гигантов, как РѕРЅ выразился однажды. РћРЅ СЃРјРѕРі усвоить РІСЃРµ успехи РЅРѕРІРѕР№ науки Рё СЃ исключительной ясностью разработать принципиальные темы СЃРІРѕРёС… великих вкладов РІ науку. Период 16651666 РіРі. был особенно плодотворен.

�зучая Кеплера, Декарта и Галилея, Ньютон рассматривал все еще нерешенные проблемы коперниковской астрономии и размышлял об атомизме, вакууме и об экспериментальных и математических методах Галилея. Он придал проблеме планетарных орбит, определяемых тремя законами Кеплера, новое теоретическое содержание, отвергая кеплеровскую гипотезу причин небесных движений. В это же время, он дал первую формулировку закона всемирного тяготения, позднее ставшей легендарной в знаменитом анекдоте о яблоке, распространяемом его биографами, и который сам Ньютон любил рассказывать в старости. На самом деле исследования показывают, что формулировка закона всемирного тяготения была дана позднее. Отвечая на вопросы, как он открыл этот закон, он говорил: Постоянно размышлял об этом. Никакой другой ответ не мог бы лучше характеризовать этого человека, не только подчеркивая его образ жизни, посвященной скорее рассуждениям, чем действиями, но также давая понимание его рабочей методологии.

Р РёСЃ. 5. Рто представление эксперимента Ньютона СЃ РїСЂРёР·РјРѕР№. Пучок солнечного света OF после прохождения маленького круглого отверстия F преломляется РїСЂРёР·РјРѕР№ РђαР’βCχ Рё изображается РІ РІРёРґРµ спектра PYTZ РЅР° противоположной стене

В то же время он сконструировал первый телескоп-рефлектор, Сам изготовил зеркало путем плавления особого сплава и производя шлифовку и полировку. Он также решил проблему состава белого света путем постановки знаменитых экспериментов по дисперсии, выполненных со стеклянной призмой. Такие эксперименты были обычными для ученых в оптике того времени, но только Ньютон смог выполнить их на уровне точных математических методов. В 1666 г., когда он был еще студентом Тринити Колледжа в Кембридже, он взял стеклянную призму, чтобы испытать с ней знаменитые Явления Цветов (рис. 5). Он писал:

находясь в темной комнате и сделав малое отверстие в ставне, чтобы пропустить достаточно света Солнца, я разместил мою призму так, чтобы свет мог быть преломлен к противоположной стене. Первым очень приятным ощущением было увидеть яркие и интенсивные цвета, полученные в результате этого; но после более внимательного рассмотрения я к своему удивлению обнаружил, что они имеют вытянутую форму, хотя по закону преломления они должны были бы иметь круглую форму.

Тонкий луч солнечного света, который проходил через круглое отверстие, сделанное Ньютоном, имел круглое сечение, и согласно закону Снеллиуса должен был бы лишь смещаться, но не изменять свою форму.

Ньютон и свет

Ньютон сообщает нам, что, начав изучать это странное явление и вычисляя отношения между углом падения белого света на призму и углами преломления цветных лучей, выходящих из нее, сразу же обнаружил, что это отношение различно для разных цветов. Повторяя эксперимент и вводя вторую призму, он отметил, что каждый из основных цветов имеет свое отношение. Он заключил, что белый свет является неопределенной совокупностью различных цветных лучей.

При описании этого эксперимента Ньютон совершает мистификацию; ключевой эксперимент (experimentum cruris, как его называет Ньютон), на котором он так сильно настаивает, был в значительной степени вымыслом, придуманным позднее для объяснений его рассуждений. На самом деле мы знаем, что Ньютон пришел к своим результатам более сложным путем, который мы не станем прослеживать.

В заключение мы можем согласиться с Ньютоном, что угол преломления зависит от цвета света и что белый свет Солнца является таковым из-за того, что он содержит все цвета, и может быть разложен на свои разные цвета путем преломления, совершаемого призмой. Поскольку, как мы указывали ранее, угол преломления зависит от скорости распространения света, можем также сказать, что результаты Ньютона означают, что скорость распространения зависит от цвета света.

В настоящее время для явления, согласно которому скорость распространения света зависит от его цвета, принято название дисперсия света, а дисперсионная сила описывает способность конкретного материала разлагать свет на различные цвета, наблюдаемые на экране, с помощью преломления в призме. Причина, почему свет каждого цвета распространяется с разной скоростью в одном и том же веществе, оставалась тайной вплоть до начала 20 столетия.

Преодолев СЃРІРѕРµ странное нежелание публиковать СЃРІРѕРё открытия, Ньютон, обнародовал СЃРІРѕРё заключения РІ 1672 Рі., отправив РїРёСЃСЊРјРѕ РІ Королевское Общество, Рё РјС‹ полагаем, что будет интересно вспомнить, как это случилось. Теория цветов, изложенная Робертом Гуком РІ Micrographia, РЅРµ удовлетворяла Ньютона. Гук утверждал, что СЃРёРЅРёР№ цвет света получается РёР·-Р·Р° ощущений РЅР° сетчатке СЃ помощью сложного импульса, чья слабая часть предшествует отстающей более сильной части, Р° красный получается РёР·-Р·Р° сложного импульса противоположного РїРѕСЂСЏРґРєР°. Ньютон РІ своей РєРЅРёРіРµ Quaestiones сразу же опроверг эти РґРІР° фундаментальных предположения Гука Рё провел эксперименты, которые РјС‹ уже описали. Рти эксперименты показали, что белый свет является некоторой СЃСѓРјРјРѕР№ цветных лучей, которые разбрасываются путем преломления РІ РїСЂРёР·РјРµ. Позднее РѕРЅ обнаружил, что этот результат имеет важное практическое значение. РџСЂРё работе СЃ телескопами было установлено, что сферические линзы РЅРµ отклоняют параллельные лучи, идущие РѕС‚ звезд, таким образом, чтобы собрать РёС… РІ совершенный фокус (С‚.Рµ. РІ точку). Р’ своей работе Dioptrique Декарт показал, что линзы эллиптической или гиперболической формы РјРѕРіСѓС‚, РІ согласии СЃ законом преломления, собирать преломленные параллельные лучи РІ совершенный фокус (С‚.Рµ. РІ точку). Ньютон начал исследовать, как можно было Р±С‹ изготовить такие поверхности, Рё обнаружил, что получается окрашенное изображение (сегодня этот дефект называется хроматическая аберрация) РёР·-Р·Р° того, что СЃРёРЅРёРµ лучи отклоняются сильнее, чем красные. РўРѕРіРґР° РѕРЅ прекратил СЃРІРѕСЋ работу РїРѕ несферическим линзам Рё РЅРёРєРѕРіРґР° РЅРµ возвращался Рє ней, решив построить отражательный телескоп, РІ котором увеличенное изображение получалось Р·Р° счет использования вогнутых зеркал вместо линз, используемых РІ телескопе Галилея. Ртот телескоп Ньютона имел увеличение РІ 40 крат. Позднее РѕРЅ построил второй телескоп СЃ увеличением 150 Рё демонстрировал его РІ Кембридже. Сведения РѕР± этом дошли РґРѕ Королевского Общества, которое просило ознакомиться СЃ телескопом Рё РІ конце 1672 Рі. получило его РѕС‚ Барроу. Телескоп произвел такую сенсацию, что РІ январе 1672 Рі. Генри Олденбург, секретарь Королевского Общества, писал Ньютону, превознося его изобретение Рё заявляя, что Общество хотело Р±С‹ послать чертеж Гюйгенсу, чтобы предотвратить присвоение РґСЂСѓРіРёРјРё людьми идеи Ньютона. Ньютон дал СЃРІРѕРµ согласие Рё 6 февраля отправил РІ Общество доклад Рѕ своей теории цветов, РІ котором РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР», как эта теория привела его Рє изобретению отражательного телескопа.

Вначале он не формулировал каких бы то ни было гипотез по теории света, но позднее, под влиянием критики Гука, Гюйгенса и др., на которую резко реагировал, вынужден был обозначить свою позицию. В своей работе, Royal Society Philophical Transactions, он принимал во внимание противников своей корпускулярной гипотезы природы света, не исключающей, однако, волновой альтернативы. Резкое противодействие Гука, продолжающееся в течение многих лет, привело к тому, что он долго ничего не публиковал по оптике. Так работа Гука Opticks была опубликована только в 1704 г., после его смерти.

Р’ то время РєРѕРіРґР° РѕРЅ был назначен профессором РІ Кембридже осенью 1669 Рі., Ньютон выбрал темой СЃРІРѕРёС… инагурационных лекций, прочитанных между 1670 Рё 1672 РіРі., теорию цветов Рё преломлений, которую РѕРЅ разработал РІ предыдущие пять лет. Рти Lectiones opticae, написанные РЅР° латыни, стали первым физическим трактатом Рё наиболее исчерпывающим изложением его теории цветов. Рти лекции были использованы как РѕСЃРЅРѕРІР° для его первой РєРЅРёРіРё Opticks, написанной 20 годами позднее. Сравнивая Lectiones СЃ Optics, РјС‹ можем проследить эволюцию взглядов Ньютона. Р’ СЃРІРѕРёС… Lectiones Ньютон старался развить математическую науку цветов, РІ то время, как РѕРЅ сам провозглашал, Optics является экспериментальным учебником: РњРѕР№ замысел этой РљРЅРёРіРё РЅРµ объяснять свойства света гипотезами, Р° выдвинуть предположения Рё проверить РёС… здравым смыслом Рё экспериментами.

Великая революция Ньютона в физике

Позднее, в 1679 г., Ньютон продолжил свои исследования тел, подверженных действию гравитационных сил, и полностью решил эту проблему. Фактически интуитивные предположение сделанные им в 1666 г., не были полностью разработаны, поскольку он не располагал точными измерениями относительно Земли, из которых можно было рассчитать притяжение между Землей и Луной. После того как француз Жан Пикар (16201682) измерил длину меридиана между Амьеном и Мальвузином (16691670), что позволило точно оценить радиус Земли, Ньютон смог вернуться к своим первоначальным идеям, найдя прекрасное подтверждение в экспериментах. Он отвергал картезианское пространство, связанное с механическими гипотезами, но принимал принцип Декарта движения по инерции в вакууме, который Галилей не вполне явно ввел в своей космологической системе Ньютон принял этот принцип как фундаментальную основу его законов в качестве первого: Каждое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного, прямолинейного движения, до тех пор, пока действие внешних сил не выведет его из этого состояния.

Принцип инерции, полностью сформулированный им в 1680 г., был использован для объяснения движения небесных тел в пространстве. �нерция позволяет им продолжать бесконечно их прямолинейное движение, а сила гравитации между двумя массами, пропорциональная массам и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, заставляет каждую планету искривлять своя траекторию по эллипсу.

Сложная аксиоматическая конструкция, устанавливающая фундаментальные основы классической механики, разработка теорем, относящихся к круговым и эллиптическим движениям, а также дифференцирование центральных сил, Все это было выполнено Ньютоном между 1684 и 1686 гг.

Представление Рё опубликование его принципиальной работы, Philosophiae naturalis principia mathematical РІ 1687 Рі. было поддержано Рё оплачено РёР· собственных средств РРґРјСѓРЅРґРѕРј Галлеем, так как Королевское Общество, которое обещало оплатить расходы, испытывало финансовые трудности. Галлей (16561742), который позднее был назначен Королевским Астрономом РІ Гринвиче, был знаменит СЃРІРѕРёРјРё изучениями комет. РћРЅ открыл, что события 1456, 1531, 1607 Рё 1682 РіРі. были вызваны РѕРґРЅРѕР№ Рё той же кометой, которая получила его РёРјСЏ Рё которая движется РїРѕ сильно вытянутому эллипсу СЃ периодом около 72 РіРѕРґР°. Последний раз эта комета появилась РІ 1985 Рі.

Р’ первом томе содержались законы движения, криволинейные Рё эллиптические движения, законы столкновений, дифференцирование центральных СЃРёР» Рё движение маятника. Второй том был посвящен движению твердых тел РІ сопротивляющихся средах Рё означал детальное Рё систематическое опровержение декартовой физики пространства. Рта физика изменяет реальное поведение тел, движущихся внутри жидкостей, Рё делает недоказуемым физические РѕСЃРЅРѕРІС‹ законов Кеплера. РћР±Р° эти тома имели рациональную аксиоматическую Рё дедуктивную структуру. Третий том начинался СЃ этих же посылок, Рё РІ нем индуктивно разрабатывалось устройство Вселенной. Автор простым Рё изящным СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРј переформулировал гелиоцентрическую теорию Коперника, добавляя самые новейшие астрономические данные; после демонстрации вывода законов Кеплера РёР· принципов, сформулированных Ньютоном, РѕРЅ разработал теорию движения Луны, приливов Рё рассчитал относительные траектории комет, Р° также проблему трех тел.

Первое издание Principia (около тысячи копий) получило широкое распространение в Европе, даже несмотря на недостаточное понимание содержания.

Ньютон как публичный человек

Вскоре после публикации Principia, незадолго до своего 50-летия Ньютон стал интересоваться политикой. В канун Славной революции 1688 г. Ньютон открыто противостоял попыткам Якоба (II) Стюарта заставить академический корпус Кембриджа принять бенедиктинского монаха в университет с его строгими протестантскими традициями. В 1688 г. Ньютон был выбран в Парламент как представитель Кембриджского университета. Парламент ратифицировал падение Стюартов и возведение на трон Вильгельма Оранского, так же принял Билль о правах. Потом последовала череда нескольких нервных кризисов. А в 1693 г. Ньютон был назначен смотрителем лондонского монетного двора и управлял важнейшей операцией замены циркулирующих денег на новые монеты. В 1697 г. он оставил Кембридж и кафедру. После ухода из университета он начал играть значительную роль в культурной и политической жизни столицы, будучи введенным в Королевский Суд, и получив рыцарское звание от королевы Анны. В Лондоне он поселился в районе Кенсингтона со своей племянницей Катериной Бартон, прекрасной и практичной женщиной, которая позднее вышла замуж за Джона Кондуита первого биографа знаменитого ученого. Позднее, в период между 1704 и 1727 гг. Ньютон был президентом Королевского общества.