Сергей Вавилов Глаз и Солнце. О свете, Солнце и зрении

© Состав. ООО «Торгово-издательский дом «Амфора», 2015

Развитие геометрической оптики и оптических приборов[1]

Из всех чувств человека зрение глубже других связывает нас с природой, благодаря широте тех возможностей, которые она предоставляет в наше распоряжение. Ни слух, ни обоняние, ни вкус не позволяют нам получать такие подробные и разносторонние сведения о том, что происходит вокруг нас. При этом дальность зрения превышает всякое воображение, позволяя нам протянуть мост к звездам, удаленным от нас на расстояния, для представления о которых приходится создавать особые единицы и понятия (как, например, «световые годы»).

Орган зрения человека и животных возник в результате многих миллионов лет постепенного развития, это – плод тесного взаимодействия между светом и живой материей. Он достиг высокой степени совершенства, которой мы не осознаем в силу привычки. Наоборот, в силу ряда недостатков различного происхождения, о которых будет сказано дальше, мы склонны, недооценивать наш глаз и подвергать его несправедливой критике. Знаменитый физик Гельмгольц высказал мнение, что глаз – плохой инструмент и на месте Бога он создал бы его более совершенным. Более правильным представляется взгляд, что в органе зрения все его качества и недостатки так удачно уравновешиваются, что одно какое-нибудь улучшение повлекло бы за собой полную его перестройку. Мы увидим дальше, что все самые остроумные изобретения человека в области оптики, понимая последнюю в очень широком смысле, в том или ином виде осуществлены в глазу.

Человечество с полным правом гордится современным состоянием фотографии. Но самый совершенный фотоаппарат, снабженный последними достижениями техники, вместе с новейшим фотоматериалом не обладает теми возможностями, которыми располагает человеческий глаз, и все принципы, на основании которых построен и работает фотоаппарат, отражены в зрительной системе глаза.

Многое в этом замечательном механизме еще непостижимо для нас, и можно с уверенностью сказать, что, когда нам удастся вникнуть в еще непонятые свойства глаза, техника оптических приборов будет обогащена новыми усовершенствованиями.

Тем не менее нельзя отрицать, что работа нашего глазного аппарата ограничена со многих сторон. Мы не видим отчетливо ни того, что слишком далеко, ни того, что слишком близко, ни того, что мало освещено, ни того, что освещено излишне ярко; наш глаз чувствителен к очень узкой области спектра, и от него скрыты и инфракрасные и ультрафиолетовые радиации.

Изучение природы света и световых явлений является предметом оптики. Вопросом распространения света в прозрачных средах и в искусственно созданных человеком комбинациях оптических сред – оптических приборах – занимается геометрическая оптика. В ее задачи входит обоснование теории оптических систем, объяснение причин, ограничивающих работу зрительного аппарата, и в результате – выяснение мер, ведущих к увеличению возможностей этого аппарата, к улучшению нашего зрения в широком понимании этого слова. Очки, лупы, микроскопы устраняют дефекты глаза, его недостаток аккомодации и позволяют видеть тела мельчайших размеров; астрономические трубы приближают к нам в сотни и тысячи раз небесные тела; бинокли, стереотрубы увеличивают в несколько раз разрешающую силу наших глаз и ощущение глубины; дальномеры, используя до предела остроту нашего зрительного аппарата, определяют с большой точностью расстояния до далеких предметов. Спектроскопы и спектрографы, разлагая световые радиации на монохроматические составляющие, дают представление об их составе, строении и вместе с тем много сведений об источнике этих радиаций; фотографические аппараты фиксируют, а киноаппараты расчленяют во времени текущие явления и события. Прожекторы, осветители увеличивают освещение незамечаемых вследствие темноты объектов; медицинские оптические инструменты, построенные по такому же принципу, как и перископы, позволяют проникать в человеческое тело, обнаружить и излечить многие болезни.

Оптика развивалась скачкообразно. Будучи одной из самых древних наук, учение о свете начало давать первые конкретные плоды только в XVI в., когда появились первые микроскопы и зрительные трубы. С самых древних времен, о которых мы ничего определенного не знаем, известны такие бросающиеся в глаза факты, как прямолинейное распространение света, преломление и отражение света. Стекло научились плавить с незапамятных времен; изделия из стекла, горного хрусталя и других прозрачных материалов были найдены при раскопках древнейших памятников старины; такие атмосферные явления, как радуга, издавна обращали внимание людей на вопрос о природе света.

У Аристотеля можно найти первые сведения о взглядах древних на световые явления. Они отличаются крайней неопределенностью и сводятся к общим соображениям о том, чем может быть свет: качеством или субстанцией. Аристотель, например, считает, что радуга, галосы[2] и ложные солнца вызываются отражением света от капелек дождя или тумана, создающих несовершенные изображения Солнца, воспроизводящие лишь цвет, но не фигуру его, как результат сложения бесчисленного числа маленьких изображений, образуемых каждой каплей.

Такого же рода расплывчатые соображения можно найти у современников Аристотеля. Очень смутно подозревалось, что зрение каким-то образом связано со светом (Лукреций, Эпикур, Архимед). У Сенеки можно найти указания на увеличивающее действие стеклянных шаров, заполненных водой, но его объяснение этого явления показывает, что философы того времени не имели ни малейшего понятия о связи явления преломления, хорошо им известного, с кажущимся увеличением объектов.

Возможность зажигания различных тел с помощью этих же шаров или линз из горного хрусталя была известна друидам, но это свойство прозрачной материи ни в какой степени не ставилось в связь с преломлением.

Однако ко времени Евклида накопился ряд данных, относящихся к оптическим явлениям, и последний оказался в состоянии написать настоящий трактат по оптике, в котором, между прочим, изучаются изображения, даваемые зеркалами. К этому времени стала яснее связь между светом и зрением, но у физиков преобладало мнение, навеянное аналогией с чувством осязания, что свет распространяется от глаза к наблюдаемому предмету и обратно. Астроном Птолемей (150 г. н. э.) изучал подробно явление преломления и применил результаты своей работы к исследованию атмосферной рефракции.

После падения Римской империи наступил более чем тысячелетний закат научной деятельности в Европе. Арабский геометр Альгазен в XII в. собрал все известные ему материалы по оптике, добавил собственные изыскания и написал ценное произведение, где впервые подробно рассматривался вопрос о зрении и зрительном аппарате и где была создана первая теория процесса зрения; Альгазен также углубился дальше своих предшественников в вопросе рефракции, в частности об атмосферной рефракции. Связь между преломлением и увеличением прозрачных тел, ограниченных выпуклыми поверхностями, для него вполне ясна; можно предположить, что его высказывания на этот счет вызвали появление первых очковых линз. Во всяком случае несомненно, что труды Альгазена создали новую эпоху в развитии оптики, эпоху, прославленную работами Витело, Пеккама, Бэкона (XIII в.), углубивших теорию преломления, обнаруживших (Витело) потерю света при преломлении и отражении, улучшивших теорию радуги, объяснивших мерцание звезд, зажигательное действие зеркал, увеличивающие свойства зеркал и т. д. Бэкон высказал мысль о возможности с помощью зеркал и линз приблизить любые далекие предметы, вследствие чего ему иногда ошибочно приписывают изобретение телескопа.

Одновременно, под некоторым влиянием работ перечисленных оптиков, появляются первые очки (Алессандро Спина, Сальвино Армати и др.), действие которых ни для кого еще не ясно, хотя Мавролик посвятил много труда решению этого вопроса. Насколько ничтожны были успехи в развитии теории зрения, видно из того, что для Бэкона зрение еще не связывалось отчетливо со светом, и гипотеза древних об испускании глазом частиц, достигающих наблюдаемых предметов и возвращающихся обратно в глаз, казалась вполне приемлемой.

Однако если оптика медленно развивалась в области понимания природы света, то она удачно ответвилась в сторону изучения перспективы и применений прямолинейности распространения света. Мавролик дал первое правильное объяснение форм солнечных пятен (зайчиков), вызываемых алыми отверстиями произвольной формы. Джованни Баттиста делла Порта, современник Мавролика, изобретает камеру-обскуру, и последняя оказала ему большую помощь при объяснении роли глазного зрачка в работе глаза. От камеры-обскуры до проекционного фонаря – один шаг; он был пройден Кирхером. И делла Порта, и Кирхер увлекаются вопросом об оптических системах, сжигающих на расстоянии, посвящают ему трактаты, производят опыты. Соображения делла Порта на эту тему очень напоминают рассуждения многочисленных изобретателей сенсационных сжигающих приборов.

Конец XV и начало XVI в. являются переломной эпохой в истории оптики; она связана с распространением очковых линз, луп, призм, выпуклых и вогнутых зеркал, с появлением камеры-обскуры и проекционного фонаря. В руках физиков оказался ряд ценнейших оптических приборов или, точнее, деталей, элементов, из которых могут быть созданы самые сложные оптические системы. Не удивительно, что оптические теории стали развиваться со все возрастающей скоростью.

Около 1590 г. была построена первая зрительная труба (Янсен, Липперсгей); несколько позже, в начале XVII в., были построены первые сложные микроскопы (Фонтана). Открытие подзорной трубы и микроскопа приписывается случайности. Действительно, теория хода лучей через линзы не была еще построена, и понятие «изображения» только рождалось; сознательное построение сложных оптических систем оказалось под силу только такому выдающемуся физику, как Галилей, который построил понаслышке и тот и другой прибор, направил трубу на небо и открыл ряд небесных явлений, а именно: существование и вращение спутников вокруг Юпитера, фазы Венеры и пр. Это дало в его руки мощнейшие аргументы в пользу гипотезы Коперника о вращении Земли вокруг Солнца.

Однако даже Галилей не дал удовлетворительного объяснения действия микроскопа и астрономической трубы, не понял ни роли окуляра, ни основ работы глаза.

Теории оптических приборов и глазного аппарата были созданы гением Кеплера; он совершил в оптике тот переворот, который был совершен Ньютоном в астрономии законом всемирного тяготения и в математике введением дифференциального исчисления. Он собрал разрозненные элементы оптики у своих предшественников, очистил их от ненужного балласта, сам дал твердое обоснование всей теории – закон преломления – и последовательно развил теорию зрительной трубы, микроскопа и глаза. Его «Диоптрика» (1611) по форме и содержанию мало отличается от современных учебников по геометрической оптике и являет поразительный контраст с аналогичными трактатами его предшественников, а иногда даже и последователей.

Хотя Кеплер не нашел точной формулировки закона преломления и после некоторых неудачных попыток остановился на законе пропорциональности между углом преломления и углом падения, он вывел из него правильные следствия и впервые указал, как найти изображения, даваемые линзами. Он правильно объяснил работу окуляра в зрительной трубе и в микроскопе, понял роль хрусталика и сетчатки в глазу, не смутившись, как большинство его предшественников, обратным изображением предметов на сетчатке; он обратил внимание на аккомодацию и адаптацию глаза, на иррадиацию и т. д. Вопросы, связанные с энергетикой оптических лучей, т. е. с поведением световых пучков при преломлении через оптические системы, впервые, хотя и в очень завуалированной форме, затрагиваются им. Он показывает ошибку в рассуждениях Порта относительно сжигания на расстоянии.

Неточная формулировка закона преломления не помешала Кеплеру получить правильное объяснение действия линз. Однако вся теория аберраций оптических систем может быть обоснована только на строгой формулировке этого закона, она была дана Снеллом и Декартом независимо друг от друга в начале XVII в. Первый из них получил ее на основании опыта, второй – на основании общих соображений о природе света, в настоящее время забытых. Декарт на основании открытого им закона дал впервые правильное объяснение радуги (внутренней и внешней) и не смог только объяснить цвета ее; он указал ту форму, которую следовало давать линзам для устранения сферической аберрации, которую считали причиной нерезкости изображений, даваемых линзами, и даже спроектировал станок для шлифовки несферических поверхностей. Только после Декарта стала возможной строгая теория оптических приборов, по крайней мере в области геометрической оптики, т. е. без учета явления дифракции. Великий математик Ферма показал, что закон Декарта может быть получен как следствие его принципа кратчайшего пути.

Можно отметить в течение XVII в. развитие техники изготовления зрительных и астрономических труб, которые в руках астрономов дали ряд важнейших результатов, в частности позволили Рёмеру определить скорость света по наблюдениям спутников Юпитера. Но указанные успехи не носят принципиального характера и касаются лишь постепенного увеличения диаметра объективов. Микроскопы оставались на довольно низком уровне.

Геометрическая оптика после Декарта превратилась в отдел геометрии. Ею завладели математики: Барроу, учитель Ньютона, и сам Ньютон в молодости. Они использовали ее как новое поле для решения задач по геометрии; некоторые задачи оптики, например нахождение каустических поверхностей, определение фокусов тонких пучков, были тесно связаны с рождающимся дифференциальным исчислением. Барроу и Ньютон в своих «Диоптриках» дали немало формул, большинство которых забыто, но некоторые имеют большое значение. Ньютону принадлежат основные формулы параксиальной оптики; он нашел формулы для вычисления сферической аберрации[3] одной сферической поверхности, указал, каким образом построить фокусы бесконечно тонких астигматических пучков.

Главной заслугой Ньютона, однако, является открытие дисперсии.[4] Он показал, что именно дисперсия вызывает нерезкость в изображениях, даваемых объективами астрономических труб, которую ранее приписывали сферической аберрации (Декарт). Он вычислил хроматическую аберрацию линз. Вместе с тем он допустил крупную ошибку, приняв, что частная относительная дисперсия есть универсальная постоянная, одинаковая для всех прозрачных сред. Из этого вытекает невозможность исправить хроматическую аберрацию объективов. Ньютон, считая, что дальнейшее улучшение линзовых объективов невозможно, перешел к отражателям, разработал сплавы для них, а также способ шлифовки параболических поверхностей. Ему принадлежат первые отражательные телескопы хорошего качества, хотя проекты таких телескопов были уже предложены, но не осуществлены его современником Грегори. После Ньютона развитие линзовых объективов на полвека приостановилось, но зато рефлекторы начали быстро распространяться и улучшаться.

В своих общих представлениях о природе света Ньютон склонялся к эмиссионной теории. Так как с помощью этой теории явления дифракции и интерференции плохо объясняются, то мы на ней останавливаться не будем. Современник Ньютона Гюйгенс предложил в 1678 г. свою знаменитую волновую теорию. В том виде, в котором он ее изложил, она была очень несовершенна; однако основная идея теории оказалась настолько плодотворной, что она до сих пор с некоторыми, введенными позже дополнениями управляет явлениями распространения электрической и световой энергии, в частности всей теорией оптических инструментов, по крайней мере в той части, которая связана с распространением света и с образованием изображений, объясняя до малейших подробностей ту сложнейшую картину, которая при этом получается.

Как ни велико значение волновой теории света, она не могла оказать влияния на дальнейшее развитие геометрической оптики, так как последняя с ней не связана; она с большей наглядностью доказывает второстепенное значение явления дифракции в оптических приборах. Теория геометрической оптики, которая после Кеплера и Ньютона стала быстро развиваться и углубляться, наоборот, создала переворот в конструкции оптических приборов, и связь между теорией и практикой стала все теснее и теснее.

Линзы большого диаметра для астрономических труб изготовлялись Дивини, Кампани (1660) в Италии, Борелем и Озу во Франции, Нейлем в Англии, Чирнгаузеном в Германии. Одновременно с этим уточнялось понятие каустик (Гюйгенс, Чирнгаузен, И. и Я. Бернулли, Лопиталь), изучались свойства аберрированных изображений.

Физиологическая оптика после работ Роберта Смита и Джурина (1730) сделала заметные успехи; впервые ставится вопрос о разрешающей силе глаза, хотя в очень несовершенном виде.

В середине XVIII в. Эйлер, взявший под сомнение положение Ньютона о невозможности получить ахроматический объектив, предложил строить сложные объективы, пользуясь водой как промежуточной средой. После работ Клингенстьерна (1750–1755) и Доллонда последнему удалось построить ахроматический объектив; этот вопрос имел настолько большое значение, что, помимо перечисленных авторов, им занимались еще Клеро и д’Аламбер. Любопытно, что, как и Ньютон, Эйлер в решении рассматриваемого вопроса исходил из неверной идеи, а именно: что глаз человека является ахроматическим. Позже было показано, что глаз человека обладает значительной хроматической аберрацией, но зрительный аппарат каким-то образом ее исключает, как, например, он исключает слепое пятно сетчатки.

Принцип ахроматизма стал применяться и в микроскопе (Фусс, Дельбарр по указаниям Эйлера, 1769). Это вызвало заметное улучшение качества этих приборов, которые почти два столетия оставались на низком уровне и рассматривались больше в качестве игрушек, а не научных инструментов.

К этому времени относится возникновение фотометрии (Буге, Ламберт); устанавливаются основные понятия фотометрии, понятия яркости, силы света и освещенности изучаются теоретически и опытным путем основные зависимости, связывающие эти величины между собой.

Начало XIX в. связано с новым направлением в геометрической оптике, а именно с более глубоким изучением структуры пучков лучей. Это вопрос – чисто геометрический, и, естественно, он разрабатывался математиками: Малюсом (1807), Дюпеном (1822), Жергонном (1825), Штурмом (1838), Куммером (1859).

Другое направление – изучение оптических систем вблизи их оптической оси – ведет к законам параксиальной оптики. Благодаря своей простоте и наглядности эти законы позволяют представить оптические системы в виде простейших схем, с помощью которых основная задача геометрической оптики – нахождение изображения – решается элементарно. Кроме того, эти законы являются предельными для широких пучков; они определяют свойства того класса оптических систем, которые можно называть идеальными.

Хотя основные законы параксиальной оптики были уже известны Ньютону, но в законченном виде эта важнейшая область геометрической оптики была представлена Гауссом в 1844 г. С иных точек зрения она была много позже изучена Мёбиусом (1855), Максвеллом и Аббе (1862).

Теория аберраций оптических систем разрабатывалась для отдельных случаев уже Ньютоном, Эйлером, Эри, Коддингтоном (1830); для общего случая – Зейделем (1858) и Петцвалем (около 1855 г.); разложение аберраций в ряд на основании теории эйконала было выполнено Шварцшильдом (1905) для аберраций третьего порядка и Кольшюттером для аберраций пятого порядка.

Приемами дифференциальной геометрии Гульстранду удалось решить этот вопрос не только для систем, симметричных около оси, но также для систем, обладающих более общим видом симметрии.

Вместо свойств пучков лучей можно изучать свойства ортогональных им поверхностей и рассматривать семейства последних как эквипотенциальные поверхности. Таким подходом к геометрической оптике мы обязаны Гамильтону (1830). Этим же вопросом, не зная о работах последнего, занимался Брунс (1895); теория эйконала стала развиваться после Шварцшильда, Герцбергера (1925 и позже), Т. Смита (1920 и позже).

Параллельно с теорией чисто геометрической оптики успешно развивалась и дифракционная теория изображений, основа которой уже лежит в идеях Гюйгенса с дополнением Френеля (1820). Однако вопрос о виде изображения был решен только Эри (1840) и Рэлеем (1885).

Геометрическая оптика под давлением промышленности развивалась также в направлении улучшения методики расчета оптических систем. Работы по методике расчета обычно не публикуются, и литература по этому вопросу очень скудна, но можно судить о ее состоянии по результатам, т. е. по изготавливающимся оптическим системам.

Изобретение ахроматических объективов оказало громадное влияние на дальнейшее развитие оптических приборов. С одной стороны, оно указало на необходимость варить разные сорта оптического стекла и послужило основной причиной организации мастерских и заводов оптического текла (Гинан, Шотт, Ченс и др.), где стали разрабатываться сотни сортов с различными показателями преломления и дисперсиями; с другой – оно позволило, улучшив качество объективов в отношении хроматической аберрации, одновременно исправить и остальные аберрации, что раньше было невозможно из-за отсутствия достаточного количества сортов стекла. Особенно подробно изучаются двухлинзовые объективы астрономических труб (Клеро, Моссоти, Гаусс); однако границы возможностей этих объективов определяются не расчетными трудностями, а высокими требованиями, предъявляемыми к качеству, особенно к однородности стекла и к точности формы поверхностей; изготовление их требует большого искусства и точнейших методов контроля. Наибольший из объективов, изготовленный Кларком для Йеркской обсерватории, имеет диаметр, равный 1 м. Зеркальные объективы, изготовление которых облегчается тем, что к качеству стекол не предъявляется таких жестких требований, и тем, что обработке подлежит одна поверхность вместо четырех, достигли диаметра в 2,51 м (для обсерватории Маунт-Вилсон), сделан 5-метровый диск для обсерватории Маунт-Паломар. Но рядом с этими гигантами построены на основании чисто математических расчетов гораздо меньшие зеркальные системы (Ричи – Кретьена), которые оставляют первые далеко позади во многих отношениях.

Громадными своими успехами микроскоп целиком обязан теории расчета…

Неизвестные в первой фазе развития оптических приборов фотографические объективы, после изобретения Дагером и Ньепсом фотографии (1840), потребовали к себе особого внимания вычислителей, так как к ним предъявлялись новые тяжелые и противоречивые требования (большая апертура, значительное поле зрения, идеальная резкость), и немало послужили стимулом к развитию методики расчета оптических систем вообще…

Кроме перечисленных основных категорий оптических систем большое распространение получили оптические приборы для научных и технических целей: спектроскопы и спектрографы для спектрального анализа, измерительные приборы для испытания оптических систем, станков, металлических деталей и т. д.; для медицинских целей разработаны оптические системы, проникающие во все полости тела, приборы для изучения состава крови и т. д. Особое развитие получили военные приборы, в которых использованы все достижения последнего времени…

Многие из строящихся в настоящее время оптических систем, как уже было указано, достигли предела своих возможностей; коррекция доведена до такой степени совершенства, что дальнейшее уменьшение остаточных аберраций не привело бы к заметному улучшению, а волновая природа света ставит предел дальнейшему увеличения разрешающей силы.

Георгий Слюсарев

Сергей Вавилов Глаз и Солнце (О свете, Солнце и зрении)

Введение

Wär nicht das Auge sonnenhaft,

Wie könnten wir das Licht erblicken?

(Будь несолнечен наш глаз —

Кто бы солнцем любовался?[5])

Гёте

Сопоставление глаза и Солнца так же старо, как и сам человеческий род. Источник такого сопоставления – не наука. И в наше время рядом с наукой, одновременно с картиной явлений, раскрытой и объясненной новым естествознанием, продолжает бытовать мир представлений ребенка и первобытного человека и, намеренно или ненамеренно, подражающий им мир поэтов. В этот мир стоит иногда заглянуть как в один из возможных истоков научных гипотез. Он удивителен и сказочен; в этом мире между явлениями природы смело перекидываются мосты-связи, о которых иной раз наука еще не подозревает. В отдельных случаях эти связи угадываются верно, иногда они в корне ошибочны и просто нелепы, но всегда они заслуживают внимания, так как эти ошибки нередко помогают понять истину. Поэтому и к вопросу о связи глаза и Солнца поучительно подойти сначала с точки зрения детских, первобытных и поэтических представлений.

Играя в прятки, ребенок очень часто решает спрятаться самым неожиданным образом: он зажмуривает глаза или закрывает их руками, будучи уверен, что теперь его никто не увидит; для него зрение отождествляется со светом.

Еще удивительнее, впрочем, сохранение такого же инстинктивного смешения зрения и света у взрослых. Фотографы, т. е. люди несколько искушенные в практической оптике, нередко ловят себя на том, что закрывают глаза, когда при заряжении или проявлении пластинок нужно тщательно следить, чтобы свет не проникал в темную комнату. Если внимательно прислушаться к тому, как мы говорим, к нашим собственным словам, то и здесь сразу обнаруживаются следы такой же фантастической оптики. Не замечая этого, люди говорят: «глаза засверкали», «солнце выглянуло», «звезды смотрят».

У поэтов перенос зрительных представлений на светило и, наоборот, приписывание глазам свойств источников света – самый обычный, можно сказать, обязательный прием:

Неизбежный для зрительного восприятия признак светила – лучи уподобляются ресницам:

Такие примеры без труда и в большом числе можно разыскать почти у каждого поэта, древнего или современного.

Неразрывной и сложной предполагалась связь глаза и Солнца в египетских мифах, изображениях и гимнах.

говорится в фиванском гимне, причем под очами бога подразумевались Солнце и Луна. О сложном переплетении зрительных и световых понятий свидетельствуют другие строки того же гимна:

Древний религиозный символ «всевидящего ока» имеет вид глаза, окруженного лучами. Глаз здесь одновременно сияет и видит. В одном образе слиты глаз и Солнце, зрение и свет.

Таково основное и вместе с тем неосознанное «положение» донаучной или вненаучной оптики; наряду с ним есть и другое.

Мы постоянно говорим, что свет «режет», «бьет», «пробивается», «льется». Слово «поток» света вошло даже в научный и технический обиход. У поэтов уподобление света жидкости – неизбежный оборот:

Иногда такое представление о свете как о чем-то телесном принимает резкие формы. На египетских изображениях эпохи Аменофиса IV (1350 до н. э.) лучи солнечного диска – Атона – заканчиваются пальцами. Самое слово «луч» значит «стрела» (от того же корня «лук» – орудие и «лук» – стрельчатое растение). В наших инстинктивных движениях иногда обнаруживается такое же грубое овеществление света. М. Горький рассказывает в своих воспоминаниях: «Я видел, как А. Чехов, сидя в саду у себя, ловил шляпой солнечный луч и пытался – совершенно безуспешно – надеть его на голову вместе со шляпой». Ловля света шляпой едва ли менее странна, чем солнечные руки Атона.

Настойчивое уподобление света движущемуся телу или жидкости в детских, первобытных и наших инстинктивных образах явно свидетельствует о стихийном, неосознанном материализме этих представлений. Вместе с тем несомненно, что отождествление света и зрения вызвано примитивным смешением внешнего мира и собственных ощущений. Такое смешение еще очень сильно у ребенка и первобытного человека и остается в некоторой мере у взрослых и культурных людей в условиях «выключенного сознания». Победа настоящей материалистической науки и заключалась прежде всего в ясном разделении внешнего мира от субъективных переживаний.

Сознание, разумеется, неизбежно приходит в свое время и разбивает сложные узоры детской поэтической «оптики». Ребенок постепенно все определеннее начинает отличать свои ощущения от внешнего мира, сон резко отделяется от действительности, обманы чувств – от реальности. Пушкин, конечно, знал, что глаза не «сияют». Фету, разумеется, было известно, что звезды не «глядят», Чехова не требовалось убеждать, что солнечный луч поймать нельзя.

И все же мир представлений ребенка для поэта и до сих пор остается привлекательным, наиболее образным, легче всего доходящим до воображения. Поэтому в поэзии и в обыденной жизни «оптика детей и поэтов», вероятно, будет существовать еще долго. Она живет рядом с сознанием, с наукой, не вмешиваясь в них в наше время, но вместе с тем несомненно, что в прошлом она оказывала некоторое влияние и на науку.

История науки о свете в этом отношении особенно поучительна. Она началась как раз с попытки перенесения «оптики детей и поэтов» в область сознательного, последовательно развиваемого знания. Оба «основных положения» этой оптики, т. е. утверждение тождества зрения и света и телесности света, легли в основу учения о свете в Древней Греции и дожили в разных формах почти до XVII века н. э.

В знаменитом естественно-научном диалоге Платона «Тимей», например, повествуется: «Из органов боги прежде всего устроили светоносные глаза, которые приладили с таким намерением: по их замыслу должно было возникнуть тело, которое не имело бы жгучих свойств огня, но доставляло кроткий огонь, свойственный всякому дню. И боги сделали так, что родственный дневному свету огонь, находящийся внутри нас, вытекает очищенным через глаза, которые боги сгустили, особенно в середине, так, чтобы они задерживали грубейшую часть огня и пропускали только в чистом виде. И вот, когда дневной свет окружает поток зрения, тогда подобное, исходя к подобному, соединяется с ним и по прямому направлению зрачков образует в связи с родственным одно тело – где бы падающее изнутри не натолкнулось на то, что встречает его извне. И как скоро всё вместе, по подобию, приходит в состояние подобное, то прикасается ли к чему само, или что другое прикасается к нему, действие тех предметов распространяет оно через все тело, до души, и производит то чувство, которое мы называем зрением. А когда сродный огонь на ночь отходит – этот (т. е. огонь глаз) обособляется, потому что, исходя к неподобному, он и сам изменяется и гаснет, не соединяясь более с ближним воздухом, так как в нем нет огня». Так буйному огню Солнца соответствует у Платона кроткий огонь глаз, заходу Солнца – смыкание век на ночь.

Дамиан из Ларисы (IV в. н. э.) пытался следующим образом защищать теорию зрительных лучей, исходящих из глаза. Форма наших глаз, которые не имеют полую форму, в отличие от остальных органов чувств, и поэтому не приспособлены для восприятия чего-либо, но шарообразны, доказывает, по Дамиану, что лучи исходят от нас. О том, что эти лучи световые, свидетельствуют молнии, вспыхивающие из глаз. У ночных животных глаза ночью даже светятся.

Великие математики древности Евклид, Птолемей и другие, на основе учения о зрительных лучах, исходящих от глаз, создали теорию отражения света от плоских и сферических зеркал и положили начало геометрической оптике, сохранившей свое значение и для нас.

Естественно задать вопрос, как можно согласовать поразительно высокий для своего времени уровень греческой науки в геометрии, астрономии, механике и в других областях знания с явно нелепым для современного человека учением о зрительных лучах, излагавшимся теми же Евклидом и Птолемеем, которые оставили бессмертные творения в области геометрии и астрономии?

Наше недоумение объясняется забвением исторической перспективы. Главная, а вместе с тем труднейшая задача, стоявшая перед древними оптиками, состояла в объяснении изображений предметов. В те времена изображения знали только по самому процессу зрения при помощи собственного глаза или по рисункам и живописи. Других способов не было, не была известна еще простая камера-обскура и не подозревали о возможности получения изображений предметов на любых поверхностях при помощи линз и вогнутых зеркал. Вместе с тем древние не знали и устройства глаз, им оставался неизвестным факт образования изображений на сетчатке глаза при помощи глазной линзы – хрусталика.

При таком положении дела зрение, возникновение изображений окружающих предметов в человеческом мозгу, было необычайно загадочным. Простейшим решением этой загадки и казалось древним именно представление о зрительных лучах, наподобие некоторых щупальцев, исходящих от человека.

Вообразим себя в положении древнего оптика и рассмотрим задачу о получении изображения светящейся точки А от плоского зеркала SS (рис. 1). Древние знали прямолинейность распространения света и закон отражения. Если бы они приняли, как мы делаем это теперь, что свет исходит от точки А, то, пользуясь прямолинейностью и законом отражения света, они провели бы лучи ABD и ACE. Они нашли бы, что лучи упираются в глаз в точках D и Е. Но дальнейшая судьба лучей оставалась для них неизвестной, возникновение изображения в зеркале в точке А' было непонятным, тем более что, как видно из чертежа, лучи, подходя к глазу, расходятся, а не сходятся. На помощь в этой, казалось, непреодолимой для древнего трудности приходило представление о зрительных лучах, заимствованное из примитивных образов ребенка и дикаря. В самом деле, примем, что лучи, создающие изображение, идут не от источника к глазу, а наоборот, и что глаз каким-то образом чувствует первоначальное направление вышедших из него зрительных лучей. Эти лучи в рассматриваемом примере отражения от зеркала (см. рис. 1) отразятся, как и световые, у зеркала в точках С и В и соберутся в «источнике» в точке А. Первоначальное направление лучей, вышедших из глаз, «сигнализируется», по предположению древних, каким-то способом в мозг, и кажется, что встреча лучей произошла не после отражения, а в мнимой точке А', где пересекаются продолжения лучей, первоначально вышедших из глаза. Преимущество такого толкования заключается в том, что вовсе не требуется знание того, что происходит со светом внутри глаза. Достаточно лишь предположить, как это отмечено, что через глаз некоторым способом сигнализируется первоначальное направление зрительных лучей. Мнимое изображение создается в мозгу. Несмотря на всю причудливость воззрения о зрительных лучах, оно, несомненно, было полезным и прогрессивным для своего времени, так как позволяло построить правильную теорию получения изображений при помощи зеркал. Поэтому оно просуществовало очень долго. Еще в начале XVII века им иногда пользовался Галилей.

Рис. 1

Наблюдение отражения светящейся точки в зеркале

Теории зрительных лучей в древности противопоставлялось лишь еще более фантастическое представление Эпикура и Лукреция о «слепках» с предметов, летящих во всех направлениях и попадающих в глаз. От светящихся и освещенных тел, по Эпикуру, постоянно отделялись тончайшие пленки, в точности сохранявшие рельеф и особенности тела. Такие, вполне сформированные отпечатки, попадая в глаз, и определяли, по воззрениям древних атомистов, зрительное изображение в глазу. Воззрение это, так сказать, «спасало положение», но оно было совершенно качественным, и, конечно, в сравнении с ним количественная геометрическая оптика Евклида и Птолемея должна была рассматриваться как более совершенная.

Мы задержались довольно долго на теории зрительных лучей, для того чтобы показать, что это не была грубая ошибка древних оптиков, а своего рода наименьшее из зол.

В течение многих веков, из поколения в поколение, учили, что Солнце и глаз – братья, проявления единого материального огня, то буйного, то кроткого, что светиться – значит видеть, видеть – светиться. Земля считалась центром мира, а человек – центром этого центра. Черта раздела между поэтической фантазией и наукой во многих случаях была неотчетливой, стиралась или просто отсутствовала. Поэтический домысел переносили в науку, пытаясь создать неустойчивое единство поэзии и науки.

Рис. 2

Египетское изображение Солнца как бога в ладье

Но случалось и обратное: в область мифов и религий проникали сознание и начатки объективной науки. Религией Древнего Египта было поклонение Солнцу. Несоизмеримость Солнца и Земли, света и глаза выразилась здесь как отношения бога и человека. Этого бога воображали то соколом, то человеком с соколиной головой и солнечным диском, плавающим в ладье по небесному океану (рис. 2):

вот образ Солнца в древнем фиванском гимне.

Но в XIV веке до н. э. в мировоззрении египтян произошел знаменательный перелом. Естественно думать, что новые веяния были прежде всего итогом наблюдений и размышлений египетских ученых астрономов. История не сохранила, однако, их имен. Переворот в египетских воззрениях на Солнце официальные каменные иероглифы связывают, конечно, с фараоном. Египетским Коперником таким образом стал фараон Аменофис IV. В его царствование вводится новый культ – поклонение реальному, истинному Солнцу, не соколу и скарабею, а видимому солнечному диску с его лучами. Фараон меняет свое имя (Аменофис – любезный Амону), принимая имя Эхнатон – угодный Атону, солнечному диску. На памятниках бог изображается просто диском с лучами. Свет и жизнь – единственные проявления нового бога. В гимнах Атону исчезли древняя пестрота, пышность и сложность символов Солнца, воспеваются благие действия Солнца для человека и всего живого.

просто и понятно поется в начале большого гимна Солнцу. Значение Солнца для Земли стало отчетливым и реальным, и, казалось бы, не могло быть больше речи о равноправности глаза и Солнца. Но культ реального Солнца исчез в Египте вместе с Эхнатоном, и должны были пройти тысячелетия, прежде чем возникла наука, свободная от произвола человеческих ощущений и инстинктов, наука, в которой человек полностью отказался от своего воображаемого привилегированного места во вселенной, приписывавшегося ему религией и древней наукой. Человек стал рассматривать себя как одно из проявлений природы, как результат долгого развития животного мира на Земле.

Древняя догадка о родстве глаза и Солнца, однако, сохранилась, правда в глубоко измененной форме, в современном естествознании. Наука нашего времени обнаружила подлинную связь глаза и Солнца, связь совсем иную, чем та, о которой думали древние, чем та, о которой говорят дети и поэты. Этой связи и посвящена настоящая книжка.

Но помимо науки и рядом с ней, поэты, да и все мы, вероятно, еще долго будем твердить о сияющих глазах и глядящих звездах, так же как спустя четыре века после Коперника мы все еще говорим о восходе и заходе Солнца.

Свет

Для чего толь многие учинены опыты в физике и в химии, для чего толь великих мужей были труды и жизни опасные испытания? Для того ли только, чтобы, собрав великое множество разных вещей и материй в беспорядочную кучу, глядеть и удивляться их множеству, не размышляя о их расположении и приведении в порядок.

Ломоносов

От Земли до Солнца около 150 миллионов километров; пролететь это расстояние то же, что 4000 раз объехать кругом Земли. Что же такое свет, непрерывно приносящий глазу из такой дали вести о Солнце, и, прежде всего, как отличить свет от прочего, нас окружающего, каковы его признаки? До XVII века отвечали так: свет – это то, что видит глаз, причина зрительных ощущений. Признак явно неудовлетворительный. Сто́ит в полной темноте слегка нажать пальцем около носа на глазное яблоко, и появятся причудливые светлые круги. Если и здесь причину зрительного ощущения назвать светом, то придется вернуться к воззрению о «зрительных лучах», о котором говорилось на предыдущих страницах. Не всякая причина, вызывающая зрительное чувство, может быть названа светом. С другой стороны, следует поставить и такой вопрос: всякий ли свет видим? Несомненно, и это не так; существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы. В этом мы скоро убедимся.

Итак, в самом начале учения о свете мы натолкнулись на серьезное затруднение: мы еще не знаем, что составляет предмет этого учения. Чтобы выйти из этого тупика, рассмотрим сначала несколько ближе наши зрительные впечатления.

У зрительных образов два основных качества – яркость и цвет, качества для всех зрячих очевидные (в буквальном смысле этого слова) и не требующие дальнейших пояснений.[6] Но и яркость и цвет очень относительны и субъективны. Луна днем не отличима от облака, ночью она возводится в ранг заместителя Солнца, «второго ока Амона-Ра». Звезды, не видимые днем, на фоне безлунного осеннего ночного неба кажутся необычайно яркими.

Второй признак зрительных ощущений – цвет – не менее обманчив. Мы различаем черный, белый и промежуточные серые цвета. От них кажутся нам принципиально отличными всевозможные радужные цветовые окраски. В действительности такое отличие в свою очередь в значительной мере субъективно и относительно. Чтобы в этом убедиться, можно произвести такой несложный опыт. Половина белого картонного диска, надетого на деревянную ось, как волчок, заклеивается черным бархатом или просто покрывается хорошей матовой черной краской. На второй половине диска концентрически наклеиваются или закрашиваются черные круговые полоски, как показано на рисунке 3 (диск Бенгэма). Если такой диск, освещенный ярким белым светом, например солнечным, заставить вращаться (запустив его как волчок), то вместо ожидаемых серых концентрических окружностей на диске при некоторой скорости появляются цветные круги, правда, мало насыщенные и темные. Из смешения черного и белого возникают, таким образом, при некоторых условиях цветные образы.

Мы приходим к неутешительному выводу, что при определении понятия света нельзя опираться просто на зрительные ощущения. Именно поэтому в течение более чем двух тысяч лет существования науки о свете ясными в ней были только геометрические свойства лучей. Все остальное, исходившее из субъективных зрительных впечатлений, пребывало веками и тысячелетиями загадочным, расплывчатым и неопределенным.

Рис. 3

Диск Бенгэма

Оптика была выведена из этого тупика только в XVII веке Исааком Ньютоном, сумевшим наконец перевести субъективные ощущения яркости и цвета на объективный язык меры, числа и физического закона. В 1665 году Ньютон начал производить опыты над солнечным светом. В этих опытах через круглое отверстие в ставне окна на стеклянную призму падал пучок солнечного света. Пучок преломлялся в призме, и на экране отбрасывалось удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Появление такой радуги – спектра – при прохождении света через призму было известно давно до Ньютона и объяснялось тем, что стекло как-то влияет на белый свет, изменяя его окраску. Ньютон заключил из своих опытов, что это неверно. Белый свет (по Ньютону) – сложный, механическая смесь бесчисленного разнообразия лучей, преломляющихся в стекле в разной степени. Призма не изменяет белого света, а разлагает его на простые составные части, смешав которые можно снова восстановить первоначальную белую окраску. Если выделить простой луч, например красный, из радужного веера призмы и пустить на вторую призму, то нового разложения не произойдет, следовательно, при первом разложении в призме действительно выделено что-то постоянное. Цветность этого постоянного, простого цвета сама по себе, однако, снова ничего не говорит о природе света, она по-прежнему субъективна и относительна. Смешав, например, простой красный цвет с зеленым, получим желтый, похожий на один из простых лучей солнечного спектра; смешав зеленый с фиолетовым, получим синий и т. д. Глаз при этом не в состоянии отличить сложного цвета от простого, для этого нужна призма или вообще спектральный прибор, пространственно разлагающий свет на простые цвета.

Именно это пространственное разделение простых цветов, а не их различная цветность, и дало Ньютону в руки первый объективный и количественный признак света, отвечающий его субъективной цветности. Пространственное разделение простых цветов получается, как показал Ньютон, вследствие их различной преломляемости в призме. Преломляемость можно связать с некоторым вполне определенным числом, показателем преломления. Таким образом, наконец Ньютону удалось вывести учение о цвете из неопределенности и путаницы субъективных впечатлений на прямую и прочную математическую дорогу.

После Ньютона дальнейшее изучение преломления света в разных телах обнаружило, что преломление сильно зависит от вещества, из которого сделана призма. В обыкновенных стеклянных и кварцевых призмах синие лучи преломляются больше красных, как в радуге, но если приготовить очень тонкую призму из твердых красок (например, фуксина), то можно получить спектры совершенно необычного вида, в которых красные лучи преломляются больше синих. Таким образом, показатель преломления оказался сложным признаком, зависящим одновременно от качества света и от качества вещества.

Но тот же Ньютон открыл другое поразительное свойство простых лучей, которое позволяет определять их количественно совершенно независимо от природы вещества. Если положить очковое стекло с очень небольшой выпуклостью на стеклянную пластинку, то при освещении белым светом вокруг точки прикосновения линзы к стеклу появляется ряд концентрических радужных колец. Вместо освещения белым светом Ньютон пробовал осветить линзу со стеклом простыми лучами, полученными от разложения солнечного света призмой. Тогда обнаружилась еще более удивительная картина. Если освещение производится, положим, красным цветом, то вокруг точки прикосновения линзы к стеклу появляются многочисленные правильные чередующиеся концентрические красные и черные кольца. Чем дальше от центрального темного пятна, тем теснее примыкают кольца друг к другу. Измерив радиусы темных колец, Ньютон нашел, что они относятся друг к другу, как корни квадратные из целых четных чисел, т. е. √2: √4: √6: √8.

Рис. 4

Образование колец Ньютона

Если убрать нижнюю стеклянную пластинку и поставить линзу на поверхность, не отражающую света, кольца исчезают. Необходимым условием появления колец, стало быть, как выяснил Ньютон, служит тонкий зазор (рис. 4) между линзой и стеклом. Нетрудно доказать геометрически, что толщины зазора, соответствующие местам светлых и темных колец, относятся, как последовательные целые числа. Наименьший зазор соответствует первому кольцу, остальные будут целыми кратными этой длины. Если освещать линзу и стекло разными простыми цветами, ширина колец будет меняться; для красных лучей кольца самые широкие, для фиолетовых самые узкие. Каждому простому цвету соответствует своя ширина первого зазора. Какие бы линзы мы ни брали, из какого угодно материала, эта ширина остается постоянной для одного и того же цвета. Она меняется только в том случае, если зазор, вместо воздуха, наполнить какой-нибудь жидкостью. При этом ширина колец будет зависеть от показателя преломления жидкости.

Описанные несложные опыты Ньютона с линзой, которые очень нетрудно повторить (они проще даже опытов с призмой), по своим результатам совершенно удивительны. В самом деле, прежде всего они обнаруживают перед нами в световом потоке наличие какой-то правильной периодичности. Не менее поразительно затем, что, в то время как вся поверхность линзы равномерно освещается падающими лучами, в отраженном и в проходящем свете мы видим черные, т. е. не освещенные, кольца.

К объяснению этих явлений мы вернемся позднее. Сейчас важно установить, что каждый простой цвет на основании опыта с ньютоновыми кольцами можно связать с шириной зазора между линзой и стеклом, отвечающего первому темному кольцу. Вместо показателя преломления простой цвет количественно можно определить, следовательно, шириной этого первого зазора (см. рис. 4). Эту ширину мы будем, пока условно, называть длиной волны, обозначая греческой буквой λ. Длины волн видимого света, как показал впервые Ньютон, чрезвычайно малы, их выражают обычно в особых единицах – в миллимикронах (mµ); миллимикрон равен миллионной доле миллиметра. Ньютон измерил, например, что цвету, лежащему на границе зеленой и синей частей солнечного света спектра, соответствует λ = 492 mµ. Крайний красный цвет имеет длину волны приблизительно в 700 mµ, крайний фиолетовый в 400 mµ.

Полезно вдуматься в глубочайшее значение опытов Ньютона. Прихотливая, субъективная область цветовых явлений, в течение тысячелетий ускользавшая от упорядочивающегося стремления ученых, вдруг обнаружила свою количественную сущность и отныне стала вполне подчиненной точному научному анализу.

В то время как Ньютон занимался призматическими цветами и кольцами, в 1675 году астроном Рёмер из астрономических наблюдений впервые определил скорость света и нашел величину, приблизительно равную (с современными поправками) 300 000 км/с. На преодоление пути от Солнца до Земли свету требуется около 8 минут. Оптики древности, основываясь на воззрении о зрительных лучах и считая, что свет идет от глаз к светилу, заключали, что скорость света должна быть необычайно большой. Можно сколь угодно быстро открыть глаза, и мы тотчас же увидим самую удаленную звезду. 300 000 км/с – черепашья скорость по сравнению с этой мнимой скоростью зрительных лучей. Если скорость зрительных лучей такова, то, открыв глаза, мы увидели бы Солнце только через 8 минут.

После Рёмера скорость света измерялась много раз различными способами, астрономическими и земными. В настоящее время она известна с очень большой точностью. Для пространства, в котором нет вещества, она составляет 299 776 км/с. При этом за первые пять цифр можно поручиться полностью, и только последняя, шестая цифра известна недостоверно. Важно отметить, что в пустом пространстве скорость света не зависит от длины волны; она одинакова как для красных, так и для синих лучей. Это доказывается с громадной точностью тем, что при затмении удаленных звезд, например, в случае захода одной из двойных звезд в тень другой, не происходит никакого заметного изменения цвета звезды. Если бы скорость различных простых цветов была хотя бы ничтожно разной, то при таком затмении необходимо происходила бы резкая перемена цвета звезды.

При распространении света в веществе, например в воде или в стекле, скорость его, наоборот, зависит от длины волны; в этом как раз состоит причина разложения света призмой в спектр. Наблюдая на небе радугу, мы воочию убеждаемся, что скорость распространения лучей разной цветности в водяных каплях разная. Определить эту скорость можно, если разделить скорость света в пустом пространстве на показатель преломления. Самый показатель преломления равен отношению скорости света в пустом пространстве к скорости света данной цветности в веществе.

Если скорость света разделить на длину волны, то мы узнаем число перемен, испытываемых световым лучом в секунду, т. е. так называемую частоту света. Обозначим частоту буквой ν, скорость света с, длину волны λ. Тогда

Частота видимого света колоссальна: например, для желтого света с длиной волны в 600 mµ она равна полумиллиону миллиардов раз в секунду!

Отметим одно очень важное обстоятельство. Как мы говорили, скорость света обратно пропорциональна показателю преломления среды. С другой стороны, длина волны λ, как уже упоминалось при описании опытов Ньютона, тоже зависит от среды, в которой свет распространяется; ньютоновы кольца сжимаются, если воздух в зазоре между линзой и стеклом заменить водой. Длина волны, так же как и скорость, обратно пропорциональна показателю преломления среды. Следовательно, частное от деления скорости на длину волны света, т. е. частота ν, как видно из написанной формулы, не зависит от вещества. Стало быть, это очень важная количественная характеристика самого света, именно его свойства, отвечающего цветности.

Однако свет еще не полностью определен его скоростью и частотой. Из субъективных впечатлений мы знаем, что у света в очень широких пределах может меняться его яркость. Достаточно сопоставить мерцание светлячка и прямой свет Солнца, чтобы понять, каких огромных размеров могут достигать различия яркости.

Каков же физический смысл яркости света? На это в науке по-настоящему сумели ответить только после того, как выяснилось понятие энергии. Несомненно, что свет всегда несет с собою энергию, которая проявляется в действиях света, нагревании, в химических изменениях и т. д. Вообще узнать о наличии света мы можем только по его действиям, т. е. вследствие того, что он несет с собою энергию. Ощущение яркости и связано тесным образом с энергией световых лучей, яркость простого «монохроматического» (одноцветного) луча тем больше, чем больше переносимая светом энергия.

Впрочем, глаз – очень плохой судья в вопросе об энергии света. В ночных условиях даже сияние светлячка кажется ослепительным, в дневных – глаз выдерживает сияние прямого света Солнца. С другой стороны, если сравнивать разноцветные лучи, то, например, красный луч с большей энергией будет казаться менее ярким, чем зеленый с энергией значительно меньшей. Следовательно, понятия энергии и яркости света взаимно связаны, но в то же время глубоко различны. Ввиду такой неопределенности для измерения энергии света оптик прибегает в наше время к объективным физическим приемам измерения энергии.

Подведем некоторые итоги. Освободившись от произвола и сложности субъективных световых ощущений, мы можем теперь, на основании изложенных опытов и измерений, утверждать, что свет – это носитель энергии, распространяющийся в межзвездном пространстве со скоростью около 300 000 км/с и обладающий периодическими свойствами. Попробуем все, что подходит под это определение, независимо от того, вызывает ли оно зрительные впечатления или нет, считать светом. Впоследствии мы увидим, что в такое определение придется вносить добавления и оговорки. Временно, однако, остановимся на нем.

Действительно, начиная с первых лет XIX века физикам пришлось включать в область оптики все новые и новые широкие области «невидимых лучей», во множестве которых совершенно поблекла область видимого спектра. Ньютоновский солнечный спектр уходит обоими своими концами, красным и синим, в темноту. Кроется что-нибудь в этой тьме или нет? Глаз там практически ничего не видит.

В 1800 году Гершель произвел очень простой опыт. Он поместил в темноту за красным краем солнечного спектра термометр с зачерненным концом. Оказалось, что термометр очень заметно нагревается, т. е. в этой области есть лучи, не видимые глазом, но вызывающие нагревание. Эти лучи были названы инфракрасными; удалось измерить длины их волн, доказать, что они распространяются с обычной световой скоростью и, следовательно, во всех отношениях соответствуют физическому определению понятия света. Инфракрасные лучи простираются очень далеко. В настоящее время удалось обнаружить лучи с длиной волны примерно в 0,3 мм. Они идут, следовательно, начиная от видимой красной границы в 750 mµ до (по крайней мере) 300 000 mµ. Но и здесь нет предела спектру. Те электрические волны, которые излучаются радиостанциями, также распространяются со скоростью 300 000 км/с и обладают периодичностью; стало быть, и они должны рассматриваться как световые волны. Такие искусственные электрические волны могут быть получены с самыми различными длинами – от десятков километров до долей миллиметра.

Итак, от красной границы спектра можно непрерывно идти до практической бесконечности радиотелеграфных волн. Что делается с другой стороны, за фиолетовой границей? Здесь, по крайней мере от обычных источников света, термометр заметно не нагревается, но если поместить туда фотографическую пластинку, то она при проявлении потемнеет. Так обнаруживаются невидимые ультрафиолетовые лучи. Можно обнаружить их и другими способами. Под действием этих лучей многие тела начинают светиться видимым светом (люминесценция), становятся электропроводными или испускают электроны (фотоэлектричество). Область ультрафиолетовых лучей обычно считают от видимой фиолетовой границы (довольно, впрочем, неопределенной – около 400 mµ) далеко в область коротких волн, по крайней мере до 10 mµ. На этом, впрочем, спектр не кончается; далее следуют лучи, открытые в конце прошлого века Рентгеном и обладающие, как мы теперь знаем, всеми свойствами световых лучей. Они, так же как и ультрафиолетовые лучи, действуют на фотографическую пластинку, вызывают видимую люминесценцию и производят электрические действия. К лучам Рентгена (в соответствии с практическими методами получения) относят волны примерно от 10 до 0,1 mµ. Но и это еще не конец светового спектра. За лучами Рентгена следуют лучи с волнами еще более короткими, так называемые гамма-лучи, испускаемые радием и другими радиоактивными веществами. Нет оснований указать какую-либо границу гамма-лучей. Известны гамма-лучи с длиною волны короче 0,001 mµ.

Рис. 5

Поляризация света при отражении

Можно сказать, что в природе существуют световые лучи со всевозможными длинами волн, начиная от бесконечно больших (практически) до бесконечно малых (также практически). Ничтожный участок видимых лучей (от 400 до 700 mµ) тонет в этом многообразии.

У света есть и другие замечательные свойства, о которых мы пока не говорили. Сделаем такой опыт (рис. 5 а). В стеклянный сосуд нальем слегка взмученную (например, каплей молока) воду и пустим в нее прямой солнечный луч. В такой взмученной воде след пучка света будет ясно виден вследствие рассеивания света частичками. На первый взгляд кажется само собой разумеющимся, что во все стороны свет должен рассеиваться одинаково, будем ли мы смотреть сверху на след пучка или сбоку. В случае прямого (обыкновенного) пучка солнечного света это действительно так.

Теперь сделаем второй опыт. Пустим прямой луч предварительно на стекло под углом примерно 54° (луч перпендикулярен плоскости чертежа), а потом в сосуд с взмученной водой (рис. 5 б). Внимательно осмотрев со всех сторон след светового пучка в сосуде, мы заметим поразительное явление: если смотреть сбоку, рассеяние света очень большое (сравнительно яркая светлая полоса), сверху же нет почти никакого рассеяния, следа пучка в воде не видно. Свет, отраженный от зеркала, получил новое, очень странное свойство: вверх и вниз он не действует, а действует только в стороны. В поперечном сечении пучка появляются преимущественные направления действия, возникает полярность. Подобно тому как в палочном магните максимум действия идет по линии, соединяющей полюсы магнита, а в направлении, отвесном к этой линии, действия почти нет, так и здесь наибольшее действие света сосредоточивается в горизонтальном направлении. Описываемое свойство света (но в более сложном случае так называемого двойного лучепреломления исландского шпата) было впервые названо Ньютоном, по аналогии с магнитом, поляризацией света. В обыкновенном пучке света присутствует смесь лучей, поляризованных во всевозможных направлениях; поэтому поляризация и не обнаруживается. При отражении от стекла преимущественно отражаются лучи с определенной поляризацией, поэтому последняя становится заметной. Свойством поляризации обладают не только видимые лучи, но вообще все лучи, которые мы называем световыми, начиная от радиолучей и до лучей гамма.

Глаз у большинства людей не отличает поляризованного света от неполяризованного. Примерно 25–30 % людей обладают этим свойством, хотя почти никогда об этом и не подозревают. При наблюдении поверхности, излучающей поляризованный свет, такие люди могут заметить в середине поля зрения полоску слабого желто-лимонного цвета, имеющую вид слегка изогнутого снопа колосьев. Если плоскость поляризации света поворачивается, то одновременно поворачивается и указанная полоска в глазу. При некоторых положениях Солнца на небе свечение неба, возникающее вследствие рассеяния солнечных лучей в атмосфере, оказывается сильно поляризованным, и тогда человек, обладающий названной способностью, видит на фоне неба слабую желтую снопообразную полоску.

Редким примером тонкой наблюдательности великого художника могут служить строки из «Юности» Л. Н. Толстого, в которых он, по-видимому, совершенно не подозревая физического смысла явления, в 1855 году, в то время, когда и в науке оно было известно немногим (оно впервые описано в 1846 году Гайдингером), с полной ясностью описал желтое поляризационное пятнышко на фоне неба. В XXXII главе «Юности» можно прочесть такие строки: «…я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное желтоватое пятнышко и снова исчезает».

Очень рекомендуем читателю проверить свои глаза и постараться заметить желтую поляризационную полоску на небе. Таким образом можно убедиться, по крайней мере некоторым из читателей, что их глаза обладают свойством, о котором они ранее не знали. Наблюдение лучше производить в свете, отраженном от стекла, задняя поверхность которого зачернена. Под некоторым углом падения и отражения такая пластинка довольно значительно поляризует свет.

За последние десятилетия найдены способы массового изготовления сколь угодно больших прозрачных пленок, полностью поляризующих свет. Один из видов такого «поляроида» изготовляется на основе пластической массы – винилового алкоголя. Тонкая пленка винилового алкоголя, натянутая в одном направлении, подвергается действию паров йода и после этого приобретает свойство полностью поляризовать свет. В настоящее время поляроиды широко применяются в лабораторной практике, в технике, в области фотографии. Если посмотреть на любую освещенную поверхность, на небо, на стену через поляроид, то всегда будет видна желтая сноповидная полоска, если только глаза наблюдателя обладают соответствующим свойством. При повороте поляроида полоска тоже вращается.

К физическому объяснению поляризации света мы скоро вернемся; сейчас же обратимся к другому замечательному свойству света.

Свет в однородной среде идет по прямым линиям, небольшая преграда на пути от источника света к глазу закрывает источник. На этом основании еще древние создали стройную науку – геометрическую оптику. Однако это не всегда верно. Посмотрите на яркую светящуюся лампу, находящуюся от вас на расстоянии 20–40 м, через два пальца, довольно тесно прижатых друг к другу, так, чтобы между ними оставалась очень узкая щель. Через такую щель вы увидите вместо светящейся точки длинную полосу, поперечную щели. Эта полоса состоит из яркой точки в середине и из чередующихся боковых темных и радужных светлых полос – спектров. Ни о какой прямолинейности распространения света в таких условиях не может быть и речи. Это явление было, конечно, знакомо людям с доисторических времен; при всяком прищуривании глаз вследствие наличия ресниц обнаруживаются такие нарушения прямолинейности света, что известно, и особенно хорошо, детям. Однако впервые на это явление и его важность было указано только в XVII веке Гримальди.

В. К. Аркадьев проделал следующий опыт. Он снял пять фотографий тени руки, держащей тарелку. Первая фотография была получена при таких условиях: расстояние от светящейся точки до руки а было около 2 м, расстояние b от руки до экрана, на котором получалась тень, около 1 м. На второй фотографии а + b выбиралось эквивалентным 2 км, на третьей – 7 км, на четвертой – 29 км, на пятой – 235 км. В то время как на первой фотографии тень вполне отчетлива, на следующих она постепенно принимала крайне причудливый вид: в центре тени тарелки получалось отчетливое светлое пятно, тень руки испещрялась темными и светлыми полосами; о строгой прямолинейности света, стало быть, здесь не может быть и речи. По законам геометрии прямолинейные лучи от малого источника света на таком расстоянии должны были бы дать безукоризненно правильную тень.

Следовательно, проходя сквозь узкие щели и обходя малые предметы, свет огибает их. Гримальди назвал это явление дифракцией. Ньютон, по обычаю своему, тщательно исследовал явление и установил, что дифракция совершенно не зависит от того, из какого материала сделана щель или огибаемый предмет и, следовательно, отвечает основному свойству самого света.

Впоследствии было доказано, что дифракция существует у всех лучей по всему спектру от радио до лучей Рентгена. Чем меньше длина волны, тем у́же должны быть отверстия и предметы, при помощи которых отклонения от прямолинейности и дифракция становятся заметными.

Мы просмотрели несколько важнейших свойств света, обнаруженных на опыте: периодичность, скорость, поляризацию, дифракцию. Все эти свойства, вместе взятые, явно подсказывают объединяющую мысль о свете как волновом потоке с поперечными колебаниями. Временно воздержимся, однако, от таких обобщений, отложив их до окончательного ознакомления со всеми основными свойствами света. Известны еще и другие свойства, о которых мы до сих пор ничего не говорили.

Свет всегда исходит от вещества, рождается в веществе и, поглощаясь, исчезает в веществе. Встреча света с веществом всегда сопровождается взаимодействиями. С одной стороны, вещество отражает, преломляет, поглощает свет, может поворачивать плоскость его поляризации. Действие вещества на свет начинается еще на расстоянии. Лучи звезд, проходя около Солнца на расстояниях в миллионы километров, заметно отклоняются, как бы притягиваются к Солнцу, и в результате звезды кажутся нам смещенными на небесном своде. С другой стороны, свет, встречая вещество, проявляет разнообразные действия. Свет давит на вещество, хотя это давление и крайне незначительно. Свет может производить химические изменения в веществе (фотографическая пластинка, лист растения, загар и пр.). Под действием света из вещества могут выбрасываться составные части атомов – электроны. При прохождении света вещество может начать светиться само (рассеяние света, флуоресценция, фосфоресценция). Наконец, свет, поглощаясь, нагревает вещество.

В самом начале нашего века М. Планк сделал многозначительное открытие. Оказалось, что свет может поглощаться и излучаться лишь вполне определенными порциями энергии, названными квантами.

Рассмотрим случай химического действия света. Положим, что перед нами окрашенная в тонком слое поверхность – бумага или ткань. Под действием солнечного света она постепенно выцветает. Краска состоит из мельчайших частиц-молекул, равномерно распределенных по ткани. Все молекулы одинаковы, на каждую падает как будто одинаковый свет, между тем ткань выцветает постепенно, т. е. сначала распадается одна молекула, потом другая. Если свет падает равномерно и молекулы одинаковы, следовало бы ожидать, что либо все молекулы разложатся сразу, либо ни одна не разложится, либо разложение произойдет сразу, взрывом, через некоторое время после того, как все молекулы поглотят достаточную энергию. На самом деле процесс идет очень медленно и постепенно. Как объяснить это? Остается предположить, что либо молекулы не одинаковы, либо фронт падающего света не равномерный: в одних точках энергия сосредоточена, в других энергии нет. Нет оснований сомневаться в тождестве молекул. За это говорит вся химическая практика. Мы приходим к выводу, что фронт якобы однородного светового пучка в действительности не однороден. Его энергия сосредоточена в определенных центрах, пространственно отделенных друг от друга. ...