Гюйгенс. Волновая теория света. В погоне за лучом - Давид Бланко Ласерна

«И тем не менее они оставили кое-что, имеющее большую важность, что должны открыть те, кто идет по их стопам; так, я нахожу в преломлениях некоторую неправильность, которая мешает всему [...]. По этой причине я и занимаюсь диоптрикой — не для того, чтобы предложить новый подход к ней, но чтобы сразу же до конца исследовать это свойство света и показать, до какой степени оно подрывает совершенство диоптрики и как можно избежать этого препятствия до той степени, до которой позволяет природа. Я опишу здесь различные аспекты, связанные с теорией и практикой телескопов и микроскопов, чтобы доказать, что окончательное усовершенствование оптики, в отличие от принятого мнения, должно состоять в сочетании диоптрики и катоптрики».

Свойство природы, о котором говорил Ньютон, было знаменитым разложением солнечного света, проходящего через призму. Геометрическая оптика не учитывала неизбежный оптический эффект: белый свет объединяет лучи разных цветов, которые, проходя через прозрачный предмет, отклоняются под разными углами. Таким образом, линза трансформирует каждую точку предмета в многоцветное пятно, формируя искаженное изображение. Это явление называется хроматической аберрацией. Ньютон считал, что она оказывает гораздо большее влияние на формирование изображений, чем сферическая, и что из-за нее создание любого телескопа, состоящего только из линз, невозможно (диоптрика). Решение следовало искать в создании нового, отражающего телескопа, в котором использовались зеркала (катоптрика). Если Ньютон был прав, то намерение Гюйгенса усовершенствовать телескоп посредством тонкой шлифовки линз было обречено на неудачу. Со временем голландец понял, что в науке должна произойти настоящая революция. Сначала он прочитал статью, которую Ньютон опубликовал в феврале 1672 года в журнале «Философские труды». Его первая реакция была осторожной:

ЗЕРКАЛЬНЫЙ ТЕЛЕСКОП

В первой половине XVII века, когда оптическая индустрия стремительно развивалась, идея отражающего телескопа витала в воздухе. Ее поддерживал и сам Декарт. После того как выяснилось, что линзы увеличивали изображение, отклоняя лучи света, естественно было задуматься о том, какие возможности скрывались в зеркалах. В 1663 году шотландец Джеймс Грегори предложил первую конструкцию из двух зеркал: одно имело форму параболы, другое — эллипса (см. рисунок 1). Однако придать отшлифованной металлической поверхности нужную форму было так же технически сложно, как и изготовить качественные линзы. И Грегори отступил от своего плана.

РИС. 1

Следуя примеру Гюйгенса, использовавшего элементы, которые ремесленники были в состоянии сделать, Ньютон разработал более простой прототип на основе плоского и сферического зеркал (см. рисунок 2). Он сам спроектировал прибор и приготовил сплав для зеркала. Рефлекторный телескоп имел несомненные преимущества. Во-первых, он был менее подвержен сферической аберрации. Поскольку свет в нем не переходил через границу сред, то он не терял в яркости, а изображение не деформировалось из-за неровностей стекла или наличия в нем пузырьков. По этой же причине в нем не проявлялась хроматическая аберрация. Слабым местом телескопа был сам отражающий материал. В пределах возможного он должен был приближаться к идеальному зеркалу и не темнеть при контакте с атмосферой.

РИС. 2

«Его новую теорию цветов я нахожу довольно остроумной, но предстоит проверить, подтверждается ли она опытами».

Разумеется, Гюйгенс не разделял взглядов Ньютона, который был убежден, что у рефракторных телескопов нет будущего, — слишком уж много лет было посвящено работе над ними:

«Он также должен признать, что эта дисперсия лучей не компрометирует линзы так, как, кажется, он хотел бы, когда заявил, что вогнутые зеркала — единственная надежда усовершенствовать телескоп».

РИС. 2

РИС. З

Гюйгенс подозревал, что разрушительная критика англичанина была частью стратегии, позволяющей выдвинуть на первое место собственный отражающий телескоп. С научной же точки зрения ему казалось, что Ньютон вводил в свою теорию слишком много «цветов», в то время как достаточно было двух: синего и желтого. В своем ответе Гюйгенсу Ньютон умерил критику преломления, но оспорил доводы о белом свете, распадающемся на пару цветов. Тогда Гюйгенс с его придворным воспитанием решил, что энтузиазм, с которым Ньютон отдавался спору, был несовместим с хорошими манерами. Через секретаря Лондонского королевского общества Генри Ольденбурга голландец объявил, что выходит из полемики: «Когда я вижу, с каким жаром он защищает свои идеи, у меня пропадает всякое желание продолжать дискуссию». Однако он отдал Ньютону должное и зачеркнул восклицание «Эврика!» в своей тетради для записей, написав рядом: «Это изобретение бесполезно по причине ньютоновской аберрации, производящей цвета».

Однако хроматическая аберрация (см. рисунок 2) не смогла уничтожить телескоп на основе линз. Около 1730 года английский адвокат и ученый-любитель Честер Мур Холл предложил новый подход, в котором комбинировал линзы разной формы из разных материалов (см. рисунок 3). Например, угол преломления света, проходящего через стекло крон, будет отличаться от угла при переходе через стекло флинт.

Публикация работ Барроу по оптике и теории Ньютона о разложении света за несколько месяцев перевернула ход 20-летних научных исследований в этой области.

Неуемное любопытство Гюйгенса и его удивительная работоспособность иногда становились главными его врагами, постоянно отвлекая ученого от цели и отдаляя момент обнародования его открытий. Но эти же качества были и его опорой. Любопытство отвлекало Гюйгенса от неудач, заставляло его видеть в них новое поле для исследований. Ученый высказался против теории цветов Ньютона, отмечая, что «даже если бы было истинным, что лучи света вначале были красными, синими и так далее, у нас осталась бы трудная задача объяснить посредством физики, в чем состоит механика этого разнообразия цветов». Это верное замечание прекрасно вписывалось в его подход к диоптрике. Геометрическая оптика переживала расцвет в годы молодости Гюйгенса, но теперь она не была способна объяснить новые явления. Впрочем, даже оставаясь в арьергарде физической науки, геометрическая оптика предоставляла ученым и ремесленникам полезные наработки. Гюйгенс использовал ее как трамплин для новых исследований. Окончательно подтолкнула его к тому, что направить свое любопытство в единое русло, физическая головоломка, пробудившая в ученом огромный энтузиазм.