Текст книги "Страницы истории науки и техники"
Автор книги: Владимир Кириллин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 34 страниц)
О крупнейшем немецком астрономе и математике – современнике Галилея Иоганне Кеплере (1571–1630) мы уже упоминали, теперь пришло время остановиться на его работах более подробно. Кеплер родился в бедной семье, в небольшом городке Вейль-дер-Штадте, находившемся в юго-западной части Германии. Почти всю жизнь ему пришлось испытывать материальные трудности. Окончив в 1588 г. церковную школу, Кеплер поступил в Тюбингенский университет, бывший одним из центров протестантской теологии в Германии (как и его родители, Иоганн Кеплер был протестантом). В университете большой интерес к Кеплеру проявил профессор математики и астрономии М. Местлин. Он частным образом ознакомил совсем еще молодого тогда Кеплера с гелиоцентрической системой мира Коперника. Дело заключалось в том, что, хотя Местлин являлся сторонником учения Коперника, он обязан был разъяснять студентам на лекциях геоцентрическую систему Птолемея, в которую сам не верил. Кеплер предполагал, что по окончании университета он займет духовную должность, но его намерениям не суждено было сбыться – университетское начальство послало его в далекий Грац преподавателем математики. Но эта случайность оказалась счастливой, в это время им было написано первое крупное сочинение с несколько странным и интригующим названием «Предвестник космографических исследований, содержащий космографическую тайну». В 1600 г. Кеплер переехал в Прагу, где сделался помощником уже называвшегося ранее крупного астронома Тихо Браге. В 1601 г. Тихо Браге умер и Кеплер занял его место математика и астронома при императорском дворе Рудольфа II. Двенадцать лет провел Кеплер в Праге, обрабатывая огромный материал наблюдений Тихо Браге, занимаясь поисками законов небесной механики и работая над составлением звездных таблиц. Тридцатилетняя война (1618–1648) и усилившиеся преследования протестантов католиками осложнили жизнь Кеплера. Ему пришлось часто менять место жительства, переносить большие лишения. Кеплер умер в 1630 г. в г. Регенсбурге.
Некоторые современные ученые, историки науки, считают, что Кеплер верил в астрологию. Действительно, Кеплер составлял гороскопы[115]115
Гороскоп – таблица взаимного расположения планет и звезд в данный момент времени, якобы определяющего судьбу человека.
[Закрыть] и даже занимал должность астролога. Но вот вопрос: почему он этим занимался? То ли он на самом деле верил в астрологию, то ли действовал по необходимости? Трудно представить себе, что гениальный немецкий ученый, крупнейший астроном верил в астрологию. Скорее всего, он таким путем зарабатывал себе на жизнь.
Кеплер сделал чрезвычайно много для становления и развития астрономии. Имя Кеплера в науке стоит рядом с именами трех гигантов: Николая Коперника (умершего за 28 лет до рождения Кеплера), неизменным сторонником которого Кеплер был всю жизнь и своими трудами оказал признанию системы Коперника величайшую поддержку; Галилео Галилея – современника Кеплера и его соратника по доказательству безусловной истинности гелиоцентрической системы мира, человека, стоящего у колыбели современной науки; Исаака Ньютона, родившегося через 13 лет после смерти Кеплера, нашедшего с помощью наблюдений и вычислений (законов) Кеплера «причину» движения небесных тел, открывшего закон всемирного тяготения и в целом сделавшего для науки столько, сколько мало кто сделал до него или после него.
Рис. 2. Движение планеты вокруг Солнца.
На основе обобщения данных астрономических наблюдений Кеплер установил три закона движения планет относительно Солнца, носящие теперь его имя. Первый закон Кеплера: каждая планета движется но эллипсу, в од-пом из центров которого находится Солнце; траектория планеты иллюстрируется рис. 2. Второй закон Кеплера: радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежутки времени описывает равные площади. Из этого закона, между прочим, следует, что скорость движения планеты по орбите не постоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера: квадраты времен обращений планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.
Кеплер считал, что источником силы, движущей планеты, является Солнце. Он, видимо, был близок к формулированию понятия гравитационной массы, понятия «тяжести». Этот решающий шаг удалось сделать Ньютону.
Кеплеру принадлежит сверх сказанного много заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнечных и лунных затмений, предложил способы их предсказаний, уточнил величину расстояния между Землей и Солнцем, составил так называемые Рудольфовы таблицы (по имени Рудольфа И), дающие возможность с высокой для того времени степенью точности определять в любой момент времени положение планет, решил ряд важных для практики стереометрических задач.
Поскольку Кеплер неизменно выступал в пользу гелиоцентрической системы мира Коперника, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно. Одно из произведений Кеплера, «Сокращение коперниковой астрономии», было внесено Ватиканом в список запрещенных книг.
Сам Кеплер прекрасно понимал значение сделанных им работ. Он не без сарказма писал: «Мне все равно, кто будет меня читать: люди нынешнего или люди будущего поколения. Разве господь бог не дожидался шесть тысяч лет, чтобы кто-нибудь занялся созерцанием его творений?»[116]116
Цит. по: Седов Л. II. Галилей и основы механики. М.: Наука,
[Закрыть].
Один из величайших ученых за всю историю человечества – Исаак Ньютон (1643–1727) оставил огромное научное наследство в самых разных областях науки. Его работы по оптике, астрономии, математике явились важнейшими этапами в развитии соответствующих наук. Но самым главным, что прославило имя Ньютона и навсегда внесло его в историю науки, было создание основ механики, открытие закона всемирного тяготения и разработка на его базе теории движения небесных тел.
Чрезвычайно важным было определение понятия силы, данное Ньютоном. Даже ие зная определения силы, мы представляем себе, о чем идет речь. Слово сила ассоциируется нами с предпринимаемым усилием и вызываемыми им последствиями – толчком тачки, например, и вызванным этим толчком перемещением тачки. Некоторые ученые, и среди них, конечно, Галилей, близко подходили к тому, чтобы дать определение силы, но только Ньютону удалось это сделать. В своем замечательном труде «Математические начала натуральной философии», являющемся, вероятно, вершиной его творчества, Ньютон дал следующее определение силы. «Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Эта сила проявляется только в действии, она не сохраняется в теле, когда действие прекращается, ибо тело сохраняет всякое новое состояние, которое оно приобретает исключительно благодаря его инерции. Воздействующие силы имеют различное происхождение: таковы силы удара, давления и центростремительные»[117]117
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 33.
[Закрыть].
В ньютоновском определении силы есть еще одно важное понятие – инерции – свойства тела, как это следует из ньютоновского определения силы, сохранять состояние равномерного прямолинейного движения или покоя. Мерой инерции тела является, как теперь принято говорить, инертная масса тела. Эйнштейн и Инфельд дают следующее определение инертной массы тела: «готовность, с какою тело отзывается на воздействие внешней силы»[118]118
Эйнштейн, А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 33.
[Закрыть].
Вспомним еще раз опыт с тачкой, движущейся по горизонтальной поверхности. Оказывается, что начальная скорость тачки будет зависеть не только от первоначально приложенного усилия (силы толчка), но и от инертной массы тачки. Действительно, если тачку нагрузить больше, например увеличить ее общий вес в два раза, то при толчке одной и той же силы скорость, приобретенная более тяжелой тачкой, будет в два раза меньше.
Как измерить инертную массу тела? Можно было бы поступить следующим образом: воздействовать на два различных тела одинаковым по величине внешним усилием и измерить скорости движения этих тел; если одно тело будет иметь начальную скорость, допустим, в 5 раз большую, чем другое, то инертная масса первого тела в 5 раз меньше, чем второго. Такой способ определения инертной массы был бы логически оправдан, но он практически неудобен и поэтому не используется.
Для определения инертной массы тел применяется другой, более простой способ – взвешивание тел. Возможность его использования основана на следующем рассуждении. Земля, как известно, притягивает к себе тела, существует явление, именуемое словом «тяжесть», тело притягивается к Земле тем сильнее, чем больше его вес, больше пропорциональная весу гравитационная масса тела. Однако гравитационная масса проявляет себя совершенно иначе, чем инертная масса, и нет оснований считать, что они численно равны.
Оснований для этого действительно нет (во всяком случае, не было во времена Ньютона), но зато есть опыты Галилея по свободному падению тел, о которых, мы надеемся, еще не забыл читатель и из которых следует, что все тела падают на Землю с одинаковой скоростью (если, конечно, не учитывать сопротивления воздуха).
Какой вывод может быть сделан из опытов Галилея? Нетрудно убедиться, что решающий. Действительно, при свободном падении тела на Землю увеличение его гравитационной массы должно увеличивать скорость падения, в то время, как увеличение инертной массы должно, согласно сказанному выше, уменьшать скорость падения. Из установленного опытами Галилея равенства скоростей падения на Землю всех тел может быть, очевидно, сделан один вывод: гравитационная и инертная массы тела численно равны. Заметим, что в 1971 г. советские физики Брагинский и Панов с помощью крутильных весов установили равенство гравитационной и инертной масс с точностью до 10-12, т. е. с невероятно высокой точностью.
Законно задать такой вопрос: является ли равенство гравитационной и инертной масс случайным или оно имеет более глубокий смысл? Ответим на этот вопрос словами Эйнштейна и Инфельда: «С точки зрения классической физики ответ таков: равенство обеих масс случайно, и нет никакого смысла придавать этому факту большое значение. Ответ современной физики совершенно противоположен: равенство обеих масс имеет фундаментальный смысл и составляет новую, весьма существенную руководящую идею, ведущую к более глубокому познанию мира. Действительно, это была одна из самых важных идей, из которых развилась так называемая общая теория относительности»[119]119
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 32.
[Закрыть].
Ньютон сформулировал три основных закона механики, ставшие ее фундаментом. Эти законы, именуемые законами механики Ньютона, изучаются во всех школах в начале курса физики. Несмотря на то что их содержание, несомненно, известно всем читателям, мы все же напомним его, хотя бы ради систематичности изложения.
Первый закон механики Ньютона, именуемый также законом инерции, таков: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока оно не вынуждено изменить его под влиянием действующих сил. Нетрудно заметить, что первый закон Ньютона есть более строгое изложение приводившегося уже положения Галилея.
Существо второго закона механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом ускорение движения прямо пропорционально силе, под действием которой это ускорение возникает, и обратно пропорционально массе тела. Другими словами,
a = F/m,
где a – ускорение, F – сила (или векторная сумма сил), действующая на тело, m – масса тела.
Или
F = ma.
Словесно второй закон механики Ньютона может быть сформулирован так: произведение массы тела на его ускорение равно действующей силе, а направление ускорения совпадает с направлением силы.
Произведение массы тела m на скорость движения этого тела v именуется в механике количеством движения или импульсом р. Следовательно,
mv = p.
При постоянной массе тела уравнение второго закона механики Ньютона
ma = F
может быть написано в виде[120]120
Учитывая, что dp/dt = mdv/dt = ma = F.
[Закрыть]
dp/dt = F,
и поэтому второй закон механики Ньютона можно сформулировать так: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе, времени ее действия и происходит по направлению действия этой силы.
Наконец, третий закон механики Ньютона: действию всегда есть равное, противоположно направленное противодействие. Или иначе: действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Еще одной руководящей идеей, принадлежащей Ньютону, явился открытый им закон всемирного тяготения – один из универсальных законов природы. Согласно этому закону, все тела[121]121
Точнее говорить не о телах, а о материальных точках – идеализированных телах, масса которых принимается конечной, а размерами можно пренебречь. Ньютон понятие материальной точки не употреблял.
[Закрыть] независимо от их свойств, а также свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное притяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними, т. е.
где F – сила притяжения между телами (на самом деле существуют две силы, каждая из которых приложена к одному из тел; они действуют во встречном направлении, вдоль прямой, соединяющей тела), m1 и m2 – массы взаимодействующих тел, r – расстояние между ними, G – так называемая гравитационная постоянная.
В соответствии с законом всемирного тяготения происходит, в частности, падение тел на Землю, движение Луны и планет. Этот закон явился основой создания небесной механики – науки, изучающей движения тел Солнечной системы. Признание справедливости закона всемирного тяготения и его следствия – небесной механики – стало всеобщим, особенно после открытия астрономами в 1845 г. планеты Нептун, само существование которой, ее орбита и ряд характеристик, было предсказано расчетами.
В настоящее время закон всемирного тяготения служит основой для расчета движения искусственных спутников Земли и других искусственных небесных тел.
Природа сил тяготения, равно как и распространения их действия (предполагалось, что распространение тяготения происходит мгновенно), не была объяснена Ньютоном. Эти сложные вопросы получили объяснение только в созданной Эйнштейном теории тяготения.
Из того, что уже сказано о достижениях Ньютона в области механики (в том числе и небесной), об открытых им законах, видно, как много сделал для науки этот гениальный ученый. Сказанное, однако, далеко не исчерпывает областей науки, в которых работал Ньютон, и его выдающихся достижений. Мы еще вернемся к этому вопросу, а пока ознакомимся кратко с жизнью этого великого человека.
Исаак Ньютон родился 4 января 1643 г. в дер. Вулсторп, находящейся в 75 км от Кембриджа, в семье мелкого фермера. Его отец умер еще до рождения сына. В 1661 г., по окончании школы, Ньютон поступил в Кембриджский университет (Тринити-колледж, т. е. Колледж троицы) и окончил его в 1665 г. При содействии известного математика, профессора Барроу, Ньютон занял люкасовскую[122]122
Кафедра математики в Кембридже была организована на средства некоего Люкаса, и Барроу был первым ее профессором.
[Закрыть] кафедру Кембридяшкого университета, на которой он работал до 1701 г., хотя лекции читал только до 1696 г.
Самым творческим периодом жизни Ньютона являются 60—80-е годы. За это время он разработал основы дифференциального и интегрального исчислений, провел опыты по разложению света, выполнил важные астрономические исследования, создал основы механики, открыл закон всемирного тяготения.
В 1668 г. Ньютон собственноручно построил зеркальный телескоп. В 1671 г. он построил второй телескоп такого же типа, но больших размеров и более совершенный. Интересно отметить, Ньютон так же, как и Галилей, обязан телескопу первым признанием своих научных заслуг.
В 1687 г. Ньютон опубликовал свой капитальный труд «Математические начала натуральной философии», в предисловии к которому им сказано: «…сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления… Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы, рассуждая подобным же образом, ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, пока неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга. Так как эти силы неизвестны, то до сих пор попытки философов объяснить явления природы и оставались бесплодными. Я надеюсь, однако, что или этому способу рассуждения, или другому, более правильному, изложенные здесь основания доставят некоторое освещение»[123]123
Цит. по: Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 205.
[Закрыть].
В 1696 г. Ньютон был назначен смотрителем Монетного двора, а в 1699 г, – его директором – «пост, – пишет Дж. Бернал, – который, по мнению многих, ему очень повезло получить и обязанности по которому он выполнял добросовестно»[124]124
Бернал Дж. Там же, с. 264.
[Закрыть]. Последующие годы Ньютон жил в предместье (а теперь районе) Лондона Кенсингтоне.
В 1672 г. Ньютон был избран членом Лондонского королевского общества, в 1703 г. стал его президентом и оставался им до конца своих дней. В 1699 г. он был избран иностранным членом Парижской академии наук. За заслуги перед наукой в 1705 г. Ньютон был возведен в дворянское достоинство. Умер Ньютон 31 марта 1727 г. в возрасте 84 лет, похоронен в национальном пантеоне – Вестминстерском аббатстве.
Неудивительно, что Ньютон, крупнейший ученый-естествоиспытатель, важнейшие вопросы естественных наук рассматривал с позиций материализма. Он, например, по мнению многих ученых, считал справедливой концепцию об атомном строении вещества. Вот что говорит по этому вопросу известный японский физик Юкава: «Ньютон, с одной стороны, придерживался идеи об атомном строении вещества, восходящей еще к Демокриту, но, с другой стороны, он не отбрасывал полностью и понятия эфира: ведь в его трудах нет упоминания о материальной точке. Значит, он не думал, что атомы не имеют размеров».
– В «Началах» много тревожных, полных сомнения мест. Например, обсуждение понятия массы Ньютон начинает с определения объема и задает плотность. На первый взгляд этим все ставится с ног на голову, поскольку хорошо известно, что плотность – это масса, деленная на объем, и нельзя ввести понятие плотности раньше определения массы. Действия Ньютона выглядят подозрительно, ибо не ясно, как оперировать плотностью, не имея определения массы. Но если учесть, что он придерживался атомной теории, то его изложение перестает казаться удивительным. При наличии в пространстве атомов плотность выражает их число в единичном объеме. Как определить это число – вопрос техники, а не принципа. Если в единичном объеме имеется 100 частиц, то плотность будет 100, а если 1000 частиц, то 1000»[125]125
Юкава X. Лекции по физике. М.: Энергия, 1981, с. 17–18.
[Закрыть].
Материалистический подход Ньютона следует и из разработки им небесной механики. Вот что пишет Дж. Бернал: «Созданная Ньютоном теория тяготения и его вклад в астрономию знаменуют последний этап преобразования аристотелевской картины мира, начатого Коперником. Ибо представление о сферах, управляемых перво-двигателем или ангелами по приказу бога, Ньютон успешно заменил представлением о механизме, действующем на основании простого естественного закона, который не требует постоянного применения силы и нуждается в божественном вмешательстве только для своего создания и приведения в движение.
Сам Ньютон был не совсем в этом уверен и оставил лазейку для божественного вмешательства, чтобы сохранить стабильность этой системы»[126]126
Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 267.
[Закрыть].
И далее: «Ньютонова система Вселенной действительно представляла собой значительную уступку со стороны религиозной ортодоксальности, ибо в ней уже нельзя было столь ясно видеть руку божью в каждом небесном и земном явлении, а только в общем создании и организации всего целого»[127]127
Там же, с. 268.
[Закрыть].
Материалистический подход при решении многих вопросов естествознания сочетался у Ньютона с религиозностью, верой в бога. В этой связи Юкава говорит не без юмора следующее: «По Ньютону, мир сотворен Богом и приводится в движение божественным повелением и божественной волей; множество атомов тоже сотворено божеством. Мы видим здесь сотворение абсолютно неразрушимых объектов. Человек, убежденный, что после долгих трудов ему удалось создать абсолютно неразрушимую вещь, – несомненно верующий (смех в зале). Возможно, подобная вера встречается и в наши дни, но Ньютон верил не в себя, а в Бога. Его Бог – управитель, господин, законодатель»[128]128
Юкава X. Лекции по физике, с. 14.
[Закрыть].
И далее: «Итак, Бог-отец руководит Вселенной, одновременно он поддерживает порядок, является законодателем, а также творцом. Но как это делается, как происходит движение тел, которым управляет Бог? Как это происходит – Ньютон открыл сам. Или восстановил, как любил он утверждать»[129]129
Там же, с. 15.
[Закрыть].
Что касается черт характера Ньютона, то тут мнения весьма различны. Дж. Бернал пишет: «В личной жизни Ньютон представлял собой чрезвычайно странную фигуру, был очень необщителен, склонен к уединению и даже скрытен. Он так и не женился и не хотел дать согласия на посвящение в духовный сан ввиду имевшихся у него сомнений насчет троицы. Ньютон знал достаточно для того, чтобы стать весьма самокритичным; однако это заставляло его быть тем более чувствительным к критике со стороны других людей»[130]130
Бернал Дж. Наука в истории общества, с. 265.
[Закрыть].
А из лекций Юкавы мы узнаем: «Недавно я ознакомился с другими рассказами о Ньютоне, исходящими не от физиков, а от известного экономиста Кейнса. Он разобрал и упорядочил все оставшееся после Ньютона и в результате тщательного исследования обнаружил много скрытого, не согласующегося с общераспространенным (и ложным) представлением, будто Ньютону не свойственны были живые человеческие чувства. Кейнс выявил много свидетельств обратного. Именно тогда я живо ощутил реальность существования Ньютона-человека и очень заинтересовался им»[131]131
Юкава X. Лекции по физике, с. 12.
[Закрыть].
Даже версия о знаменитом яблоке, падение которого с дерева будто бы навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения, имеет различные толкования. Друг Ньютона Стукелей утверждал, что якобы сам Ньютон говорил, что именно эпизод с яблоком помог ему открыть закон всемирного тяготения. А другой друг Ньютона, Пембертон, выражал большие сомнения в справедливости этой версии. Он считал, что Ньютон, возможно, специально выдумал историю с яблоком, чтобы отделаться от не в меру любопытных собеседников, может быть даже от Стукелея.
Ньютон отчетливо представлял себе всю ограниченность человеческого знания, и в этом отношении показательно одно из ого высказываний, приведенное, в частности, В. И. Вернадским: «Ньютон, стариком, подводя итоги своей научной работы, говорил, что он чувствует себя в положении мальчика, разбирающего камешки на морском берегу и из этих камешков строящего детские постройки – свое мировоззрение ученого… Это чувствовал человек, который глубже других на протяжении веков научно охватил порядок природы»[132]132
Цит. по: Лихтенштейн Е. С. Слово о науке. М., 1981, кн. 2, с. 21.
[Закрыть].
Имя Ньютона входит в число имен ученых, сделавших особенно много в развитии оптики (греч. optike – наука о зрительном восприятии) – разделе физики, в котором рассматриваются вопросы природы видимого излучения {света) и его распространения. Современная наука считает природу света, как и природу всех объектов и явлений микромира, двойственной – корпускулярно-волновой. Другими словами, свет, согласно современным представлениям, обладает свойствами, присущими как потоку частиц, так и волнам. Во времена яге Ньютона точка зрения на природу света только еще начала складываться, по этому вопросу шли дискуссии, высказывались различные соображения.
История развития оптики восходит ко временам, дало-ко отстоящим от начала нашей эры; по вопросу о природе и свойствах света известны высказывания, относящиеся к 5-му тысячелетию до н. э. В более, позднее время древнегреческие ученые Пифагор, Платон, Аристотель и др. высказывали свои соображения о сущности и свойствах света. Наиболее важным результатом древнегреческих ученых было, вероятно, не столько их предположение о том, что представляет собой свет, сколько установление его прямолинейного распространения, имевшее большое практическое значение, особенно для астрономии и навигации.
Важным этапом в развитии оптики, относящимся к началу новой эры (хотя некоторые соображения высказывались раньше), было изучение преломления лучей света (рефракции) на границе различных сред (например, при прохождении через воду или стекло). Обстоятельный трактат по этому вопросу был написан Птолемеем во II в. н. э.
Наконец, Пьером Ферма (1601–1665), французским математиком и физиком (оптиком), приблизительно в 1660 г. был установлен принцип, носящий теперь его имя (принцип Ферма), несколько упрощенная формулировка которого может быть дана в следующем виде: истинный путь прохождения света из одной точки в другую отвечает минимально необходимому для этого времени.
Дальнейший прогресс оптики связан с именем Ньютона. Относительно природы света Ньютон придерживался корпускулярной концепции: он считал, что луч света, проходящий через межпланетное пространство, атмосферу Земли или какую-либо другую среду, представляет собой поток частиц, испускаемых источником света. В то же время Ньютон не исключал возможности того, что свет может иметь некоторые волновые свойства, поскольку распространение его происходит, как в то время полагали, в мировом эфире – гипотетической среде, якобы заполняющей все мировое пространство, – понятие о котором потребовалось тогда для объяснения некоторых физических явлений.
Ньютон сделал очень важный шаг в понимании задолго до него известного факта – так называемой дисперсии света, т. е. разложения обычного белого цвета на все существующие в природе цвета с образованием солнечного спектра, имеющего с одной стороны красный цвет, а с другой – фиолетовый, при прохождении луча света, например, через стеклянную призму. Ньютон дал следующее объяснение этому явлению, хорошо известному также по появляющейся иногда во время дождя радуге. Он считал, что белый цвет представляет собой совокупность различных световых корпускул (частиц), причем каждому цвету отвечает свой «сорт» корпускул. Новым в этом было прежде всего то, что, по Ньютону, различные цвета не возникали из белого цвета в стеклянной линзе или в капельках воды радуги, а были присущи белому цвету и только проявлялись в результате преломления света (рефракции). Преломление света различно для различных цветов, составляющих белый цвет (различно для разных «сортов» корпускул). Следствие этого – возникновение солнечного спектра.
Вот что писал Ньютон но этому поводу: «…эти цвета не порождены вновь, а лишь стали видными благодаря разделению, ибо если их снова полностью смешать вместе, то они вновь составят тот свет, который они составляли до разделения. По той же причине изменения, которые получаются при соединении различных цветов, нереальны, ибо, если различные лучи вновь разъединить, они. будут проявлять точно те же цвета, как и до вхождения в смесь. Как вы знаете, синие и желтые порошки при таком смешивании кажутся невооруженному глазу зелеными, и все же цвета составляющих корпускул не изменились в действительности, а лишь смешались. Ибо, если; посмотреть в хороший микроскоп, они по-прежнему будут казаться только синими и желтыми»[133]133
Цит. по: Эйнштейн Л., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 83.
[Закрыть].
Важно отметить, что некоторые тела излучают свет: только одного цвета – так называемый однородный свет. При этом различным элементам и соединениям присущи различные цвета спектра. На этом принципе построен спектральный анализ, позволяющий определять не только качественный, по и количественный состав исследуемых веществ. Спектральный анализ нашел широкое применение в самых разных областях науки и техники, например в металлургии – для определения состава и свойств металлов и в астрономии для анализа состава небесных тел.
Ньютон впервые наблюдал явление, именуемое интерференцией света. Это явление можно видеть при определенных условиях на экране в виде чередующихся светлых и темных полос. В физике термин интерференция относят к волнам (независимо от их физической природы) и под ним понимается сложение в пространстве двух или большего числа воли, которые в различных точках усиливают или ослабляют друг друга.
Рис. 3. Продольные волны.
Напомним, что под термином «волны» понимаются возмущения (изменения состояния) среды, распространяющиеся в этой среде без переноса вещества и несущие с собой энергию. Звук, например, распространяется в любой газообразной и жидкой среде (воздухе, воде и т. д.) посредством так называемых упругих продольных волн, представляющих собой чередующиеся зоны сжатия и разрежения.
Продольные волны (рис. 3) всегда распространяются в том же направлении, в каком происходят смещения частиц среды (например, частиц воздуха), образующие зоны сжатия и разрежения.
Рис. 4. Поперечные волны.
Если распространение волн происходит не в жидкой или газообразной среде, а, например, вдоль натянутой струны, то образуются уже не продольные, а поперечные волны (рис. 4). Дело в том, что отдельные малые участки (точки) струны будут совершать колебания от состояния равновесия не в направлении движения волны, а перпендикулярно этому направлению, поперек него. Волны, распространяющиеся по поверхности воды (или другой жидкости) также поперечны. Если на берегу озера сидит рыбак, поплавок его удочки плавает на поверхности озера, а по этой поверхности проходят волны, вызванные, например, брошенным в воду камнем (конечно, рыбак и брошенный в воду камень не очень-то вяжутся между собой), то поплавок не будет перемещаться в сторону движения волн – течение воды отсутствует, существуют только колебания воды вверх и вниз, которым и будет следовать поплавок.
Ньютон наблюдал также явление, основанное на интерференции и носящее теперь наименование колец Ньютона, а в 1675 г. дал его описание. Он исследовал явление дифракции света, рассматриваемое теперь как отклонение электромагнитных, световых волн от прямолинейного распространения, например при прохождении сквозь узкие отверстия и вблизи острых краев непрозрачных тел. Дифракция света – один из веских аргументов в пользу волновой природы света.
Представления, созданные Ньютоном о природе света и его свойствах, за прошедшие примерно 300 лет, естественно, претерпели большие изменения. Такова уж наука, она никогда не стоит на месте, старые идеи заменяются, корректируются и дополняются новыми. Это обычный и очень хороший порядок. Но как все это делается? Обесценивается ли при этом ранее внесенный в развитие науки вклад?
Б ответ на эти вопросы приведем слова автора теории относительности А. Эйнштейна и его соавтора по книге Л. Инфельда: «Для сравнения мы могли бы сказать, что создание новой теории непохоже на разрушение старого амбара и возведение на его месте небоскреба. Оно скорее похоже на восхождение на гору, которое открывает новые и широкие виды, показывающие неожиданные связи между нашей отправной точкой и ее богатым окружением. Но точка, от которой мы отправлялись, еще существует и может быть видна, хотя она кажется меньше и составляет крохотную часть открывшегося нашему взору обширного ландшафта»[134]134
Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 125.
[Закрыть].
