История лазера. Научное издание

Бертолотти Марио

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 РёРј РІ 1680 Рі., был использован для объяснения движения небесных тел РІ пространстве. Рнерция позволяет РёРј продолжать бесконечно РёС… прямолинейное движение, Р° сила гравитации между РґРІСѓРјСЏ массами, пропорциональная массам Рё обратно пропорциональная квадрату расстояния между РЅРёРјРё, заставляет каждую планету искривлять СЃРІРѕСЏ траекторию РїРѕ эллипсу.