ШЕСТЬ ЛЕКЦИЙ О СВЕТЕ ПРОЧИТАННЫЕ В СОЕДИНЕННЫХ ШТАТАХ В 1872–1873 ГОДАХ ДЖОНОМ ТИНДАЛЕМ ДЖОНОМ ТИНДАЛЕМ, ДОКТОРОМ ГРАЖДАНСКОГО ПРАВА, ДОКТОРОМ ЮРИДИЧЕСКИХ НАУК, ЧЛЕНОМ КОРОЛЕВСКОГО ОБЩЕСТВА БЫВШИМ ПРОФЕССОРОМ НАТУРАЛЬНОЙ ФИЛОСОФИИ В КОРОЛЕВСКОМ ИНСТИТУТЕ ВЕЛИКОБРИТАНИИ Лондон: Longmans & Co. ШЕСТОЕ ТИРАЖИРОВАНИЕ LONGMANS, GREEN, AND CO. 39 ПАТЕРНОСТЕР-РОУ, ЛОНДОН НЬЮ-ЙОРК И БОМБЕЙ 1906 ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ В этих лекциях я стремился изложить ясным образом сложный, но глубоко увлекательный предмет. Моей целью было не только описать и проиллюстрировать в доступной форме главные законы и явления света, но также указать на происхождение и показать применение теоретических концепций, которые лежат в основе всего этого и объединяют все явления воедино, и без которых невозможно никакое подлинное толкование. Лекции, как указано на титульном листе, были прочитаны в Соединенных Штатах в 1872–1873 годах. Я до сих пор сохраняю живое и благодарное воспоминание о той сердечности, с которой они были встречены. Мои масштабы и задачи кратко обозначены в «Резюме и заключении», которое, как рекомендовалось в предыдущем издании, вполне уместно прочитать в качестве введения к этому тому. Дж. Т. АЛЬПЛЮСГЕН: Октябрь 1885 года. СОДЕРЖАНИЕ. ЛЕКЦИЯ I. Введение Польза экспериментов Ранние научные представления Науки о наблюдениях Знания древних о свете Недостатки глаза Наши инструменты Прямолинейное распространение света Закон падения и отражения Бесплодность средних веков Преломление Открытие Снелла Частичное и полное отражение Скорость света Рёмер, Брэдли, Фуко и Физо Принцип наименьшего действия Декарт и радуга Опыты Ньютона о составе солнечного света Его ошибка относительно ахроматизма Синтез белого света Желтый и синий цвета при смешении дают белый Цвета природных тел Поглощение Сравнение смешения пигментов со смешением световых лучей ЛЕКЦИЯ II. Происхождение физических теорий Масштаб воображения Ньютон и корпускулярная теория Проверка физических теорий Светоносный эфир Волновая теория света Томас Юнг Френель и Араго Представление о волновом движении Интерференция волн Строение звуковых волн Аналогии между звуком и светом Иллюстрации волнового движения Интерференция звуковых волн Оптические иллюстрации Высота тона и цвет Длины световых волн и частоты колебаний частиц эфира Интерференция света Явления, впервые подсказавшие ундуляторную теорию Бойль и Гук Цвета тонких пластинок Мыльный пузырь Кольца Ньютона Теория «приступов» Ее объяснение колец Опровержение теории Дифракция света Цвета, производимые дифракцией Цвета перламутра ЛЕКЦИЯ III. Связь теорий с опытом Происхождение понятия всемирного тяготения Как возникает понятие полярности Атомная полярность Структурные упорядочения, обусловленные полярностью Архитектура кристаллов как введение к их воздействию на свет Применение понятия атомной полярности к кристаллической структуре Экспериментальные иллюстрации Кристаллизация воды Расширение при нагревании и охлаждении Поведение воды: рассмотрение и объяснение Значение кристаллизации для оптических явлений Преломление Двойное лучепреломление Поляризация Действие турмалина Характер пучков, выходящих из исландского шпата Поляризация посредством обычного преломления и отражения Деполяризация ЛЕКЦИЯ IV. Хроматические явления, производимые кристаллами в поляризованном свете Призма Николя Поляризатор и анализатор Действие толстых и тонких пластинок селенита Зависимость цветов от толщины Разложение поляризованного пучка селенитом на два других Задержка одного из них сильнее по сравнению с другим Сложение двух систем волн анализатором Возникающая благодаря этому возможность интерференции Как следствие — возникновение цветов Действие тел, подвергнутых механическому напряжению или сжатию Действие звуковых колебаний Действие стекла, напряженного или сжатого теплотой Круговая поляризация Хроматические явления, производимые кварцем Намагничивание света Кольца вокруг осей кристаллов Двухосные и однохосные кристаллы Охват волновой теории Цвет и поляризация света неба Создание искусственного неба ЛЕКЦИЯ V. Диапазон зрения не совпадает с диапазоном излучения Ультрафиолетовые лучи Флуоресценция Превращение невидимых лучей в видимые Зрение — не единственное чувство, к которому взывают солнечный и электрический пучки Теплота пучка Горение в совокупном пучке в фокусах зеркал и линз Горение сквозь ледяную линзу Воспламенение алмаза Поиск лучей, действующих в данном случае Открытие сэром Уильямом Гершелем темных солнечных лучей Невидимые лучи как основа видимых Отделение невидимых лучей от видимых с помощью фильтра лучей Горение в темных фокусах Превращение тепловых лучей в световые Калоресценция Роль, которую играют в природе темные лучи Тождественность света и лучистой теплоты Невидимые изображения Отражение, преломление, плоская поляризация, деполяризация, круговая поляризация, двойное лучепреломление и намагничивание лучистой теплоты ЛЕКЦИЯ VI. Принципы спектрального анализа Призматический анализ света раскаленных паров Прерывчатые спектры Доказательство Бунзеном и Кирхгофом того, что спектральные полосы присущи определенным парам Открытие рубидия, цезия и таллия Связь между испусканием и поглощением Фраунгоферовы линии Их объяснение Кирхгофом Солнечная химия, задействованная в этом объяснении Опыт Фуко Принципы поглощения Аналогия звука и света Экспериментальная демонстрация этой аналогии Недавние применения спектроскопа Резюме и заключение ПРИЛОЖЕНИЕ. О спектрах поляризованного света Измерение световых волн УКАЗАТЕЛЬ. О СВЕТЕ ЛЕКЦИЯ I. ВВЕДЕНИЕ ПОЛЬЗА ЭКСПЕРИМЕНТА РАННИЕ НАУЧНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ НАУКИ О НАБЛЮДЕНИЯХ ЗНАНИЯ ДРЕВНИХ О СВЕТЕ НЕДОСТАТКИ ГЛАЗА НАШИ ИНСТРУМЕНТЫ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА ЗАКОН ПАДЕНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ БЕСПЛОДНОСТЬ СРЕДНИХ ВЕКОВ ПРЕЛОМЛЕНИЕ ОТКРЫТИЕ СНЕЛЛА ЧАСТИЧНОЕ И ПОЛНОЕ ОТРАЖЕНИЕ СКОРОСТЬ СВЕТА РЁМЕР, БРЭДЛИ, ФУКО И ФИЗО ПРИНЦИП НАИМЕНЬШЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЕКАРТ И РАДУГА ОПЫТЫ НЬЮТОНА О СОСТАВЕ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА ЕГО ОШИБКА В ОТНОШЕНИИ АХРОМАТИЗМА СИНТЕЗ БЕЛОГО СВЕТА ЖЕЛТЫЙ И СИНИЙ СВЕТА ПРИ СМЕШЕНИИ ДАЮТ БЕЛЫЙ ЦВЕТА ПРИРОДНЫХ ТЕЛ ПОГЛОЩЕНИЕ СРАВНЕНИЕ СМЕШЕНИЯ ПИГМЕНТОВ СО СМЕШЕНИЕМ СВЕТОВЫХ ЛУЧЕЙ § 1. Введение. Около двенадцати лет назад я опубликовал в Англии небольшую книгу под названием «Ледники Альп», а пару лет спустя — вторую книгу под названием «Теплота как форма движения». За этими томами последовали другие, написанные с такой же простотой и с аналогичной целью — целью развить и углубить взаимопонимание между наукой и миром вне науки. Я разделял мнение тех мыслителей [1], которые считали, что ни одному из этих миров не полезно быть изолированным от другого или проявлять равнодушие друг к другу, и ради уменьшения этой изоляции, по крайней мере в одной из областей науки, я на время отвлекся от тех оригинальных изысканий, которые составляли истинное призвание и радость моей жизни. Упомянутые здесь работы были по большей части переизданы братьями Аплтон в Нью-Йорке [2] под эгидой человека, который неутомимо стремится распространять прочные научные знания среди народа Соединенных Штатов; чья энергия, способности и преданность делу при выполнении сложнейшей задачи снискали ему симпатию и поддержку многих из нас на «старой родине». Я имею в виду профессора Юманса. Цель этих работ была понята и оценена в Соединенных Штатах столь же быстро, как и в Англии, и они принесли мне из-за Атлантики бесчисленные свидетельства благожелательности. Из года в год мне поступали приглашения [3] посетить Америку, и в прошлом году (1871) я был удостоен столь сердечной просьбы, подписанной двадцатью пятью именами, столь видными в науке, литературе и на административных постах, что я тотчас решил откликнуться на нее, отважившись не только на тревожные колебания Атлантики, но и на куда более тревожное испытание — лично предстать перед народом Соединенных Штатов. Это приглашение, переданное мне моим искусным другом профессором Лесли из Филадельфии и предваряемое письмом того же содержания от вашего научного Нестора, знаменитого Джозефа Генри из Вашингтона, содержало пожелание, чтобы я прочел лекции в некоторых из главных городов Союза. Я согласился сделать это, хотя и не имел четкого представления о подходящем предмете. Однако в ответ на мои запросы мне дали понять, что курс лекций, демонстрирующий пользу экспериментов в развитии естествознания, существенно способствовал бы научному образованию в этой стране. И хотя такие лекции предполагали выбор тяжелых и точных приборов и их перевозку с места на место, я решил пойти навстречу пожеланиям моих друзей настолько, насколько позволяли мое время и имеющиеся средства. § 2. Тема курса. Используемый источник света. Эксперименты имеют два великих назначения: одно — в открытии, другое — в обучении. Давно уже было дано определение, что эксперимент — это язык исследователя, обращенный к Природе, на который она дает понятные ответы. Однако эти ответы обычно доходят до вопрошающего шепотом, слишком слабым для публичного слуха. Но вслед за исследователем приходит преподаватель, в чьи обязанности входит так усилить и видоизменить эксперименты своего предшественника, чтобы сделать их пригодными для публичного показа. Эту вторую задачу я и постараюсь выполнить в данном случае. Взяв в качестве темы один из разделов натурфилософии, я намерен на его примере проиллюстрировать рост научных знаний под руководством эксперимента. Я хочу, во-первых, ознакомить вас с некоторыми элементарными явлениями; затем указать вам, как теоретические принципы, с помощью которых объясняются явления, пускают корни в человеческом уме, и, наконец, применить эти принципы ко всей совокупности знаний, охватываемых лекциями. Наука об оптике особенно хорошо подходит для такого метода обработки, и поэтому я намерен почерпнуть из нее материалы для настоящего курса. Лучше всего начать с тех немногих простых фактов, касающихся света, которые были известны древникам, и перейти от них в исторической последовательности к более отвлеченным открытиям современности. Все наши представления о Природе, сколь бы возвышенными или гротескными они ни были, имеют своим основанием опыт. Представление о личной воле в Природе имело именно эту основу. В ярости и безмятежности природных явлений дикарь видел отражение собственных изменчивых настроений и соответственно приписывал эти явления существам со схожими с его собственными страстями, но неизмеримо превосходящим его по силе. Таким образом, понятие причинности — предположение о том, что природные вещи не возникают сами по себе, а имеют невидимые первопричины — лежало в основе даже того, как дикарь истолковывал Природу. Из этой склонности человеческого ума искать причины явлений и выросла вся наука. Мы не будем сейчас возвращаться к первым интеллектуальным поискам человека; тем менее станем вдаваться в тернистые споры о том, как возник этот ищущий человек. Мы возьмем его на той стадии его развития, когда он обрел аппарат мышления и способность пользоваться им. Какое-то время — и исторически весьма долгое — он ограничивался простым наблюдением, принимая то, что предлагала Природа, и ограничивая интеллектуальную деятельность лишь этим. Видимые движения солнца и звезд первыми привлекли к себе вопросы интеллекта, и соответственно астрономия стала первой развившейся наукой. Медленно и с трудом понятие естественных сил пускало корни в человеческом уме. Медленно и с трудом из этого понятия должна была вырасти наука механика; и лишь медленно пришло полное применение механических принципов к движениям небесных тел. Мы прослеживаем прогресс астрономии через Гиппарха и Птолемея и, после долгой остановки, через Коперника, Галилея, Тихо Браге и Кеплера; в то время как с высокого плоскогорья мысли, занимаемого этими людьми, Ньютон возвышается подобно пику, превосходя всех прочих своей главенствующей высотой. Но внимание древнего мира привлекали не только движения звезд. Свет был привычным явлением, и с самых ранних времен мы видим умы людей, занятые попытками дать ему какое-то объяснение. Но без эксперимента, относящегося к более поздней стадии научного развития, здесь нельзя было добиться большого прогресса. Соответственно, древние преуспели в изучении света гораздо меньше, чем в изучении движений солнца и звезд. И все же они добились некоторого прогресса. Они убедились, что свет движется по прямым линиям; они также знали, что свет отражается от полированных поверхностей и что угол падения равен углу отражения. Эти два результата древней научной любознательности составляют отправную точку нашего нынешнего курса лекций. Но прежде всего полезно сказать несколько слов об источнике света, который будет использоваться в наших опытах. Ржавление железа — это, по сути и смыслу, медленное горение железа. Оно выделяет теплоту, и если теплоту сохранять, таким образом можно достичь высокой температуры. Разрыв первого атлантического кабеля, вероятно, произошел из-за теплоты, выделенной подобным образом. Другие металлы еще более горючи, чем железо. Вы можете поджечь полоски цинка в пламени свечи, заставив их гореть почти как полоски бумаги. Но теперь мы должны расширить наше определение горения и включить в этот термин не только горение в воздухе, но и горение в жидкостях. Вода, например, содержит запас кислорода, который может соединиться с погруженным в нее металлом и разъесть его; именно из этого рода горения мы и собираемся извлечь теплоту и свет, используемые в нашем нынешнем курсе. Получение этого света и этой теплоты заслуживает мимолетного внимания. Перед вами прибор — небольшая вольтаическая батарея, — в котором цинк погружен в подходящую жидкость. В данный момент между металлом и кислородом жидкости возникает сила притяжения; однако непосредственного соединения поначалу удается избежать. Соединив оба конца батареи толстой проволокой, мы удовлетворяем это притяжение: кислород соединяется с металлом, цинк сгорает, и результатом горения, как обычно, становится теплота. Сила, которую за неимением лучшего названия мы называем электрическим током, проходит в то же время по проволоке. Разрезав толстую проволоку пополам, соединим разорванные концы тонкой. Она накаляется до белого каления. Откуда берется эта теплота? Вопрос вполне заслуживает ответа. Предположим для начала, когда используется толстая проволока, что мы позволяем процессу продолжаться до тех пор, пока не сгорит 100 гран цинка; количество выделившейся в батарее теплоты поддается точному числовому выражению. Пусть затем процесс продолжается при накаленной тонкой проволоке до тех пор, пока не сгорят 100 гран цинка. Будет ли количество теплоты, выделившейся в батарее, таким же, как прежде? Нет; оно будет меньше ровно на то количество, которое выделилось в тонкой проволоке вне батареи. Фактически, складывая внутреннюю теплоту с внешней, мы получаем для горения 100 гран цинка общую сумму, которая никогда не меняется. Мы имеем здесь прекрасный пример того закона постоянства природных энергий, установление которого является величайшим достижением современной науки. Таким образом, благодаря этому устройству мы можем сжигать наш цинк в одном месте, а проявления его горения демонстрировать в другом. В Нью-Йорке, например, у нас могут находиться камин и топливо, но теплота и свет нашего огня могут появиться в Сан-Франциско. Fig. 1. Удалив тонкую проволоку и прикрепив к разорванным концам толстой два стержня кокса, при сближении стержней (как показано на рис. 1) мы получаем маленькую световою звездочку. Свет, который будет использоваться в наших лекциях, представляет собой простое увеличение этой звездочки. Вместо того чтобы производиться десятью элементами, он создается пятьюдесятью. Помещенный в подходящую камеру, снабженную подходящей линзой, этот мощный источник даст нам весь свет, необходимый для наших опытов. И здесь попутно мне вспоминается распространенное заблуждение о том, будто творения природы, включая человеческий глаз, теоретически совершенны. Глаз веками развивался по направлению к совершенству; но впереди у него могут лежать еще целые века совершенствования. Глядя на ослепительный свет нашей большой батареи, я вижу светящийся шар, но совершенно не могу разглядеть форму угольных кончиков, откуда исходит свет. Причину этого можно пояснить следующим образом: на экране перед вами проецируется изображение угольных стержней, причем для формирования изображения используется вся стеклянная линза перед камерой. Оно не резкое, а окруженное ореолом, который почти полностью скрывает уголки. Это происходит из-за несовершенства стеклянной линзы, называемого ее сферической аберрацией, которая обусловлена тем фактом, что краевые и центральные лучи имеют не один и тот же фокус. Человеческий глаз страдает от подобного же дефекта, и по этой а также по иным причинам при взгляде на обнаженный свет пятидесяти элементов размытое световое пятно на сетчатке оказывается достаточным для уничтожения четкости сетчаточного изображения угольков. Против глаза можно было бы выдвинуть длинный список обвинений: его непрозрачность, отсутствие симметрии, нехватка ахроматизма, частичная слепота. Все это вместе взятое заставило Гельмгольца сказать, что если бы какой-нибудь оптик прислал ему столь дефектный инструмент, он был бы вправе вернуть его с самым суровым порицанием. Но глаз не следует судить с точки зрения теории. Он не совершенен, но находится на пути к совершенству. Как практический инструмент и при условии учета приспособлений, с помощью которых нейтрализуются его дефекты, он во веки веков останется чудом для размышляющего ума. § 3. Прямолинейное распространение света. Элементарные опыты. Закон отражения. Древним было известно прямолинейное распространение света. Они знали, что непрозрачное тело, помещенное между глазом и точкой света, преграждает путь свету от этой точки. Возможно, термины «луч» и «пучок» были подсказаны теми прямыми лучами света, которые при определенном состоянии атмосферы испускаются солнцем при его восходе и закате. Прямолинейное распространение света можно проиллюстрировать, позволив солнечному свету проникнуть через небольшое отверстие в оконной ставне в темную комнату, в которой рассеяно немного дыма. В чистом воздухе пучок не виден, но в дымном воздухе он виден, поскольку свет, проходящий сквозь воздух невидимо, рассеивается и обнаруживается частицами дыма, среди которых пучок движется по прямой траектории. Fig. 2. Следующий поучительный опыт основан на прямолинейном распространении света. Сделайте небольшое отверстие в закрытой оконной ставне, перед которой стоит дом или дерево, и поместите внутри затемненной комнаты белый экран на некотором расстоянии от отверстия. Каждый прямой луч, исходящий от дома или дерева, запечатлевает свой цвет на экране, и сумма всех лучей окажется, следовательно, изображением объекта. Но поскольку лучи перекрещиваются у отверстия, изображение получается перевернутым. В настоящее время мы можем проиллюстрировать и развить этот предмет следующим образом: перед нашей камерой находится большое отверстие (L, рис. 2), из которого удалена линза и которое в данный момент закрыто листком станиоли. Проколов с помощью обычной швейной иглы маленькое отверстие в станиоли, мы обнаруживаем на экране перевернутое изображение угольных кончиков. Дюжина отверстий даст дюжину изображений, сотня — сотню, тысяча — тысячу. Но по мере того как отверстия сближаются друг с другом, то есть по мере того как станиоль между отверстиями исчезает, изображения все больше накладываются друг на друга. Удалив станиоль полностью, мы получаем равномерно освещенный экран. Следовательно, свет на экране можно рассматривать как наложение бесчисленных изображений угольных кончиков. Подобным же образом свет на любой белой стене в безоблачный день может рассматриваться как результат суперпозиции бесчисленных изображений солнца. Fig. 3. Закон равенства угла падения и угла отражения имеет отношение к теории, о которой будет упомянуто позже, что делает желательной его простую иллюстрацию здесь. Прямая рейка (указывающая на цифру 5 на дуге на рис. 3) закреплена в качестве индекса перпендикулярно небольшому зеркальцу (M), способному вращаться. Мы начинаем с того, что направляем на зеркало пучок света, который отражается обратно вдоль линии своего падения. Затем при повороте индекса вместе с ним поворачивается и зеркало, и по обе стороны от индекса падающий и отраженный пучки ($L_o, oR$) прослеживают свой путь сквозь пыль в комнате. Простого осмотра двух углов, заключенных между индексом и двумя пучками, достаточно для доказательства их равенства; если же обратиться к градуированной дуге, то дуга от 5 до $m$ оказывается точно равной дуге от 5 до $n$. Полная формулировка закона отражения заключается не только в том, что углы падения и отражения равны, но и в том, что падающий и отраженный лучи всегда лежат в плоскости, перпендикулярной отражающей поверхности. Этот простой прибор позволяет нам проиллюстрировать другой закон, имеющий огромное практическое значение, а именно: при вращении зеркала угловая скорость отраженного от него пучка вдвое превышает угловую скорость вращающегося зеркала. Простой опыт сделает это понятным. Находящаяся перед вами дуга ($m\,n$, рис. 3) разделена на десять равных частей, и когда падающий пучок и индекс пересекают нуль шкалы, оба пучка — падающий и отраженный — горизонтальны. При перемещении индекса зеркала к 1 отраженный пучок пересекает дугу в точке 2; при перемещении индекса к 2 дуга пересекается в точке 4; при перемещении индекса к 3 дуга пересекается в точке 6; при перемещении индекса к 4 дуга пересекается в точке 8; наконец, при перемещении индекса к 5 дуга пересекается в точке 10 (как на рисунке). Во всех случаях отраженный пучок проходит угол, вдвое превосходящий угол, пройденный зеркалом. Одна из главных задач науки состоит в том, чтобы помогать человеческим чувствам, перенося их в такие области, которые никогда не могли бы быть достигнуты без этой помощи. Так, мы вооружаем глаз телескопом, когда хотим исследовать глубины пространства, и микроскопом, когда хотим изучить движение и структуру в их бесконечно малых измерениях. Этот закон углового отражения в сочетании с тем фактом, что световой пучок не обладает весом, дает нам средство увеличивать малейшие движения до необычайной степени. Так, присоединяя зеркала к своим подвешенным магнитам и наблюдая за отраженными от зеркал изображениями разделенных шкал, знаменитый Гаусс смог обнаружить малейшее колебание вариации земной магнитной силы. Посредством аналогичного устройства были выявлены слабые притяжения и отталкивания диамагнитной силы. Минимальное удлинение металлического стержня от простого тепла руки может быть настолько увеличено этим методом, что пучок-индекс сместится на 20 или 30 футов. Удлинение железного стержня при его намагничивании также может быть продемонстрировано таким образом. Гельмгольц давным-давно использовал этот метод для того, чтобы сделать очевидными для своих студентов классические опыты Дюбуа-Раймона по животному электричеству, тогда как в зеркальном гальванометре сэра Уильяма Томсона этот принцип получает одно из своих новейших и важнейших применений. § 4. Преломление света. Полное отражение. Более тысячи лет в оптике не было сделано ни шагу за пределы этого закона отражения. Люди Средних веков, по сути, пытались, с одной стороны, вывести законы вселенной à priori из собственного сознания, в то время как многие из них были настолько поглощены заботами о загробном мире, что смотрели с высочайшим презрением на все вещи, принадлежащие этому миру. Говоря о естествоиспытателях своего времени, Евсевий утверждает: «Мы не из-за невежества в отношении вещей, вызывающих у них восхищение, а из-за презрения к их бесполезному труду пренебрегаем этими материями, обращая наши души к упражнению в вещах более возвышенных». То же говорит и Лактанций: «Искать причины вещей; вопрошать, так ли солнце велико, как кажется; выпукла или вогнута луна; закреплены ли звезды на небе или свободно плавают в воздухе; каков размер и каково вещество небес; покоятся они или находятся в движении; какова величина земли, на каких основаниях она подвешена или сбалансирована — спорить и строить догадки о подобных материях — это все равно что рассуждать о том, что мы думаем о городе в отдаленной стране, о которой мы никогда не слыхали ничего, кроме названия». Что касается преломления света, то ход подлинного исследования был возобновлен в 1100 году арабским философом по имени Альхазен. Затем его последовательно подхватили Роджер Бэкон, Вителлио и Кеплер. Одно из важнейших занятий науки — определение с помощью точных измерений количественных соотношений явлений; ценность таких измерений в огромной степени зависит от мастерства и добросовестности того, кто их производит. Вителлио представляется одновременно искусным и добросовестным, в то время как привычкой Кеплера было роться в наблюдениях своих предшественников, рассматривать их под самыми разными углами и таким образом извлекать из них принципы, которые их объединяли. Он проделал это с астрономическими измерениями Тихо Браге и извлек из них знаменитые «законы Кеплера». Он проделал это и с измерениями преломления Вителлио. Но в данном случае его постигла неудача. Этот принцип, хоть и простой, ускользнул от него, и впервые его открыл Виллеброрд Снелл около 1621 года. Менее чем с целью останавливаться на самом явлении, сколько ради того, чтобы представить его в форме, которая сделает для вас впоследствии понятной игру теоретической мысли в уме Ньютона, здесь может быть продемонстрирован факт преломления. Я сделаю это не путем проведения мелом хода луча по классной доске, а заставив его прочертить свой собственный белый след перед вами. Неглубокий круглый сосуд (RIG, рис. 4), наполовину наполненный водой, слегка помутненной добавлением небольшого количества молока или осаждением небольшого количества мастики, устанавливается вертикально своей стеклянной стороной. С помощью небольшого плоского отражателя (M) и через щель (I) в ободе, окружающем сосуд, пучок света впускается в любом требуемом направлении. Он падает на воду (в точке O), проникает в нее и прокладывает свой путь сквозь жидкость в виде резкой яркой полосы (OG). Тем временем пучок проходит невидимым сквозь воздух над водой, ибо воздух не способен рассеивать свет. Подутие дыма в это пространство мгновенно обнаруживает след падающего пучка. Если падение перпендикулярное, пучок не преломляется. Если оно косое, его преломление на границе разделения воздуха и воды (в точке O) становится отчетливо видимым. Также видно, что отражение (вдоль OR) сопровождает преломление, причем пучок разделяется в точке падения на преломленную и отраженную части [4]. Fig. 4. Закон, посредством которого Снелл связал воедино все измерения, выполненные до его времени, таков: пусть A B C D (рис. 5) представляет собой контур нашего круглого сосуда, где A C — уровень воды. Когда пучок падает вдоль B E, перпендикулярного A C, преломления нет. Когда он падает вдоль $m$ E, преломление происходит: он преломляется в E и падает на окружность в точке $n$. Когда он падает вдоль $m'$ E, в E также происходит преломление, причем пучок падает в точку $n'$. Из концов двух падающих пучков опустите перпендикуляры $m o, m' o'$ на B D, и из концов преломленных пучков также опустите перпендикуляры $p n, p' n'$. Измерьте длины $o m$ и $p n$ и разделите одну на другую. Вы получите некое частное. Точно так же разделите $m' o'$ на соответствующий перпендикуляр $p' n'$; вы получите абсолютно точное такое же частное. Снелл, по сути, обнаружил, что это частное является постоянной величиной для каждого конкретного вещества, хотя его значение меняется от одного вещества к другому. Он назвал это частное показателем преломления. Fig. 5 Во всех случаях, когда свет падает из воздуха на поверхность твердого тела или жидкости, или, говоря более обще, когда падение происходит из менее преломляющей среды в более преломляющую, отражение является частичным. При этом наиболее сильно отражающие вещества либо пропускают, либо поглощают часть падающего света. При перпендикулярном падении вода отражает лишь 18 лучей из каждых 1000; стекло отражает лишь 25 лучей, тогда как ртуть отражает 666. Когда лучи падают на поверхность косо, отражение усиливается. При падении под углом 40°, например, вода отражает 22 луча, при 60° она отражает 65 лучей, при 80° — 333 луча; в то время как при падении под углом 89½°, когда свет почти скользит по поверхности, она отражает 721 луч из каждых 1000. Таким образом, по мере увеличения косого падения отражение от воды приближается к перпендикулярному отражению от ртути и в конце концов полностью догоняет его; но ни при каком падении, сколь бы большим оно ни было, если падение происходит из воздуха, отражение от воды, ртути или любого другого вещества не является полным. И все же полное отражение может происходить, и для понимания его последующего применения в призме Николя необходимо указать, когда оно происходит. Это приводит меня к формулировке принципа, лежащего в основе всех оптических явлений, — принципа обратимости [5]. В случае преломления, например, когда луч проходит косо из воздуха в воду, он отклоняется к перпендикуляру; когда он проходит из воды в воздух, он отклоняется от перпендикуляра и точно обращает свой путь вспять. Таким образом, на рис. 5, если $m E n$ — это траектория луча при переходе из воздуха в воду, $n E m$ будет его траекторией при переходе из воды в воздух. Давайте продолжим этот принцип до его логических последствий. Предположим, что свет падает не по направлениям $m E$ или $m' E$, а как можно ближе к ним вдоль C E (рис. 6); иными словами, предположим, что он едва скользит по поверхности перед входом в воду. После преломления он пойдет, скажем, по траектории E $n''$. Обратно: если свет исходит из $n''$ и падает в точке E, он при выходе в воздух будет ровно скользить по поверхности воды. Возникает вопрос: что произойдет, если луч из воды пойдет по траектории $n''' E$, которая лежит дальше $n'' E$? Ответ таков: он вообще не покинет воду, а будет полностью отражен (вдоль E $x$). Более того, на нижней поверхности воды закон точно такой же, как и на ее верхней поверхности: угол падения ($D E n'''$) равен углу отражения ($D E x$). Fig. 6 Полное отражение можно проиллюстрировать следующим простым образом: положите шиллинг в стакан для питья и наклоните стакан так, чтобы свет от шиллинга падал с необходимой косой на поверхность воды над ним. Посмотрите снизу вверх сквозь воду на эту поверхность, и вы увидите изображение шиллинга, сияющее там так же ярко, как сам шиллинг. Опустите закрытый конец пустой пробирки в воду и наклоните трубку. Когда наклон достаточен, горизонтальный свет, падающий на трубку, не может проникнуть в находящийся внутри нее воздух, а полностью отражается вверх: если смотреть на такую трубку сверху, она выглядит совершенно как полированное серебро. Налейте в трубку немного воды; по мере подъема жидкости полное отражение уничтожается, а вместе с ним и блеск, оставляя постепенно уменьшающуюся сияющую зону, которая полностью исчезает, когда уровень воды внутри трубки достигает уровня воды снаружи нее. Любая стеклянная трубка с герметично закрытым концом производит этот эффект, который является одновременно красивым и поучительным. Полное отражение никогда не происходит, за исключением попытки прохождения луча из более преломляющей среды в менее преломляющую; но в этом случае, когда косое падение достаточно велико, оно происходит всегда. Мираж пустыни и другие призрачные явления в атмосфере частично объясняются им. Когда, например, солнце нагревает пространство песка, слой воздуха, соприкасающийся с песком, становится легче и менее преломляющим, чем воздух над ним: в результате лучи от удаленного объекта, падающие очень косо на поверхность нагретого слоя, иногда полностью отражаются вверх, создавая тем самым изображения, подобные тем, что производятся водой. Я видел изображение скалы под названием Мон-Томбелен, отчетливо отраженное от нагретого воздуха пляжа Нормандии близ Авраншей; и такие обманчивые явления сильно изнуряли жаждущих солдат французской армии в Египте. Угол, который знаменует собой предел, за которым происходит полное отражение, называется предельным углом (он отмечен на рис. 6 жирной линией E $n''$). Очевидно, он уменьшается по мере увеличения показателя преломления. Для воды он составляет 48½°, для флинтгласа — 38°41', а для алмаза — 23°42'. Таким образом, весь свет, падающий из двух полных квадрантов, или 180°, в случае алмаза с помощью преломления сгущается в угловое пространство в 47°22' (дважды по 23°42'). С сильным преломлением у алмаза связаны его мощные дисперсионные и отражательные способности; отсюда проистекает необычайное сияние этого драгоценного камня как в белом, так и в призматическом свете. § 5. Скорость света. Аберрация. Принцип наименьшего действия. В 1676 году астрономия придала мощный импульс оптике. В том году Олаф Рёмер, ученый датчанин, занимался в Париже в Обсерватории наблюдением затмений спутников Юпитера. Планета, расстояние которой от солнца составляет 475 693 000 миль, имеет четыре спутника. Мы имеем дело в данный момент лишь с тем из них, который расположен ближе всего к планете. Рёмер наблюдал за этой луной, видел, как она движется вокруг планеты, погружается в тень Юпитера, ведя себя подобно внезапно погашенной лампе; затем у другого края тени он видел ее вновь появляющейся, словно внезапно зажженная лампа. Таким образом, луна играла роль сигнального огня для астронома и позволяла ему точно определить время своего обращения. Период между двумя последовательными зажиганиями лунной лампы оказался равным 42 часам, 28 минутам и 35 секундам. Это измерение времени было столь точным, что после определения момента, когда луна выходила из тени, можно было определить и момент ее сотого появления. Фактически он должен был наступить через 100 раз по 42 часа 28 минут 35 секунд после первого наблюдения. Первое наблюдение Рёмера было сделано, когда земля находилась в той части своей орбиты, которая ближе всего к Юпитеру. Около шести месяцев спустя, когда земля находилась уже на противоположной стороне своей орбиты и маленькая луна должна была совершить свое сотое появление, обнаружилось, что она не пунктуальна, отставая от своего расчетного времени ровно на 15 минут. Более того, ее появление становилось все более запоздалым по мере того, как земля удалялась в сторону той части своей орбиты, которая наиболее удалена от Юпитера. Рёмер рассуждал так: «Если бы я мог оставаться на другой стороне земной орбиты, луна могла бы появляться всегда в положенный момент; наблюдатель, находящийся там, вероятно, увидел бы луну 15 минут назад, а запаздывание в моем случае объясняется тем фактом, что свету требуется 15 минут на то, чтобы преодолеть расстояние от места, где было сделано мое первое наблюдение, до моего нынешнего положения». За этой вспышкой гениальности немедленно последовала другая. «Если это предположение верно, — рассуждал Рёмер, — то по мере моего приближения к Юпитеру по другую сторону земной орбиты запаздывание должно постепенно уменьшаться, а когда я достигну места моего первого наблюдения, никакого запаздывания вообще быть не должно». Он обнаружил, что так оно и есть, и тем самым не только доказал, что свету требуется время для прохождения пространства, но и определил скорость его распространения. The velocity of light, as determined by Roemer, is 192,500 miles in a second. Однако в течение некоторого времени наблюдения и рассуждения Рёмера не привели к убеждению. В них сомневались Кассини, Фонтенель и Гук. Впоследствии последовало неожиданное подтверждение выводов Рёмера английским астрономом Брэдли, который заметил, что неподвижные звезды на самом деле вовсе не кажутся неподвижными, а описывают на небе небольшие орбиты каждый год. Этот результат озадачил его, но ум Брэдли был открыт для подсказок и способен видеть в самом малом факте отражение величайшего. Однажды он плыл в лодке по Темзе и заметил, что пока его курс остается неизменным, флюгер на мачте показывает постоянное направление дующего ветра, однако ветер кажется меняющимся при каждом изменении направления движения его лодки. «Здесь, — как говорит Уэвелл, — было отражение его случая. Лодка была землей, движущейся по своей орбите, а ветер был светом звезды». Между делом можно задаться вопросом: чем бы стал флюгер Брэдли и сам ветер для него без способности, которая сформировала этот «образ»? Ветром и флюгером, и не более того. Вы сразу поймете смысл открытия Брэдли. Представьте себя в неподвижном поезде, когда отвесно вниз падает дождь. Как только поезд начинает двигаться, капли дождя начинают наклоняться, и чем быстрее движение поезда, тем больше угол наклона. Совершенно аналогичным образом лучи от звезды, находящейся в зените, отклоняются под действием движения Земли в пространстве. Зная скорость поезда и угол наклона падающего дождя, можно рассчитать скорость капель; а зная скорость Земли по ее орбите и угол наклона лучей, обусловленный этой причиной, мы можем столь же легко вычислить скорость света. Брэдли проделал это, и «аберрация света», как называют его открытие, позволила ему приписать свету скорость, почти тождественную той, что была выведена Рёмером из совершенно иного метода наблюдений. Впоследствии Физо, а совсем недавно Корню, используя не планетарные или звездные расстояния, а просто ширину города Парижа, определили скорость света, в то время как Фуко — человек редчайшего механического гения — решил эту проблему, не покидая своей комнаты. Из-за ошибки в определении расстояния от Земли до Солнца скорость света, полученная как Рёмером, так и Брэдли, оказалась слишком великой. С большой степенью точности ее можно принять равной 186 000 миль в секунду. Благодаря открытию Рёмера было повергнуто представление Декарта, поддержанное Гуком, о том, что свет распространяется в пространстве мгновенно. Но установление факта его движения в звездном пространстве привело к предположениям относительно его скорости в прозрачных земных веществах. «Показатель преломления» луча, переходящего из воздуха в воду, равен 4/3. Ньютон истолковал эти числа в том смысле, что скорость света в воде равна 4, а его скорость в воздухе равна 3; и из этого допущения он вывел явления преломления. Гюйгенс придерживался противоположной и более верной точки зрения. Согласно этому великому человеку, скорость света в воде равна 3, а его скорость в воздухе равна 4; но как во времена Ньютона, так и в наши дни один и тот же великий принцип определял и определяет путь света во всех случаях. Переходя от точки к точке, какими бы ни были среды на его пути, или как бы он ни преломлялся и ни отражался, свет выбирает путь, который требует наименьшего времени. Так, на рис. 4, принимая во внимание его скорость в воздухе и в воде, свет достигает G из I быстрее, пройдя сначала в точку O и изменив там свое направление, чем если бы он шел прямо из I в G. Это легко понять, поскольку в последнем случае он прошел бы бо́льшее расстояние через воду, которая является более замедляющей средой. § 6. Объяснение радуги Декартом. Закон преломления Снелла является одним из краеугольных камней оптической науки, и его применения в наши дни исчисляются миллионами. Сразу же после его открытия Декарт применил его для объяснения радуги. Пучок солнечного света, падающий на дождевую каплю под углом, преломляется при входе в каплю. Он частично отражается от задней стенки капли и при выходе снова преломляется. Благодаря этим двум преломлениям и этому единственному отражению свет попадает в глаз наблюдателя, стоящего лицом к капле и спиной к солнцу. Представьте себе прямую линию, проведенную от солнца через затылок к глазу наблюдателя и продленную за него. Представьте себе вторую линию, проведенную от ливня к глазу и образующую угол 42,5° с линией, проведенной от солнца. Вдоль этой второй линии дождевая капля при ударе о нее солнечного луча пошлет в глаз красный свет. Каждая другая капля, расположенная аналогичным образом, то есть каждая капля на угловом расстоянии 42,5° от линии, проходящей через солнце и глаз, сделает то же самое. Таким образом образуется круговая полоса красного света, которую можно рассматривать как границу основания конуса с вершиной в глазу наблюдателя. Из-за больших размеров солнца угловая ширина этой красной полосы составит полградуса. Из глаза наблюдателя проведем еще одну линию, образующую угол не 42,5°, а 40,5° с продолжением линии, проведенной от солнца. Вдоль этой другой линии дождевая капля на своем дальнем конце при ударе о нее солнечного луча пошлет в глаз фиолетовый свет. Все капли на том же угловом расстоянии поступят так же, и поэтому мы получим полосу фиолетового света той же ширины, что и красная полоса. Эти две полосы составляют предельные цвета радуги, а между ними лежат полосы, соответствующие остальным цветам. Таким образом, линия, проведенная из глаза к середине радуги, и линия, проведенная через глаз к солнцу, всегда образуют угол около 41°. Объяснить это было главной трудностью, которая оставалась неразрешенной до времен Декарта. Взявшись за перо и рассчитав с помощью закона Снелла траекторию каждого луча внутри дождевой капли, Декарт обнаружил, что под одним определенным углом лучи, отраженные от ее задней стенки, выходят из капли почти параллельно друг другу. Благодаря этому они могли сохранять свою интенсивность на больших расстояниях в атмосфере. Под всеми остальными углами лучи покидали каплю расходящимися, и из-за этого расхождения становились настолько ослабленными, что практически терялись для глаза. Угол параллельности, о котором здесь идет речь, составлял сорок один градус, что, как доказывали наблюдения, неизменно связано с радугой. Из сказанного очевидно, что два наблюдателя, стоящих рядом друг с другом или один над другим, более того, даже два глаза одного и того же наблюдателя не видят абсолютно одинаковую радугу. Положение основания конуса меняется вместе с положением его вершины. И здесь мы без труда ответим на часто задаваемый вопрос — а именно, видят ли когда-нибудь радугу отраженной в воде. Видя две радуги: одну на небе, другую в воде, вы можете быть склонны заключить, что первая относится ко второй так же, как дерево на берегу воды относится к своему отраженному изображению. Однако лучи, которые достигают глаза наблюдателя после отражения от воды и которые образуют радугу в воде, если бы их путь от ливня был непрерывным, сходились бы в точке, лежащей вертикально под наблюдателем и находящейся под уровнем воды на таком же расстоянии, на каком его глаз находится над ним. Но ни при каких обстоятельствах глаз, находящийся над уровнем воды, и глаз под ним не могут видеть одну и ту же радугу — иными словами, одни и те же капли дождя не могут формировать отраженную радугу и радугу, видимую непосредственно на небе. Следовательно, отраженная радуга не является, в обычном оптическом смысле этого слова, изображением радуги, видимой на небе. § 7. Анализ и синтез света. Учение о цветах. В радуге появилось новое явление — явление цвета. И здесь мы подходим к одному из тех моментов в истории науки, когда труды великих людей переплетаются настолько тесно, что трудно отвести каждому исследователю точно причитающуюся ему долю почестей. Декарт стоял на пороге открытия состава солнечного света; но именно за Ньютоном осталось формулирование истинного закона. Он действовал следующим образом: через закрытую оконную ставню комнаты он проделал отверстие и пропустил через него тонкий солнечный луч. Этот луч отпечатал круглое белое изображение солнца на противоположной стене комнаты. На пути этого луча Ньютон поместил призму, рассчитывая увидеть преломление луча, но также ожидая, что изображение солнца после преломления останется круглым. К его удивлению, оно вытянулось в изображение, длина которого в пять раз превосходила его ширину. Более того, оно перестало быть белым и разделилось на полосы разных цветов. Ньютон сразу понял, что солнечный свет является сложным, а не простым. Его вытянутое изображение открыло ему тот факт, что некоторые составляющие света отклоняются призмой сильнее других, и поэтому он заключил, что белый свет представляет собой смесь света разных цветов, обладающих разной степенью преломляемости. Давайте воспроизведем этот знаменитый эксперимент. На экране сейчас отпечатан светящийся диск, который может служить изображением солнца по Ньютону. Заставляя луч (из отверстия L, рис. 7), производящий этот диск, пройти через линзу (E), мы получаем четкое изображение отверстия. Помещая на пути луча призму (P), мы получаем цветное изображение Ньютона с его красным и фиолетовым концами, которое он назвал спектром. Ньютон разделил спектр на семь частей: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго, фиолетовый, которые обычно называют семью основными, или призматическими, цветами. Растягивание белого света в составляющие его цвета называется дисперсией. Fig. 7. Это был первый анализ солнечного света, выполненный Ньютоном; но научный разум любит верификацию и никогда не пренебрегает ею, когда это возможно. Ньютон завершил свое доказательство синтезом следующим образом: представленный перед вами спектр получен с помощью стеклянной призмы. Заставляя разложенный луч пройти через вторую аналогичную призму, но расположенную так, что цвета преломляются обратно и вновь смешиваются, мы восстанавливаем совершенно белый светящийся диск. Fig. 8. В этом случае преломление и дисперсия уничтожаются одновременно. Всегда ли это так? Можем ли мы получить одно без другого? Ньютон пришел к выводу, что не можем. Здесь он заблуждался, и его ошибка, которую он отстаивал до конца своей жизни, задержала прогресс оптических открытий. Впоследствии Доллонд доказал, что путем комбинации двух разных видов стекла цвета можно погасить, сохранив при этом остаточное преломление, и он использовал этот остаток при создании ахроматических линз — линз, не дающих цвета, что Ньютон считал невозможным. Установив водяную призму — воду, заключенную в клиновидный сосуд со стеклянными стенками (B, рис. 8), напротив стеклянного клина (справа от B), этот момент можно продемонстрировать перед вами. Сначала мы отмечаем на экране положение (пунктирное) не преломленного луча; затем получаем узкий водяной спектр (W); наконец, вводя призму из тяжелого стекла, преломляем луч назад до тех пор, пока цвет не исчезнет (в точке A). Изображение щели теперь белое; но хотя дисперсия уничтожена, остается весьма заметная доля преломления. Здесь уместно проиллюстрировать еще один момент, касающийся инструментальных средств, используемых в этих лекциях. Тела сильно отличаются друг от друга по своей способности к преломлению и дисперсии. Обратите внимание на положение водяного спектра на экране. Не изменяя никоим образом клиновидный сосуд, а просто заменив воду прозрачным сероуглеродом, вы заметите, насколько выше отбрасывается луч и насколько богаче игра цветов. Чтобы увеличить размер нашего спектра, мы используем здесь (в точке L) щель вместо круглого отверстия. Fig. 9. Синтез белого света может быть осуществлен тремя способами, каждый из которых заслуживает внимания: здесь, во-первых, мы имеем насыщенный спектр, полученный в результате разложения луча (из L, рис. 9). Одна граней призмы (P) защищена диафрагмой (не показанной на рисунке) с продольной щелью, через которую луч проходит в призму. Он выходит разложенным с другой стороны. Я пропускаю цвета через цилиндрическую линзу (C), которая сжимает их так, что на экране получается четко очерченное прямоугольное изображение продольной щели. В этом изображении цвета вновь смешиваются, и оно оказывается совершенно белым. Между призмой и цилиндрической линзой можно видеть цвета, прочерчивающие свой путь сквозь пыль в комнате. Срезая карточкой более преломляемую бахрому, мы видим прямоугольник красным: срезая менее преломляемую бахрому, видим прямоугольник синим. С помощью тонкой стеклянной призмы (W) я отклоняю одну часть цветов и оставляю остаточную часть. На экране теперь видны два цветных прямоугольника, полученных таким образом. Это дополнительные цвета — цвета, при соединении которых получается белый. Заметим, что при умелом обращении один из этих цветов становится желтым, а другой — синим. Я убираю тонкую призму; желтый и синий цвета немедленно смешиваются, и в результате их соединения мы получаем белый. Таким образом, по ходу дела мы устраняем заблуждение, впервые разоблаченное Вюншем, а впоследствии независимо от него — Гельмгольцем, согласно которому смешение синего и желтого цветов дает зеленый. Восстановив круглое отверстие, мы снова получаем спектр, подобный ньютоновскому. С помощью линзы мы можем собрать эти цвета и объединить их не в изображение отверстия, а в изображение самих угольных электродных точек. Наконец, с помощью вращающегося диска, на котором секторно распределены цвета спектра, мы смешиваем призматические цвета прямо в глазу и тем самым производим впечатление белизны. Разложив переплетенные составляющие белого света, мы должны затем спросить: какую роль позволяет этому агенту играть в природе обнаруженная таким образом конституция? Ему мы обязаны всеми явлениями цвета, и в то же время не ему одному; ибо между предельными частицами природных тел и белым светом должно существовать определенное отношение, позволяющее им извлекать из него роскошь цвета. Но функция природных тел здесь носит избирательный, а не созидательный характер. Никакое природное тело вообще не генерирует цвет. На природные тела проливается в солнечном белом свете вся сумма возможных цветов; и их действие ограничивается просеиванием этой суммы — присвоением или поглощением одних ее составляющих и отбором других. Это закрепит данную тему в вашем сознании, если я скажу, что именно та часть света, которую они отвергают, а не та, которую они присваивают или поглощают, придает телам их окраску. Начнем наши экспериментальные исследования здесь с вопроса: что означает чернота? Пропустим черную ленту сквозь цвета спектра; она гасит их все. Тем самым раскрывается значение черноты — она является результатом поглощения всех составляющих солнечного света. Пропустим красную ленту сквозь спектр. В красном свете лента имеет ярко-красный цвет. Почему? Потому что свет, попадающий на ленту, не гасится и не поглощается, а в значительной степени отражается обратно в глаз. Поместим ту же ленту в зеленую часть спектра; она станет черной как смоль. Она поглощает зеленый свет и превращает область, на которую падает этот свет, в зону кромешной тьмы. Поместим зеленую ленту в зеленую часть спектра. Она ярко сияет своим собственным цветом; перенесем ее в красный — она черна как смоль. Здесь она поглощает весь падающий на нее свет и представляет глазу сплошную темноту. Таким образом, при использовании белого света красный отсеивает его, гася зеленый, а зеленый отсеивает его, гася красный, и оба демонстрируют остаточный цвет. Процесс, посредством которого природные тела приобретают свою окраску, является поэтому отрицательным. Цвета производятся вычитанием, а не сложением. Это красное стекло является красным, потому что оно разрушает все более преломляемые лучи спектра. Эта синяя жидкость является синей, потому что она разрушает все менее преломляемые лучи. Обе вместе они непрозрачны, потому что свет, пропускаемый одной, гасится другой. Таким образом, путем соединения двух прозрачных веществ мы получаем комбинацию, столь же непрозрачную для солнечного света, как смола. Наконец, эта другая жидкость имеет пурпурный цвет, поскольку она разрушает зеленый и желтый и позволяет беспрепятственно проходить краевым цветам спектра. В результате смешения синего и красного получается этот великолепный пурпурный цвет. Еще один шаг ради точности. Свет, падающий на тело, делится на две части, одна из которых отражается от поверхности тела; и этот свет имеет тот же цвет, что и падающий. Если падающий свет белый, то и поверхностно отраженный свет также будет белым. Солнечный свет, например, отраженный от поверхности даже черного тела, является белым. Самый черный камфарный дым в темной комнате, сквозь который от отверстия в оконной ставне проходит солнечный луч, делает путь луча белым за счет света, рассеянного поверхностями частиц сажи. Луна предстает перед нами так, словно «Облачена в белый самит, мистический, чудесный;» но будь она покрыта самым черным бархатом, она все равно висела бы в небесах белым шаром, сияя над нашим миром в основном так же, как и сейчас. § 8. Цвета пигментов в отличие от цветов света. Вторая часть падающего света проникает внутрь тела, и от того, как тело с ней обходится, зависит его цвет. И здесь можно уделить минуту анализу воздействия пигментов на свет. Они состоят из мелких частиц, смешанных со связующим веществом; но сколь бы тесно ни были переплетены частицы, они все равно остаются частицами, разделенными, быть может, чрезвычайно малыми расстояниями, но все же разделенными. Используя научный термин, они не являются оптически непрерывными. Теперь везде, где нарушается оптическая непрерывность, мы наблюдаем отражение падающего света. Именно множество отражений на граничных поверхностях частиц мешает свету проходить через снег, толченое стекло или поваренную соль. Свет здесь исчерпывается в эхо-отражениях, а не гасится истинным поглощением. Именно такой тип отражения делает грозовое облако столь непроницаемым для света. Такое облако состоит из частиц воды, смешанных с частицами воздуха, каждое из которых по отдельности прозрачно, но практически непрозрачно при таком смешении. Таким образом, в случае пигментов свет отражается на граничных поверхностях частиц, но частично поглощается внутри частиц. Отражение необходимо для того, чтобы отправить свет обратно в глаз; поглощение необходимо для того, чтобы придать телу цвет. Те же замечания применимы и к цветам. Роза красная благодаря не свету, отраженному от ее поверхности, а свету, который проник в ее вещество, отразился от внутренних поверхностей и при возвращении через это вещество лишился своего зеленого цвета. Аналогичный процесс в случае жестких зеленых листьев уничтожает красный цвет и посылает зеленый свет из толщи листьев в глаз. Все тела, даже самые прозрачные, в большей или меньшей степени поглощают свет. Возьмем случай воды. Стеклянная кювета с чистой водой, помещенная на пути нашего луча, заметно не меняет ни один из цветов спектра. И все же поглощение, хотя и незаметное, здесь произошло, и чтобы сделать его заметным, нам достаточно лишь увеличить толщину слоя воды, сквозь который проходит свет. Вместо кюветы толщиной в один дюйм возьмем слой толщиной в десять или пятнадцать футов: цвет воды тогда становится весьма очевидным. Увеличивая толщину, мы поглощаем больше света, а сделав толщину очень большой, мы поглощаем свет полностью. Сажа или вар не могут сделать большего, и единственное различие в этом отношении между ними и водой заключается в том, что для них достаточно весьма небольшой толщины, чтобы погасить весь свет. Разница между наивысшей известной прозрачностью и наивысшей известной непрозрачностью носит исключительно количественный характер. Если мы сделаем воду достаточно глубокой, чтобы заглушить весь свет, и если из глубин воды в глаз не попадает никакой свет, мы получим условие, необходимое для создания черноты. Если смотреть на них должным образом сверху, в Атлантическом океане есть такие участки, которым едва ли можно приписать хоть следы цвета: в лучшем случае до глаза доходит оттенок темного индиго. Вода, по сути, практически черна, и это свидетельствует как о ее глубине, так и о чистоте. Но дело совершенно меняется, когда океан содержит твердые частицы в состоянии механической взвеси, способные отправлять падающий на них свет обратно в глаз. Бросьте, например, белый камешек или белую обеденную тарелку в самую черную атлантическую воду; по мере погружения он становится все зеленее и зеленее и перед тем как исчезнуть, приобретает ярко-сине-зеленый оттенок. Расколите такой камешек или тарелку на осколки, и они поведут себя подобно цельной массе: измельчите камешек в порошок, и каждая частица выдаст свою порцию зеленого цвета; и если частицы будут настолько мелкими, что останутся взвешенными в воде, рассеянный свет будет однородно зеленым. Отсюда зелень мелководья. Вы ложитесь спать в окружении черной воды Атлантики. Утром вы просыпаетесь, находите ее ярко-зеленой и справедливо делаете вывод, что пересекаете Большую Ньюфаундлендскую банкý. Такая вода оказывается наполненной мелкими веществами в состоянии механической взвеси. Свет со дна иногда может играть роль, но в нем нет необходимости. Подводная пена, создаваемая винтом или гребными колесами парохода, также излучает ярко-зеленый свет. Пена здесь служит отражающей поверхностью, а вода между глазом и ею — поглощающей средой. Ничто не может быть великолепнее зелени атлантических волн, когда обстоятельства благоприятствуют проявлению этого цвета. Пока волна остается неразрушенной, никакой цвет не появляется, но когда пена чуть загибается над гребнем подобно альпийскому снеговому карнизу, под карнизом мы часто видим игру изысканнейшего зеленого цвета. Его яркость носит металлический характер. Пена сначала освещается и рассеивает свет во всех направлениях; до глаза доходит лишь свет, прошедший сквозь верхнюю часть волны, и придает этой части ее несравненный цвет. Закручивание волны, создавая ряд продольных выступов и борозд, которые действуют подобно цилиндрическим линзам, вносит вариации в интенсивность света и существенно усиливает его красоту. Теперь мы готовы к дальнейшему рассмотрению вопроса, которого уже касались и относительно которого долгое время циркулировало заблуждение. Во многих книгах вы найдете утверждение, что смешение синего и желтого света дает зеленый. Но только что было доказано, что синий и желтый являются дополнительными цветами, при смешении дающими белый. Смешение синих и желтых пигментов несомненно дает зеленый цвет, но смешение пигментов — это совершенно не то же самое, что смешение световых лучей. Гельмгольц раскрыл причину появления зеленого цвета при смешивании синего и желтого пигментов. Ни один природный цвет не является чистым. Синяя жидкость или синий порошок пропускают сквозь себя не только синий цвет, но и часть соседнего зеленого. Желтый порошок прозрачен не только для желтого света, но также отчасти и для соседнего зеленого. Теперь, когда синий и желтый смешиваются вместе, синий отсекает желтый, оранжевый и красный; желтый же, с другой стороны, отсекает фиолетовый, индиго и синий. Зеленый — это единственный цвет, для которого оба они прозрачны, и следствием этого является то, что при падении белого света на смесь желтого и синего порошков в глаз возвращается только зеленый цвет. Вы уже видели, что аммиачно-медный купорос прекрасного синего цвета пропускает большую часть зеленого света, в то время как отсекает весь менее преломляемый свет. Желтый раствор пикриновой кислоты также пропускает зеленый свет, но гасит весь более преломляемый свет. Что должно произойти, когда мы пропускаем луч сквозь обе жидкости? Экспериментальный ответ на этот вопрос сейчас перед вами: на экране остается только зеленая полоса спектра. Нечистота природных цветов ярко иллюстрируется наблюдением, о котором мне недавно сообщил мистер Вудбери. Глядя через синее стекло на зеленые листья при солнечном свете, он увидел поверхностно отраженный свет синим. Свет же, исходивший из толщи листьев, напротив, был малиновым. При исследовании я обнаружил, что стекло, использованное в этом наблюдении, пропускало оба конца спектра — как красный, так и синий, — и гасило среднюю часть. Это дало простое объяснение эффекту. В нежной весенней листве синяя составляющая солнечного света по большей части поглощается, а из листа в глаз выходит свет, главным образом желтовато-зеленый, но содержащий значительное количество красного. При взгляде на такую листву через фиолетовое стекло зеленый и желтый цвета задерживаются, и до глаза доходит только красный. Таким образом, при таком рассмотрении листья выглядят как слабо розовеющие розы и производят очень красивое впечатление. С синим аммиачно-медным купоросом, который не пропускает красный цвет, этот эффект не достигается. По мере развития года малиновый цвет постепенно переходит в медно-красный; а в темно-зеленых листьях старого плюща он почти отсутствует. Если позволить пучку белого света падать на свежие листья в темной комнате, то внезапное изменение зеленого цвета на красный и красного обратно на зеленый при попеременном введении и удалении фиолетового стекла оказывается весьма поразительным. При взгляде через то же стекло луга в мае кажутся теплого пурпурного цвета. С раствором перманганата калия, который, гася центр спектра, пропускает его концы свободнее, чем фиолетовое стекло, также достигаются превосходные эффекты. Этот вопрос поглощения, рассматриваемый в отношении его молекулярного механизма, является одним из самых тонких и трудных в физике. Мы еще не готовы взяться за него, но сделаем это вскоре. Тем временем мы можем с пользой оглянуться назад на сеть связей, которые открывают нам эти эксперименты. Во-первых, мы имеем в солнечном свете чрезвычайно сложный агент, состоящий из бесчисленных составляющих, преломляемых в различной степени. Во-вторых, мы находим атомы и молекулы тел, наделенные способностью самым разнообразным образом просеивать солнечный свет и порождать благодаря этому просеиванию цвета, наблюдаемые в природе и искусстве. Чтобы сделать это, они должны обладать молекулярной структурой, соразмерной по своей сложности со сложностью самого света. В-третьих, у нас есть человеческий глаз и мозг, организованные так, чтобы воспринимать и различать множество порождаемых таким образом впечатлений. Следовательно, свет на отправной точке сложен; чтобы просеивать и отбирать его так, как они это делают, природные тела должны быть сложными; в то время как для восприятия порожденных таким образом впечатлений человеческий глаз и мозг, как бы мы ни упрощали наши представления об их работе, должны быть исключительно сложными. Откуда эта тройная сложность? Если бы единственной преследуемой целью были так называемые материальные нужды, было бы достаточно гораздо более простого механизма. Но вместо простоты мы наблюдаем изобилие связей и приспособлений — и это, по-видимому, с единственной целью: дать нам возможность видеть вещи, облаченные в великолепие цвета. Не кажется ли это свидетельством того, что природа вынашивала намерение приучить нас к наслаждениям иного рода, нежели те, что проистекают от еды и питья? Во всяком случае, что бы ни подразумевала природа — а было бы просто самонадеянностью догматизировать о том, что именно она подразумевала, — мы обнаруживаем себя здесь, как результат ее деятельности, одаренными не только способностями наслаждаться материально полезным, но и другими способностями неопределенного диапазона и применения, которые имеют дело исключительно с прекрасным и истинным. ЛЕКЦИЯ II. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ МАСШТАБ ВООБРАЖЕНИЯ НЬЮТОН И КОРПУСКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ ПРОВЕРКА ФИЗИЧЕСКИХ ТЕОРИЙ СВЕТОНОСНЫЙ ЭФИР ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА ТОМАС ЮНГ ФРЕНЕЛЬ И АРАГО ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ВОЛНОВОМ ДВИЖЕНИИ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН СТРОЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН АНАЛОГИИ ЗВУКА И СВЕТА ИЛЛЮСТРАЦИИ ВОЛНОВОГО ДВИЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН ОПТИЧЕСКИЕ ИЛЛЮСТРАЦИИ ВЫСОТА ТОНА И ЦВЕТ ДЛИНЫ СВЕТОВЫХ ВОЛН И СКОРОСТИ КОЛЕБАНИЙ ЧАСТИЦ ЭФИРА ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА ЯВЛЕНИЯ, ВПЕРВЫЕ НАВЕЯВШИЕ ВОЛНОВУЮ ТЕОРИЮ БОЙЛЬ И ГУК ЦВЕТА ТОНКИХ ПЛАСТИНОК МЫЛЬНЫЙ ПУЗЫРЬ КОЛЬЦА НЬЮТОНА ТЕОРИЯ «ПРИСТУПОВ» ЕЕ ОБЪЯСНЕНИЕ КОЛЕЦ КРУШЕНИЕ ТЕОРИИ ДИФРАКЦИЯ СВЕТА ЦВЕТА, ПРОИЗВОДИМЫЕ ДИФРАКЦИЕЙ ЦВЕТА ПЕРЛАМУТРА § 1. Происхождение и масштаб физических теорий. Мы могли бы до бесконечности варьировать и расширять наши эксперименты со светом, и они наверняка доказали бы наше удивительное владение этими явлениями. Но таким образом обнаружилась бы лишь внешняя оболочка агента, а не сам агент. Человеческий ум, однако, устроен так, что он никогда не может остаться удовлетворенным этим поверхностным взглядом на природные вещи. Яркость и свежесть овладевают разумом, когда его пересекает свет принципов, показывающих, что факты природы связаны органически. Давайте же спросим себя, что это за сущность, которую мы порождали, отражали, преломляли и анализировали. Делая это, мы узнаем, что жизнь экспериментатора двояка. В своей профессиональной деятельности он живет чувственной жизнью, используя в экспериментах свои руки, глаза и уши; но такой вопрос, как тот, что стоит перед нами сейчас, выводит его за пределы чувственного восприятия. Он не может рассмотреть вопрос «Что такое свет?», тем более ответить на него, не перенесясь в мир, который лежит в основе чувственного мира и из которого проистекают все оптические явления. Чтобы осознать этот недоступный чувствам мир, разум должен обладать определенной образной способностью. Он должен уметь формировать четкие образы вещей, которые содержит этот мир, и утверждать, что если в недоступном чувствам мире существует такое-то состояние вещей, то явления мира чувственного с неизбежностью должны проистекать из этого состояния вещей. Так формируются физические теории, истинность которых выводится из их способности объяснять известное и предсказывать неизвестное. Это понимание физической теории подразумевает, как вы видите, упражнение воображения — слова, которое кажется способным вызывать дискомфорт у многих почтенных людей как в рядах науки, так и за ее пределами. То, что люди в научных кругах испытывают подобное чувство, является, на мой взгляд, доказательством того, что они позволили ввести себя в заблуждение общепринятым определением великой способности, вместо того чтобы наблюдать за ее проявлением в собственном разуме. Без воображения мы не можем сделать ни шага за пределы чисто животного мира, быть может, даже не дойти до его края. Но, говоря так об воображении, я имею в виду не буйную силу, которая капризно обращается с фактами, а упорядоченную и дисциплинированную способность, единственная функция которой — формировать такие концепции, которых настоятельно требует интеллект. Воображение, используемое таким образом, никогда по-настоящему не отрывается от мира фактов. Это склад, откуда черпаются его материалы; и магия его искусства заключается не в создании вещей заново, а в таком изменении величины, положения, группировки и других отношений чувственных вещей, при котором они становятся пригодными для нужд интеллекта в недоступном чувствам мире. Декарт воображал пространство заполненным неким веществом, которое передает свет мгновенно. Во-первых, потому что, по его опыту, не было известно никакого измеримого интервала между появлением вспышки света, сколь бы далекой она ни была, и ее воздействием на сознание; и во-вторых, потому что, насколько простирался его опыт, никакая физическая сила не передается из одного места в другое без посредника. Но его воображение подкреплялось иллюстрациями, взятыми из мира фактов. «Когда, — говорит он, — человек идет в темноте с палкой в руке, в тот момент, когда ее дальний конец ударяет о препятствие, рука чувствует это. Это объясняет то, что в противном случае могло бы показаться странным: свет доходит до нас от солнца мгновенно. Я хочу, чтобы вы верили, что свет в телах, которые мы называем светящимися, есть не что иное, как очень быстрое и сильное движение, которое посредством воздуха и других прозрачных сред передается в глаз точно так же, как толчок через трость доходит до руки слепого человека. Это происходит мгновенно, и было бы так даже в том случае, если бы промежуточное расстояние было больше расстояния между землей и небесами. Поэтому нет никакой необходимости в том, чтобы что-то материальное достигало глаза от светящегося объекта, точно так же как нет необходимости в том, чтобы что-то посылалось от земли к руке слепого человека, когда он ощущает толчок своей палки». Знаменитый Роберт Гук сначала выразил сомнение по поводу этого представления Декарта, но впоследствии по существу поддержал его. Вера в мгновенную передачу была разрушена открытием Рёмера, о котором упоминалось в нашей прошлой лекции. § 2. Корпускулярная теория света. Случай Ньютона еще более убедительно иллюстрирует положение о том, что при построении физических теорий мы черпаем материалы из мира фактов. Прежде чем начать работу со светом, он был детально знаком с законами упругого соударения, которые каждый из вас в большей или меньшей степени наблюдал на бильярдном столе. Что касается столкновения упругих масс, воспринимаемых чувствами, Ньютону было известно, что угол падения равен углу отражения, и он также знал, что эксперимент, показанный в нашей прошлой лекции (рис. 3), установил тот же закон и в отношении света. Таким образом, он нашел в своем прежнем знании материал для теоретических образов. Ему оставалось лишь изменить масштаб уже имевшихся в его сознании концепций, чтобы прийти к корпускулярной теории света. Ньютон предполагал, что свет состоит из упругих частиц невообразимой миниатюрности, которые выбрасываются светящимися телами с невообразимой быстротой. Оптическое отражение происходило именно так, как если бы свет состоял из таких частиц, и это было оправданием Ньютона для их введения. Но это еще не все. В другом важном отношении представления Ньютона о природе света также находились под влиянием его предшествующих знаний. Он размышлял над явлениями гравитации и освоился с действиями этой универсальной силы. Возможно, его разум в то время был слишком свежо и глубоко пропитан этими представлениями, чтобы позволить ему вынести непредвзятое суждение о природе света. Как бы то ни было, Ньютон видел в преломлении результат действия силы притяжения, приложенной к световым частицам. Он проводил свою концепцию с суисцидальной строгостью. Падая отвесно вниз к поверхности земли, тело ускоряет свое движение по мере приближения к ней. Падая отвесно к горизонтальной поверхности — скажем, из воздуха на стекло или воду, — скорость световых частиц, когда они подходят близко к поверхности, согласно Ньютону, также возрастает. Приближаясь к такой поверхности наклонно, он предполагал, что частицы при приближении к ней притягиваются к ней вниз, подобно тому как снаряд отклоняется силой тяжести к поверхности земли. Это отклонение было, по мнению Ньютона, преломлением, увиденным в нашей прошлой лекции (рис. 4). Наконец, предполагалось, что различия в цвете могут быть обусловлены различиями в «величине» частиц. Такова была физическая теория света, сформулированная и защищаемая Ньютоном; и вы заметите, что она представляет собой просто перенос представлений, родившихся в мире чувств, в мир, недоступный чувствам. Но хотя область физической теории лежит таким образом позади мира чувств, проверки теории происходят именно в этом мире. Положив теоретическую концепцию в основу дела, мы путем дедукции определяем, каковы те явления, которые с неизбежности должны вырасти из этого корня. Если полученные путем такой дедукции явления согласуются с явлениями реального мира, это служит доводом в пользу теории. Если по мере появления новых классов явлений обнаруживается, что они также гармонируют с теоретической дедукцией, этот довод становится еще сильнее. Если, наконец, теория дарует исследователю пророческое видение, позволяя ему предсказывать появление явлений, которые еще никогда не наблюдались, и если эти предсказания на практике оказываются абсолютно верными, уверенность в истинности теории становится непреодолимой. Таким образом, двигаясь назад от ограниченного числа явлений, человеческий разум благодаря собственной экспансивной силе приходит к концепции, которая охватывает их все. Нет более удивительного достижения интеллекта, чем это; но мы не можем дать ему никакого объяснения. Подобно библейскому дару Духа, никто не может сказать, откуда оно приходит. Переход от факта к принципу бывает то медленным, то быстрым, и всегда служит источником интеллектуальной радости. Когда он происходит быстро, удовольствие концентрируется и становится своего рода экстазом или опьянением. Для любого, кто испытал это удовольствие пусть даже в умеренной степени, становится понятным поступок Архимеда, который выскочил из ванны и бежал голым по улицам Сиракуз с криком «Эврика!». Как же обстояло дело с корпускулярной теорией, когда выводимые из нее следствия сталкивались лицом к лицу с природными явлениями? Проверенная экспериментом, она оказалась способной объяснить множество фактов, и ее автор с превосходной изобретательностью пытался заставить ее объяснить все. Он преуспел настолько, что среди его последователей оказались столь знаменитые люди, как Лаплас и Малюс, дожившие до 1812 года, а также Био и Брюстер, дожившие до нашего времени. § 3. Волновая теория света. И все же даже на раннем этапе существования корпускулярной теории нашлось один-два великих человека, которые приняли другую. Они служат еще одной иллюстрацией закона, согласно которому при построении теорий научное воображение должно черпать материалы из мира фактов и опыта. Давно было известно, что звук передается в воздухе волнами или импульсами; и как только эта истина прочно укоренилась в уме, она стала основой теоретической концепции. Предполагалось, что свет, подобно звуку, также может быть продуктом волнового движения. Но что в таком случае могло быть материалом, образующим волны? Для звуковых волн у нас есть воздух нашей атмосферы, но полет воображения, заполнивший все пространство светоносным эфиром, трепещущим от световых волн, был столь смел, что шокировал осторожные умы. В одной из моих последних бесед с сэром Дэвидом Брюстером он сказал мне, что его главным возражением против волновой теории света было то, что он не мог помыслить Творца способным на столь неуклюжее изобретение, как заполнение пространства эфиром для производства света. Это, надо сказать, весьма зыкрая почва, и претензия науки к сэру Дэвиду, в этом пункте, как и к многим достопочтенным лицам в других пунктах, заключается в том, что они претендуют на слишком глубокое знание разума Творца. Эта концепция эфира отстаивалась и успешно применялась к различным оптическим явлениям прославленным астрономом Гюйгенсом. Он вывел из нее законы отражения и преломления и применил ее для объяснения двойного лучепреломления исландского шпата. Эту теорию поддерживал и защищал знаменитый математик Эйлер. Однако им противостоял Ньютон, чей авторитет в то время подавлял их. Или скажем ли мы, что дело было лишь в авторитете? Не совсем так. Перевес Ньютона отчасти объяснялся тем фактом, что, хотя Гюйгенс и Эйлер в основном были правы, у них не было достаточных данных, чтобы доказать свою правоту. Никакой человеческий авторитет, сколь бы высок он ни был, не может устоять против голоса природы, говорящей через эксперимент. Но голос природы может оказаться неуверенным из-за скудости данных. Так обстоят дела в эпоху, о которой идет речь, и в такую эпоху под авторитетом Ньютона все противники естественным образом были повергнуты. Шествие разума носит ритмичный, а не равномерный характер, и эта великая корпускулярная теория, которая так долго держала свои позиции, напоминала один из тех кругов, которые, согласно вашему соотечественнику Эмерсону, прерывистая сила гения периодически очерчивает вокруг интеллектуальной деятельности, но которые в конечном счете прорываются под напором изнутри. В 1773 году в Милвертоне, в Сомерсетшире, родился разрушитель кругов такого рода. Он получил медицинское образование, но был слишком силен, чтобы быть привязанным к профессиональной рутине. Он посвятил себя изучению естественной философии и стал мастером во всех ее областях. Он также был мастером словесности. В его мозгу умещались языки, древние и современные, и, выражаясь словами его эпитафии, «он первым проник в темноту, веками скрывавшую иероглифы Египта». Этому человеку выпала доля открыть в оптике такие факты, объяснить которые теория Ньютона была неспособна, и его разум блуждал в поисках достаточной теории. Он ознакомился со всеми явлениями волнового движения, со всеми явлениями звука, успешно работая в этой области как самостоятельный первооткрыватель. Будучи столь информирован и дисциплинирован, он был готов обнаружить любое сходство, которое могло бы проявиться между явлениями света и явлениями волнового движения. Такие сходства он действительно обнаружил; и, подгоняемый этим открытием, он продолжал свои спекуляции и эксперименты, пока наконец не преуспел в том, чтобы поставить Волновую теорию света на непоколебимое основание. Основателем этой великой теории был Томас Юнг — имя, возможно, незнакомое многим из вас, но которое должно быть знакомо каждому. Позвольте мне поэтому с помощью некоего геометрического построения, которое я однажды рискнул применить в Лондоне, дать вам представление о масштабе этого человека. Пусть Ньютон стоит во весь рост в свою эпоху, а Юнг — в свою. Проведем прямую линию от Ньютона к Юнгу, касательную к головам обоих. Эта линия будет наклонена вниз от Ньютона к Юнгу, потому что Ньютон был несомненно выше ростом. Но уклон не будет крутым, так как разница в росте не была чрезмерной. Эта линия образует то, что инженеры называют пологим уклоном от Ньютона к Юнгу. Поместите под этой линией самого крупного человека, родившегося в промежутке между ними. Можно сомневаться, дотянется ли он до этой линии; ибо если бы дотянулся, то был бы выше Юнга интеллектуально, а выше него, пожалуй, не было никого. Но я не хочу, чтобы вы опирались лишь на английские оценки Юнга; немец Гельмгольц, родственный ему по духу гений, отзывается о нем так: «Его ум был одним из самых глубоких, когда-либо встречавшихся миру; но он имел несчастье опередить свое время. Он вызывал изумление современников, которые, однако, не смогли следовать за ним на те высоты, куда привык взмывать его дерзновенный интеллект. Его важнейшие идеи поэтому лежали погребенными и забытыми в фолиантах Королевского общества, пока новое поколение постепенно и с мучениями не совершило те же открытия и не доказало точность его утверждений и истинность его демонстраций». Совершенно верно, как говорит Гельмгольц, Юнг опередил свое время; однако следует добавить нечто, иллюстрирующее ответственность наших публицистов. В течение двадцати лет этот гениальный человек был заглушен — скрыт от проницательного интеллекта своих соотечественников, — по сути, считался фантазером из-за едкого сарказма писателя, который тогда владел умами общественности и в журнале Edinburgh Review высмеивал Юнга и его спекулятивные построения. Восстановлением своих прав он был обязан прежде всего знаменитым французам Френелю и Араго; ибо они, особенно Френель, независимо заново открыли и в высшей степени расширили его открытия. Для изучающих его труды Юнг уже давно предстал в своем истинном свете, но эти двадцать потерянных лет вытеснили его из общественной сокровищницы умов, которая со временем заполнилась славой коллеги Юнга по Королевскому институту Дэви, а впоследствии — славой Фарадея. Карлейль ссылается на замечание Новалиса о том, что уверенность человека в себе невероятно возрастает в тот момент, когда он обнаруживает, что другие верят в него. Если верно обратное замечание — если факт публичного неверия ослабляет силы человека, — невозможно вычислить масштаб ущерба, который эти двадцать лет пренебрежения могли нанести производительности Юнга как исследователя. Остается добавить, что его нападающим был мистер Генри Брум, впоследствии лорд-канцлер Англии. § 4. Волновая движение, интерференция волн, «водоворотные пороги» Ниагары. Наша самая трудная работа еще впереди. Но способность к тяжелому труду в значительной мере зависит от предварительного сосредоточения воли; поэтому я призвал бы вас собраться с духом для грядущих трудов. В древнейших письменных источниках античности мы находим представление о том, что звук переносится воздухом. Аристотель высказывает это мнение, а великий архитектор Витрувий сравнивает звуковые волны с волнами на воде. Но истинный механизм волнового движения был скрыт от древних и, по сути, не прояснялся вплоть до времен Ньютона. Главная трудность предмета заключалась в том, чтобы разграничить движение самой волны и движение частиц, которые в любой момент времени составляют волну. Встаньте на морском берегу и наблюдайте за приближающимися валами до того, как они исказятся от трения о дно. У каждой волны есть передняя и задняя стороны, и, если вы ясно представите себе образ движущейся волны, вы увидите, что каждая частица воды вдоль передней стороны волны находится в процессе подъема, в то время как каждая частица вдоль ее задней стороны находится в процессе опускания. Частицы спереди последовательно достигают гребня волны, и как только гребень проходит, они начинают падать. Затем они достигают подошвы, или синуса, волны и не могут опускаться дальше. Сразу после этого они становятся передней стороной следующей волны, снова поднимаются до достижения гребня, а затем опускаются, как и прежде. Таким образом, пока волны движутся вперед по горизонтали, отдельные частицы просто поднимаются и опускаются по вертикали. Понаблюдайте за морской птицей или, если вы пловец, отдайтесь во власть волн: вы не продвигаетесь вперед, а просто качаетесь вверх и вниз. Распространение волны есть распространение формы, а не перенос вещества, составляющего волну. Длина волны представляет собой расстояние от гребня до гребня, в то время как расстояние, на которое колеблются отдельные частицы, называется амплитудой колебания. Вы заметите, что в этом описании частицы воды заставлены вибрировать поперек линии распространения. [10] И теперь нам предстоит сделать шаг вперед, и это самый важный шаг из всех. Вы можете вообразить две серии волн, идущих из разных источников через одну и ту же воду. Когда, например, вы бросаете два камня в стоячую воду, кольцевые волны, идущие от двух центров возмущения, пересекают друг друга. И теперь, сколь бы многочисленными ни были эти волны, действует закон, согласно которому движение каждой частицы воды представляет собой алгебраическую сумму всех воздействующих на нее движений. Если гребень совпадает с гребнем, а подошва с подошвой, волна поднимается на двойную высоту над своей подошвой; если подошва совпадает с гребнем, движения находятся в противофазе, и их сумма равна нулю. Тогда мы получаем стоячую воду. Это воздействие волны на волну технически называется интерференчией — термин, который следует запомнить. Fig. 10. Взгляду человека, знакомого с этими принципами, ничто не может быть интереснее пересечения водяной ряби. Вследствие их интерференции поверхность воды иногда рассыпается на прекраснейшую мозаику, ритмично трепещущую, словно от некой видимой музыки. Когда волны искусно порождаются в блюде с ртутью, сильный свет, брошенный на блестящую поверхность и отраженный на экран, обнаруживает движения жидкого металла. Форма сосуда определяет формы получающихся фигур. Например, в круглом блюде возмущение в центре распространяется в виде серии круглых волн, которые после отражения снова сходятся в центре. Если точка возмущения находится на некотором удалении от центра, интерференция прямых и отраженных волн создает великолепный узор, показанный на прилагаемом рисунке. [11] Свет, отраженный от такой поверхности, дает узор необычайной красоты. Когда ртуть слегка ударяется кончиком иглы в направлении, концентричном поверхности сосуда, линии света бегут по запутанным спиралям, удивительным образом сплетаясь и расплетаясь. Когда сосуд квадратный, в результате пересечения прямых и отраженных волн получается великолепный клетчатый узор. Таким образом, в случае волнового движения самые обычные причины порождают самые изысканные эффекты. Слова Эмерсона здесь применимы в полной мере: 'Thou can'st not wave thy staff in the air, Or dip thy paddle in the lake, But it carves the brow of beauty there. And the ripples in rhymes the oars forsake.' Самая впечатляющая иллюстрация действия волн на волны из всех, что я когда-либо видел, происходит близ Ниагары. На протяжении примерно двух миль ниже водопада река Ниагара течет спокойно через выточенное в скалах ущелье. Впоследствии русло сужается, и вода ускоряет свое движение. В месте, называемом «водоворотными порогами», я оценил ширину реки в 300 футов — оценка, подтвержденная местными жителями. Если вспомнить, что сток почти половины континента сжат в это пространство, можно вообразить стремительность прорыва реки через это ущелье. Здесь явно действуют два вида движения — поступательное движение и волновое движение: бег реки через ее ущелье и великие волны, порожденные ее столклением с препятствиями на пути. Посреди потока бег и метания наиболее бурные; во всяком случае, именно здесь с наибольшей поразительной силой проявляется стремительная мощь отдельных волн. Обширные пирамидальные массы непрестанно выпрыгивают из реки, некоторые из них с такой энергией, что выбрасывают свои вершины в воздух, где они висят, подвешенные в виде пучков жидких жемчужин, которые при солнечном освещении обладают неописуемой красотой. Первое впечатление и, по сути, общепринятое объяснение этих порогов заключается в том, что центральное русло реки загромождено крупными валунами, и что толкотня, метания и дикие прыжки вод там объясняются ее ударами об эти препятствия. Совсем другое объяснение пришло мне в голову на месте. Валуны, происходящие из прилегающих утесов, зримо загромождают берега реки. О них вода поднимается и опускается ритмично, но яростно, порождая таким образом крупные волны. При зарождении каждой волны происходит немедленное сложение волнового движения с речным. Гряды, которые в стоячей воде распространялись бы по круговым кривым вокруг центра возмущения, пересекают реку по косой, и в результате в центре смешиваются волны, которые на самом деле были порождены у берегов. Это пересечение волн можно наблюдать в небольшом масштабе в любом желобе после дождя; его можно увидеть также при простом выливании воды из кувшина с широким носиком. Там, где гребень и подошва пересекают друг друга, волна аннулируется; там, где пересекаются подошва и подошва, река вспахивается на большую глубину; а там, где гребень и гребень помогают друг другу, мы наблюдаем тот поразительный прыжок воды, который разрывает сцепление гребней ибрасывает их разбитыми в воздух. Наблюдаемые на водоворотных порогах явления представляют собой, по сути, одну из грандиознейших иллюстраций принципа интерференции. § 5. Аналогии звука и света. Фундаментальное открытие Томаса Юнга в оптике заключалось в том, что принцип интерференции применим к свету. Задолго до него итальянский философ Гримальди утверждал, что при определенных обстоятельствах два тонких пучка света, каждый из которых, действуя по отдельности, производил светящееся пятно на белой стене, при совместном действии частично гасили друг друга и затемняли пятно. Это было утверждение фундаментальной значимости, но оно потребовало открытий и гения Юнга, чтобы обрести смысл. Как он это сделал, постепенно станет вам понятно. Вы знаете, что воздух сжимаем: что под давлением он может становиться более плотным, а при расширении — более разреженным. Надлежащим образом приведенный в движение камертон звучит теперь так, что это слышно всем вам, и большинство из вас знает, что воздух, сквозь который проходит звук, разбит на пространства, в которых воздух сгущен, сменяющиеся другими пространствами, в которых воздух разрежен. Эти сгущения и разрежения составляют то, что мы называем звуковыми волнами. Вы можете вообразить воздух комнаты, пересекаемый серией таких волн, и вы можете вообразить вторую серию, пущенную через тот же воздух и находящуюся в таком отношении к первой, при котором сгущение совпадает со сгущением, а разрежение — с разрежением. Следствием этого совпадения был бы более громкий звук, чем тот, который производит любая из систем волн, взятая в отдельности. Но вы можете вообразить и такое положение дел, при котором сгущения одной системы приходятся на разрежения другой системы. В этом случае (при прочих равных условиях) обе системы полностью нейтрализуют друг друга. Каждая из них, взятая в отдельности, производит звук; обе вместе не производят никакого звука. Таким образом, добавляя звук к звуку, мы производим тишину, подобно тому как Гримальди в своем эксперименте произвел темноту, добавляя свет к свету. Своими плодотворными и глубокими исследованиями звука Юнг подошел к изучению света. Он наполнил смыслом наблюдение Гримальди и чрезвычайно расширил его. С блестящим успехом он применил волновую теорию к объяснению цветов тонких пленок и цветов полосчатых поверхностей. Он открыл и объяснил классы цветов, которые ранее оставались незамеченными или неизвестными. На допущении, что свет является волновым движением, объяснялись все его эксперименты по интерференции; на допущении, что свет состоит из летящих частиц, не объяснялось ничего. Во времена Гюйгенса и Эйлера для передачи световых волн предполагалось существование среды; однако Ньютон возражал, что если бы свет состоял из волн такой среды, тени не могли бы существовать. Волны, утверждал он, огибали бы непрозрачные тела и создавали бы движение света позади них, подобно тому как звук обходит угол или как волны воды омывают скалу. Было доказано, что упомянутое Ньютоном огибание действительно происходит, но что изогнутые волны уничтожают друг друга посредством взаимной интерференции. Юнг также выявил принципиальное различие между световыми волнами и звуковыми волнами. Если бы вы могли видеть воздух, через который проходят звуковые волны, вы бы заметили, как каждая отдельная частица воздуха колеблется туда-сюда в направлении распространения. Если бы вы могли видеть светоносный эфир, вы также обнаружили бы, что каждая отдельная частица совершает небольшое движение туда-сюда, но здесь движение, подобное приписанному вышеупомянутым водяным частицам, происходило бы поперек линии распространения. Вибрации воздуха продольные, а вибрации эфира поперечные. Самая привычная иллюстрация интерференции звуковых волн обеспечивается биениями, производимыми двумя музыкальными звуками, слегка расстроенными относительно друг друга. Когда два камертона в идеальном унисоне приводятся в движение вместе, оба звука сливаются без шероховатости, словно они составляют единое целое. Но, прикрепив с помощью воска к одному из камертонов небольшой грузик, мы заставляем его вибрировать медленнее, чем его сосед. Предположим, что один из них совершает 101 вибрацию за время, необходимое другому для совершения 100, и предположим, что при старте сгущения и разрежения обоих камертонов совпадают. При 101-й вибрации более быстрого камертона они снова совпадут, поскольку этот камертон к данному моменту опередит другой на одну целую вибрацию, или на одну целую длину волны. Но небольшое размышление прояснит, что при 50-й вибрации один камертон стремится произвести сгущение там, где другой стремится произвести разрежение; следовательно, совместным действием двух камертонов звук гасится, и мы получаем паузу тишины. Это происходит там, где один камертон опередил другой на половину длины волны. При 101-й вибрации, как уже говорилось, происходит совпадение и, следовательно, усиленный звук; при 150-й вибрации мы снова имеем затухание звука. Здесь один камертон опережает другой на три полуволны. В общих выражениях, волны способствуют друг другу, когда одна серия опережает другую на четное число полуволновых длин, и уничтожают друг друга, когда одна серия опережает другую на нечетное число полуволновых длин. С двумя находящимися в таких условиях камертонами мы получаем те прерывистые звуковые удары, разделенные паузами тишины, которым мы даем название биений. Более того, при подходящем расположении можно сделать так, чтобы один звук полностью заглушал другой. Например, вдоль четырех четких линий вибрации двух зубцов камертона полностью уничтожают друг друга. [12] Высота звука полностью определяется скоростью вибрации, а интенсивность — амплитудой. То, чем высота звука является для уха в акустике, цвет является для глаза в волновой теории света. Хотя они никогда не были зрительно увидены, длины световых волн были определены. Их существование доказывается их эффектами, и из их эффектов также могут быть точно выведены их длины. Более того, это может быть сделано многими способами, и при сравнении различных определений обнаруживается строжайшая гармония между ними. Этот консенсус свидетельств является одним из сильнейших аргументов в пользу волновой теории. Самые короткие волны видимого спектра — это волны крайнего фиолетового цвета; самые длинные — волны крайнего красного цвета, в то время как остальные цвета имеют промежуточную высоту или длину волны. Длина волны крайнего красного цвета такова, что потребовалось бы 39 000 таких волн, положенных в ряд одна за другой, чтобы покрыть один дюйм, в то время как для покрытия того же расстояния потребовалось бы 64 631 волн крайнего фиолетового цвета. Теперь скорость света в круглых числах составляет 186 000 миль в секунду. Переведя это в дюймы и умножив полученное число на 39 000, мы находим число волн крайнего красного цвета в 186 000 милях, равное четыремстам шестидесяти миллиардам миллионов. Все эти волны входят в глаз и ударяют по сетчатке на задней стенке глаза за одну секунду. Подобным же образом можно обнаружить, что число ударов, соответствующих впечатлению фиолетового цвета, составляет шестьсот семьдесят восемь миллиардов миллионов. Все пространство заполнено материей, колеблющейся с такими скоростями. От каждой звезды волны этих размеров движутся со скоростью света, подобно сферическим оболочкам во всех направлениях. И в эфире, точно так же как и в воде, движение каждой частицы представляет собой алгебраическую сумму всех отдельных движений, переданных ей. Одно движение не стирает другое; или, если в какой-то точке происходит затухание, оно строго компенсируется усиленным движением в какой-то другой точке. Каждая звезда своим светом заявляет о своей невредимой индивидуальности, так словно бы только она одна послала свои трепетные импульсы сквозь пространство. § 6. Интерференция света. Fig. 11. Принцип интерференции, как только что было сказано, применим к световым волнам точно так же, как и к волнам воды и звуковым волнам. И условия интерференции одинаковы во всех трех случаях. Если две серии световых волн одинаковой длины начинают движение в один и тот же момент из общего источника (скажем, А, рис. 11), гребень совпадает с гребнем, синус с синусом, и обе системы сливаются в единую систему (A m n) двойной амплитуды. Если обе серии начинают движение в один и тот же момент, причем одна из них при старте опережает другую на целую длину волны, они также складываются вместе, и мы имеем усиленный световой эффект. То же самое происходит, когда одна система волн опережает другую на любое четное число полуволн. Но если одна система опережает другую на половину длины волны (как в A' a', рис. 12) или на любое нечетное число полуволн, то гребни одной падают на синусы другой; одна система, по сути, стремится приподнять частицы эфира в тех самых точках, где другая стремится их опустить; следовательно, благодаря совместному действию этих противодействующих сил (обозначенных стрелками) световой эфир остается совершенно неподвижным. Эта неподвижность эфира есть то, что мы называем темнотой, что соответствует абсолютно ровной поверхности в случае воды. Fig. 12. В нашей первой лекции относительно цветов, производимых поглощением, было сказано, что функция природных тел является селективной, а не созидательной; что они гасят определенные составляющие белого солнечного света и предстают в цветах неугасшего света. Вам сразу должно прийти в голову, что, поскольку мы имеем в интерференции фактор, посредством которого свет может самогаситься, мы можем иметь в нем и условия для возникновения цвета. Но это означало бы, что определенные составляющие гасятся интерференцией, в то время как другим позволено оставаться. Это действительно так; и это полностью объясняется различием в длинах световых волн. § 7. Цвета тонких пленок. Наблюдения Бойля и Гука. Этот предмет может быть проиллюстрирован явлениями, которые впервые подсказали волновую теорию разуму Гука. Это цвета тонких прозрачных пленок всех видов, известные как цвета тонких пластинок. В этом отношении ни один объект в мире не обладает столь глубоким научным интересом, как обыкновенный мыльный пузырь. И здесь, позвольте мне сказать, возникает одна из трудностей, с которыми сталкивается исследователь чистой науки в присутствии таких «практических» сообществ, как сообщества Америки и Англии; нельзя ожидать, что такие сообщества смогут питать глубокое сочувствие к трудам, которые кажутся столь далекими от сферы практики, каковыми являются многие труды человека науки. Вообразите доктора Дрейпера, проводящего дни за выдуванием мыльных пузырей и изучением их цветов! Проявили ли бы вы к нему необходимое терпение или оказали бы необходимую поддержку? И все же, помните, именно этим занимались такие умы, как Бойль, Ньютон и Гук; и на таких экспериментах была основана теория, последствия которой неисчислимы. Я не вижу для вас, неспециалистов, иного пути, кроме как доверить ученому выбор его исследований; он стоит перед судом своих равных, и вам следует руководствоваться их вердиктом относительно его трудов. Откуда же берутся цвета мыльного пузыря? Вообразите пучок белого света, падающий на пузырь. Когда он достигает первой поверхности пленки, известная доля света отражается назад. Но большая часть пучка проникает в пленку, достигает ее второй поверхности и снова частично отражается. Волны со второй поверхности таким образом поворачивают назад и горячо преследуют волны с первой поверхности. И если толщина пленки такова, что вызывает необходимое запаздывание, обе системы волн интерферируют друг с другом, производя в зависимости от обстоятельств усиленный или ослабленный свет. Но поскольку световые волны имеют разную длину, очевидно, что для получения затухания в случае более длинных волн требуется большая толщина пленки, чем в случае более коротких. Следовательно, при разной толщине пленки должны появляться разные цвета. Возьмите с собой небольшой пузырек скипидара и влейте его в один из ваших загородных прудов. Вы увидите тогда сияние этих цветов на поверхности воды. В малом масштабе мы производим их следующим образом: обычный чайный поднос наполняется водой, под поверхность которой погружается кончик пипетки. Пучок света падает на воду и отражается ею на экран. Скипидар вливается в пипетку; он опускается, вытекает из конца в виде мелких капель, которые последовательно поднимаются к поверхности. Достигнув ее, каждая капля внезапно расплывается в пленку, и на экране немедленно вспыхивают сияющие цвета. Цвета меняются по мере того, как толщина пленки меняется в результате испарения. Они также располагаются зонами вследствие постепенного уменьшения толщины от центра к периферии. Любая пленка вообще производит эти цвета. Пленка воздуха между двумя прижатыми друг к другу стеклянными пластинами демонстрирует, как показал Гук, насыщенные цветовые полосы. Особо прекрасный пример этих полос находится сейчас перед вами. И даже воздух не является необходимым; достаточно нарушения оптической непрерывности. Ударьте топором по черному прозрачному льду — черному, потому что он чист и имеет большую глубину — под мореной ледника; вы легко создаете во внутренних слоях трещины, куда не может проникнуть воздух, и из этих трещин цвета тонких пластинок порой прорываются подобно огню. Но источником, представляющим наибольший исторический интерес, является, как уже говорилось, мыльный пузырь. С одной из смесей, использовавшихся выдающимся слепым философом Плато в его исследованиях фигур сцепления тонких пленок, мы получаем в неподвижном воздухе пузырь диаметром десять или двенадцать дюймов. Вы можете смотреть на сам пузырь или можете смотреть на его проекцию на экран; в обоих случаях демонстрируются насыщенные цвета, расположенные зонами. Сделав пучок лучей параллельным и позволяя ему падать на боковые стороны, днище и верхнюю часть пузыря, великолепные веера цветов, отраженных от пузыря, распространяются по экрану, вращаясь по мере перемещения пучка. С помощью этого эксперимента также поразительно наглядно демонстрируются внутренние движения пленки. Великие теории разрабатываются не в одно мгновение: факты, которые их требуют, сначала выходят на первый план; затем за периодом наблюдения следует период размышлений и пробных объяснений. Посредством таких усилий человеческий разум постепенно готовится к окончательному теоретическому озарению. Цвета тонких пластинок, например, занимали внимание Роберта Бойля. В своей «Экспериментальной истории цветов» он возражает школам, утверждавшим, что цвет — это «проникающее качество, достигающее самых сокровенных частей объекта», и приводит противоположные факты. «Чтобы дать вам первый пример, — говорит он, — мне нужно лишь напомнить вам о том, что я рассказал вам вскоре после начала этого эссе, касательно синего, красного и желтого цветов, которые могут быть получены на куске закаленной стали; ибо эти цвета, хотя они и очень яркие, тем не менее, если вы сломаете украшающую их сталь, окажутся всего лишь поверхностными». Затем он описывает в терминологии, которая показывает, какое удовольствие доставляла ему его работа, следующий прекрасный эксперимент: «Мы взяли некоторое количество чистого свинца, расплавили его на сильном огне и затем немедленно вылили в чистый сосуд подходящей формы и материала (мы использовали железный, чтобы сильный и внезапный жар не повредил его), а затем, осторожно и проворно сняв пену, плавающую наверху, мы обнаружили, как и ожидали, что гладкая и глянцевитая поверхность расплавленного вещества украшена весьма славным цветом, который, будучи столь же преходящим, сколь и восхитительным, почти немедленно уступал место другому яркому цвету, сменяясь столь же быстро третьим, а тот, словно бы вытеснялся четвертым; и так эти удивительно яркие цвета последовательно появлялись и исчезали, пока металл, переставая быть достаточно горячим, чтобы удерживать это приятное зрелище, цвета, случайно украшавшие поверхность, когда свинец таким образом начал остывать, оставались на ней, но были столь поверхностными, что как бы мало мы ни соскребали с поверхности свинца, в таких местах мы соскребали весь цвет». «Эти вещи, — добавляет он, — навели меня на некоторые мысли или бредни, с которыми у меня сейчас нет времени вас знакомить». [13] Он распространяет свои наблюдения на эфирные масла и спирт, «которые, если их взбалтывать до появления достаточного количества пузырей, предстанут (если присмотреться внимательно) украшенными разнообразными и прекрасными цветами, которые все немедленно исчезают при возвращении жидкости, дающей кожицу этим пузырям, обратно в остальное масло». Он также упоминает цвет стеклянных пленок. «Я видел одного мастера, умевшего изготавливать сосуды из стекла с помощью лампы, который выдувал некоторые из них столь сильно, что они лопались; после чего обнаружилось, что прочность металла такова, что перед разрушением он позволил свести себя к пленкам столь чрезвычайно тонким, что на их поверхности неизменно проявлялись меняющиеся цвета радуги». [14] Вслед за Бойлем цвета тонких пластинок занимали внимание Роберта Гука, в трудах которого мы находим зарождение волновой теории света. Он с большой четкостью описывает цвета, получаемые с тонкими пластинками «московицкого стекла» (талька), а также цвета вокруг трещин в кристаллах, где нарушена оптическая непрерывность. Он очень отчетливо показывает зависимость цвета от толщины пленки и с помощью микроскопического наблюдения доказывает, что пластинки одинаковой толщины дают одинаковые цвета. «Если, — говорит он, — вы возьмете любой небольшой кусочек московицкого стекла и иглой или каким-либо другим подходящим инструментом расщепите его многократно на все более и более тонкие слои, то обнаружите, что до тех пор, пока вы не дойдете до определенной их тонкости, они будут казаться прозрачными и бесцветными; но если вы продолжите раскалывать и делить их дальше, то в конце концов обнаружите, что каждая пластинка выглядит восхитительно окрашенной или пропитанной определенным цветом. Если, кроме того, вы каким-либо образом нанесете трещину на довольно толстый кусок так, чтобы одна часть начала немного отделяться от другой, и между ними попадет прозрачная среда, эти слоистые или прозрачные тела, заполняющие это пространство, будут демонстрировать несколько радуг или цветных линий, цвета которых будут располагаться и распределяться в соответствии с различной толщиной отдельных участков пластинки». Затем он полно и ясно описывает уже упоминавшийся эксперимент с прижатыми стеклами: «Возьмите два небольших кусочка шлифованного и полированного зеркального стекла, каждый примерно с шиллинг величиной: возьмите их сухими и своими указательными и большими пальцами прижмите очень сильно и тесно друг к другу, и вы обнаружите, что когда они сблизятся весьма близко, появится несколько ирисов или цветных линий, почти так же, как в московицком стекле; и вы можете очень легко изменить любой из цветов любой части промежуточного тела, прижимая пластинки ближе и сильнее друг к другу или оставляя их более свободными — то есть часть, которая казалась окрашенной в красный цвет, может внезапно окраситься в желтый, синий, зеленый, пурпурный или тому подобное». «Любое вещество, — говорит он, — при условии, что оно тонкое и прозрачное, будет показывать эти цвета». Подобно Бойлю, он получал их с помощью стеклянных пленок; он также добывал их с помощью пузырей из вара, смолы, канифоли, скипидара, растворов различных камедей, таких как гуммиарабик в воде, любой клейкой жидкости, как то сусло, вино, спирт, скипидарное масло, яичный белок улиток и т. д. Труды Гука показывают, что уже в его дни идея о том, что и свет, и теплота являются видами движения, завладела многими умами. «Во-первых, — говорит он, — мне, полагаю, охотно дадут то, что все виды огненно-пылающих тел имеют свои части в движении. То, что искра, высеченная из кремня и стали, находится в быстром движении, я обосновал в другом месте;… что теплота свидетельствует о движении внутренних частей (как я сказал ранее), общепризнанно;… и что во всех чрезвычайно горячих светящихся телах имеется очень быстрое движение, вызывающее свет, а также более мощное, вызывающее теплоту, можно утверждать по скорости, с которой растворяются тела. Далее, это должно быть вибрационное движение». Его упоминание быстрого движения света и более мощного движения теплоты является замечательным проявлением проницательности; но прямое прозрение Гука лучше его рассуждений, ибо приводимые им доказательства того, что свет является «вибрирующим движением», не имеют особого отношения к вопросу. Тем не менее волновая теория несомненно забрезжила в уме этого замечательного человека. Пытаясь объяснить цвета тонких пластинок, он снова обращается к связи цвета с толщиной: он подчеркивает тот факт, что пленка, показывающая эти цвета, должна быть прозрачной, доказывая это тем, что сколь бы тонким ни делалось непрозрачное тело, никаких цветов не возникало. «Это, — говорит он, — я часто испытывал, прижимая маленький шарик ртути между двумя гладкими пластинами стекла, благодаря чему я свел это тело к гораздо большей тонкости, чем требовалось для проявления цветов с прозрачным телом». Далее следует проницательное замечание о том, что для производства цветов «должно быть значительное отражающее тело, примыкающее к нижней или дальней стороне пластинки или пластины: ибо я всегда обнаруживал следующее: чем больше было это отражение, тем ярче были появляющиеся цвета. Из какового наблюдения, — продолжает он, — совершенно очевидно, что отражение от дальней или нижней стороны тела является главной причиной возникновения этих цветов». Он чертит диаграмму, правильно изображающую отражение от двух поверхностей пленки; но на этом его ясность заканчивается. Он приписывает цвета слиянию или смешению двух отражающих импульсов; поскольку принцип интерференции был ему неизвестен, он не мог зайти дальше на пути объяснения. § 8. Кольца Ньютона. Связь цвета с толщиной пленки. Fig. 13 Таким образом, благодаря активной деятельности различных умов факты наблюдаются, исследуются и определяются точные условия их появления. Всякая подобная работа в науке является прелюдией к другой работе; и усилия Бойля и Гука расчистили путь для оптической карьеры Ньютона. Он преодолел трудность, которую Гук нашел непреодолимой, и с помощью точных измерений определил зависимость толщины пленки от демонстрируемого ею цвета. При этом его первой заботой было получить пленку переменной и поддающейся расчетам толщины. На плосковыпуклую стеклянную линзу (D B E, рис. 13) очень слабой кривизны он положил стеклянную пластину (A C) с плоской поверхностью, получив таким образом воздушную пленку постепенно увеличивающейся толщины от точки контакта (B) наружу. Глядя на пленку в монохроматическом свете, он увидел, с восторгом, сопутствующим сбывшемуся предвидению, окружающие место контакта серии светлых колец, отделенных друг от друга темными и становящихся все более тесно пригнанными друг к другу по мере увеличения расстояния от точки контакта (как на рис. 14). Когда он использовал красный свет, его кольца имели определенные диаметры; когда он использовал синий свет, диаметры были меньше. В общих чертах, чем более преломляемым был свет, тем меньше были кольца. Проводя его стекла через спектр от красного к синему, кольца постепенно сжимались; когда переход шел от синего к красному, кольца расширялись. Это прекрасный эксперимент, который, по-видимому доставил Ньютону самое живое удовлетворение. Когда на стекла падал белый свет, поскольку цвета не накладывались друг на друга, получалась серия радужных кругов. Увеличенное изображение колец Ньютона находится сейчас перед вами, и, используя последовательно красный, синий и белый свет, мы получаем все эффекты, наблюдавшиеся Ньютоном. Вы замечаете, что в монохроматическом свете кольца сближаются все теснее по мере удаления от центра. Это объясняется тем фактом, что на расстоянии воздушная пленка утолщается быстрее, чем вблизи центра. Когда используется белый свет, это смыкание колец приводит к наложению различных цветов, так что после определенной толщины они сливаются в белый свет, и тогда кольца вовсе прекращаются. Требуется лишь мгновение размышления, чтобы понять, что цвета тонких пластинок, производимые белым светом, никогда не бывают несмешанными или монохроматическими. Fig. 14 Ньютон сравнил полученные таким образом оттенки с оттенками своего мыльного пузыря и вычислил соответствующую толщину. Как он это сделал, может быть разъяснено вам следующим образом: предположим, что океанская вода абсолютно гладкая; тогда она точно представляла бы искривленную поверхность Земли. Пусть совершенно горизонтальная плоскость касается поверхности в любой точке. Зная диаметр Земли, любой инженер или математик в этой комнате мог бы сказать вам, насколько ниже этой плоскости окажется поверхность моря на расстоянии ярда, десяти ярдов, ста ярдов или тысячи ярдов от точки соприкосновения плоскости и моря. Действительно, при нивелировочных работах принято делать поправку на кривизну Земли. Расчет Ньютона был точной копией этого. Его плоская стеклянная пластина была касательной к его искривленной пластине. Исходя из ее показателя преломления и фокусного расстояния, он определил диаметр сферы, сегментом которой являлось его искривленное стекло, измерил расстояние своих колец от места контакта и вычислил глубину между касательной плоскостью и искривленной поверхностью точно так же, как инженер рассчитал бы расстояние между своей касательной плоскостью и поверхностью моря. Удивительно то, что при вовлечении столь бесконечно малых расстояний Ньютон при имевшихся в его распоряжении средствах смог работать с такой поразительной точностью. Объяснение этих колец было величайшей оптической трудностью, с которой когда-либо сталкивался Ньютон. Он вполне осознавал эту трудность. Над его орлиным взором не было никакой пелены — никакой расплывчатости в его концепциях. С самого начала его теория столкнулась с вопросом: почему при падении пучка света на прозрачное тело часть световых частиц отражается, а часть проходит сквозь него? Неужели существуют два вида частиц, из которых одни специально приспособлены для прохождения, а другие для отражения? Это не может быть причиной; ибо если мы позволим пучку света, отраженному от одного куска стекла, упасть на другой, он, как правило, также делится на отраженную и прошедшую части. Частицы, отраженные однажды, отражаются не всегда, равно как и частицы, прошедшие однажды, не всегда проходят. Ньютон видел все это; он знал, что должен объяснить, почему одна и та же частица в один момент отражается, а в следующий момент проходит. Это могло произойти только через какое-то изменение в состоянии самой частицы. Сама эта частица, утверждал он, подвержена «приступам» (fits) легкого прохождения и отражения. § 9. Теория «приступов», примененная к кольцам Ньютона. Если вы пожелаете следовать за мной в попытке раскрыть умозрительную основу этой теории приступов, умственная дисциплина, я полагаю, вознаградит вас за необходимое усилие внимания. Ньютон не спешил заявлять о том, что он считал причиной приступов, но едва ли может быть сомнение в том, что его мысль останавливалась на физической причине. Не может быть сомнения и в том, что здесь, как и во всех попытках построения теорий, он был вынужден обратиться к опыту за материалами для своей теории. Давайте попытаемся восстановить ход его мыслей и наблюдений. Магнит мог дать ему представление о притягивающих и отталкивающих полюсах; и тот, кто привычно видел в видимом образ невидимого, естественно наделил бы свои световые частицы такими полюсами. Поворачивая свои притягивающие полюса к прозрачному веществу, частицы затягивались бы внутрь и проходили; поворачивая отталкивающие полюса, они отталкивались бы или отражались. Таким образом, посредством приписывания полюсов можно было бы объяснить прохождение и отражение одной и той же частицы в разное время. Рассмотрите эти кольца Ньютона, видимые в чистом красном свете: они попеременно светлые и темные. Воздушная пленка, соответствующая самым внешним из них, не толще обычного мыльного пузыря, и она становится тоньше при приближении к центру; тем не менее Ньютон, как я уже сказал, измерил толщину, соответствующую каждому кольцу, и показал разницу в толщине между кольцом и кольцом. Теперь отметьте результат. Для удобства назовем толщину воздушной пленки, соответствующую первому темному кольцу, d; тогда Ньютон нашел расстояние, соответствующее второму темному кольцу — 2d; толщину, соответствующую третьему темному кольцу — 3d; толщину, соответствующую десятому темному кольцу — 10d и так далее. Обязательно должен быть какой-то скрытый смысл в этом маленьком расстоянии, d, которое так постоянно всплывает! Можно вообразить тот интенсивный интерес, с которым Ньютон размышлял над его значением. Обратите внимание на вероятный итог его мысли. Он наделил свои световые частицы полюсами, но теперь он вынужден ввести понятие периодического повторения. Здесь его способность к переходу от чувственного к дочувственному позволила бы ему легко предположить, что световые частицы одушевлены не только поступательным движением, но и вращательным движением. Астрономические знания Ньютона делали все подобные концепции привычными для него. Земля обладает таким двойным движением. За время, затрачиваемое на преодоление полутора миллионов миль своей орбиты — то есть за двадцатьчетыре часа — наша планета совершает полный оборот; и за время, необходимое для прохождения расстояния d, можно было бы предположить, что световая частица Ньютона совершает полный оборот. Правда, световая частица меньше планеты, и расстояние d, вместо того чтобы составлять полтора миллиона миль, чуть превышает девяностотысячную долю дюйма. Но обе концепции с точки зрения интеллектуального качества идентичны. Вообразите же частицу, входящую в воздушную пленку там, где она обладает этой точной толщиной. Чтобы войти в пленку, должен быть предъявлен ее притягивающий конец. Внутри пленки она способна повернуться один раз полностью вокруг; на другой стороне пленки ее притягивающий полюс снова окажется обращенным вперед; поэтому она войдет в стекло с противоположной стороны пленки и станет невидимой для глаза. Вокруг места контакта, везде, где пленка обладает этой точной толщиной, свет будет одинаково исчезать — поэтому мы получим темное кольцо. А теперь обратите внимание на то, как хорошо эта концепция согласуется с законом пропорциональности, открытым Ньютоном. Когда толщина пленки равна 2d, частица успевает совершить два полных вращения внутри пленки; когда толщина равна 3d — три полных вращения; когда 10d — совершается десять полных вращений. Очевидно, что в каждом из этих случаев при достижении второй поверхности пленки будет представлен притягивающий полюс частицы. Следовательно, она пройдет сквозь нее; и поскольку никакой свет не направляется в глаз, мы получим темное кольцо в каждом из этих мест. Светлые кольца непосредственно следуют из той же концепции. Они возникают между темными кольцами, причем толщины, которым они соответствуют, также являются промежуточными между толщинами темных колец. Возьмем случай первого светлого кольца. Толщина пленки равна ½d; в этом промежутке вращающаяся частица может совершить лишь половину оборота. Поэтому, когда она достигает второй поверхности пленки, представлен ее отталкивающий полюс; следовательно, она отталкивается назад и достигает глаза. На всех расстояниях вокруг центра, соответствующих этой толщине, производится тот же эффект, и следствием является светлое кольцо. Остальные светлые кольца объясняются аналогичным образом. На втором из них, где толщина равна 1½d, совершается полтора оборота; на третьем — два с половиной оборота; и в каждом из этих мест частицы предъявляют свои отталкивающие полюса нижней поверхности пленки. Поэтому они отсылаются обратно к глазу и производят там впечатление яркости. Этот анализ, хотя и сопряженный с трудностями при внимательном рассмотрении, позволяет нам увидеть, как теория приступов могла вырасти в стройную систему в уме Ньютона. Уже было сказано, что корпускулярная теория приписывала свету большую скорость в стекле и воде, чем в воздухе или в звездном пространстве; и что по этому пункту она находилась в прямом противоречии с волновой теорией, которая делает скорость в воздухе или звездном пространстве большей, чем в стекле или воде. Посредством эксперимента, предложенного Араго и выполненного с безупречным мастерством Фуко и Физо, этот вопрос был доведен до решающей проверки и решен в пользу волновой теории. В настоящем случае обе теории также расходятся во мнениях. Ньютон предполагал, что действие, производящее чередующиеся светлые и темные кольца, происходит на одной-единственной поверхности; то есть на второй поверхности пленки. Волновая теория утверждает, что кольца вызываются интерференцией волн, отраженных от обеих поверхностей. Это также было продемонстрировано экспериментом. При правильном расположении, как мы узнаем позже, мы можем уничтожить отражение от одной из поверхностей пленки, и когда это сделано, кольца исчезают вовсе. Кольца слабой интенсивности образуются также прошедшим светом. Волновая теория относит их к интерференции волн, которые прошли непосредственно сквозь пленку, с другими волнами, претерпевшими два отражения внутри пленки, и таким образом они получают полное объяснение. § 10. Дифракция света. Принятие Ньютоном корпускулярной теории, как говорят, затормозило научное открытие. Однако можно поставить под сомнение, не играют ли в конечном счете ошибки великих людей ту роль, что делают интеллектуальный прогресс ритмичным, вместо того чтобы позволять ему оставаться равномерным, причем «замедление» в каждом случае служит прелюдией к более бурному продвижению. Нам следует избегать путаницы и застоя, а не ошибок. Таким образом, хотя волновая теория была на некоторое время задержана, она набрала силу за этот интервал, и ее развитие за последние полвека оказалось столь стремительным и триумфальным, что не оставило ей соперников на поле боя. Теперь мы должны обратиться к исследованию новых классов явлений, удовлетворительное объяснение которых способна дать лишь она одна. Ньютон, который был знаком с идеей эфира и ввел его в некоторые из своих рассуждений, возражал, как уже говорилось, что если бы свет состоял из волн, тени не могли бы существовать; ибо волны огибали бы края непрозрачных тел и приводили бы в движение эфир позади них. Он был прав, утверждая, что это огибание должно происходить, но ошибался, полагая, что оно не происходит. Огибание реально, хотя во всех обычных случаях оно маскируется действием интерференции. Это искривление света получает название дифракции. Для изучения явлений дифракции необходимо, чтобы наш источник света был физической точкой или тонкой линией; ибо когда используется светящаяся поверхность, волны, исходящие из разных точек поверхности, затушевывают и нейтрализуют друг друга. Точка света высокой интенсивности получается путем пропускания параллельных лучей солнца через отверстие в оконной ставне и концентрирования пучка линзой с коротким фокусом. Маленькое солнечное изображение в фокусе образует подходящую точку света. Изображение солнца, сформированное на выпуклой поверхности стеклянной бусины или часового стекла, почерненного изнутри, хотя и менее интенсивное, также подойдет. Интенсивная линия света получается при пропускании солнечного света через щель и направлении его через сильную цилиндрическую линзу. Срез света сокращается до физической линии в фокусе линзы. Стеклянная трубка, почерненная изнутри и помещенная на свет, отражает от своей поверхности светящуюся линию, которая, хотя и менее интенсивна, также служит этой цели. В эксперименте, который предстоит описать, вертикальная щель переменной ширины помещается перед электрической лампой, и на эту щель смотрят с некоторого расстояния через другую вертикальную щель, также имеющую переменную ширину и удерживаемую в руке. Свет лампы сначала делают монохроматичным, поместив перед щелью чистое красное стекло. Когда глаз располагают на прямой линии, проведенной через обе щели, наблюдается необычное явление (показанное на рис. 15). Во-первых, щель перед лампой видна в виде яркого прямоугольника света; но справа и слева от него располагается длинный ряд прямоугольников, уменьшающихся по яркости и отделенных друг от друга интервалами абсолютной темноты. Видно, что ширина этих полос изменяется в зависимости от ширины щели, удерживаемой перед глазом. Когда щель расширяют, полосы становятся более узкими и теснятся ближе друг к другу; когда щель сужают, отдельные полосы расширяются, а также удаляются друг от друга, оставляя между собой более широкие, чем прежде, промежутки темноты. Fig. 15. Оставляя все остальное неизменным, поместим на пути света синее стекло или раствор аммиаката меди, который дает очень чистый синий цвет. В результате получается серия синих полос, во всех отношениях точно таких же, как прежние, за одним исключением: синие прямоугольники более узкие и расположены ближе друг к другу, чем красные. Если мы используем цвета промежуточных преломляемостей (что можно сделать, пропуская через щель различные цвета спектра), мы получаем полосы цвета промежуточной ширины, занимающие промежуточные положения между полосами красного и синего цветов. Внешний вид полос в красном, зеленом и фиолетовом свете представлен на рис. 16. Следовательно, когда белый свет проходит через щель, различные цвета не накладываются друг на друга, и вместо серии монохроматичных полос, отделенных друг от друга интервалами темноты, мы получаем серию цветных спектров, расположенных бок о бок. Когда далекая щель освещается пламенем свечи, а не более интенсивным электрическим светом, или когда используется удаленная платиновая проволока, раскаленная до белого каления электрическим током, наблюдаются в существенных чертах те же эффекты. Fig. 16. § 11. Применение волновой теории к явлениям дифракции. Корпускулярная теория неспособна дать сколько-нибудь удовлетворительное объяснение этим и множеству подобных эффектов. Посмотрим, как они объясняются волновой теорией. И здесь, стремясь к абсолютной ясности, я должен обратиться к той способности, важность которой я столь настойчиво подчеркивал здесь и в других местах, — к способности воображения. Представьте себя на морском берегу, к которому приближается хорошо сформированная волна. Возьмем ряд частиц вдоль фронта волны, находящихся на одинаковом расстоянии ниже гребня: все они поднимаются одинаковым образом и с одинаковой скоростью. Возьмем аналогичный ряд частиц на тыльной стороне волны: все они опускаются одинаковым образом и с одинаковой скоростью. Возьмем ряд частиц вдоль гребня: все они находятся в одинаковом состоянии относительно движения волны. То же самое справедливо и для ряда частиц вдоль подошвы волны. Частицы, упомянутые в каждом из этих случаев, находясь в одинаковом состоянии относительно движения волны, как говорят, находятся в одинаковой фазе вибрации. Но если вы сравните частицу на фронте волны с частицей на ее тыльной стороне или, более allgemein, если вы сравните любые две частицы, не занимающие одинакового положения в волне, то, поскольку их состояния движения неодинаковы, говорят, что они находятся в разных фазах вибрации. Если одна из частиц лежит на гребне, а другая на подошве волны, то, поскольку одна вот-вот начнет подниматься, а другая — опускаться, говорят, что они находятся в противоположных фазах вибрации. Fig. 17. Есть еще один момент, который необходимо прояснить, и он имеет важнейшее значение для нашей нынешней темы. Пусть O (рис. 17) — точка в спокойной воде, которая при возмущении создает серию круговых волн; возмущение, необходимое для создания этих волн, представляет собой просто колебание воды вверх и вниз в точке O. Пусть mn будет положением гребня одной из волн в какой-то момент времени, а m'n' — его положением секундой или двумя позже. Теперь каждая частица воды по мере прохождения волны колеблется, как мы узнали, вверх и вниз. Если это колебание является достаточным источником волнового движения, то каждая отдельная частица волны mn должна давать начало серии круговых волн. Это тот важный момент, к которому я хочу вас подвести. Каждая частица волны mn действует именно так. Принимая каждую частицу за центр и окружая ее круговой волной с радиусом, равным расстоянию между mn и m'n', мы получаем, что слияние всех этих маленьких волн образует большой гребень m'n' именно так, как мы находим его в природе. Здесь, по сути, мы разлагаем волновое движение на его элементы, и, преуспев в этом, мы не встретим больших затруднений в применении наших знаний к оптическим явлениям. Fig. 18. Теперь вернемся к нашей щели и для простоты сначала рассмотрим случай монохроматичного света. Вообразим серию волн эфира, движущихся от первой щели ко второй и в конечном итоге заполняющих вторую щель. Когда каждая волна проходит через последнюю, она не только продолжает свое прямолинейное движение к сетчатке, но и расходится вправо и влево, стремясь привести в движение всю массу эфира позади щели. Фактически, как уже объяснялось, каждая точка волны, заполняющей щель, сама по себе является центром новой волновой системы, которая передается во всех направлениях через эфир позади щели. Это знаменитый принцип Гюйгенса: теперь мы должны рассмотреть, как эти вторичные волны действуют друг на друга. Рассмотрим сначала центральную полосу серии. Пусть AP (рис. 18) — ширина отверстия, удерживаемого перед глазом (конечно, сильно преувеличенная), а точки поперек отверстия представляют частицы эфира, находящиеся в одинаковой фазе вибрации. Пусть ET представляет часть сетчатки. Из точки O в центре щели мысленно проведем перпендикуляр OR на сетчатку. Движение, сообщаемое точке R, будет тогда суммой всех движений, исходящих в этом направлении от частиц эфира в щели. Учитывая крайнюю узость отверстия, мы можем без заметной погрешности считать все точки волны AP одинаково удаленными от R. Ни одна из частичных волн заметно не отстает от других: следовательно, в точке R и в ее непосредственной близости мы не наблюдаем заметного ослабления света вследствие интерференции. Этот неуменьшенный свет создает яркую центральную полосу серии. Теперь рассмотрим те волны, которые расходятся в стороны позади второй щели. В этом случае волны от двух сторон щели должны пройти неравные расстояния, чтобы сойтись на сетчатке. Пусть AP (рис. 19) представляет, как и прежде, ширину второй щели. Теперь мы должны рассмотреть действие различных частей волны AP на точку R' сетчатки, не расположенную на линии, соединяющей две щели. Fig. 19. Рассмотрим частный случай, когда разность хода от двух краевых точек A и P до сетчатки равна целой длине волны красного света; как эта разность должна повлиять на окончательное освещение сетчатки? Сосредоточим наше внимание на конкретной наклонной линии, которая проходит через центр O щели к сетчатке в точке R'. Разность хода между волнами, проходящими по этой линии, и волнами от двух краев в предполагаемом здесь случае составляет пол-длины волны. Сделаем eR' равным PR', соединим P и e и проведем Od параллельно Pe. Тогда Ae — длина волны света, а Ad — пол-длины волны. Теперь малейшее размышление прояснит, что существует не только несогласованность между центральной и краевыми волнами, но что каждая линия волн, подобная xR' с одной стороны от OR', находит линию x'R' с другой стороны от OR', путь которой отличается от нее на полволны и с которой, следовательно, она находится в полной несогласованности. В результате свет с одной стороны от центральной линии полностью уничтожает свет с другой стороны этой линии, и результатом их слияния является абсолютная темнота. Таким образом объясняется первый темный интервал нашей серии полос. Он создается наклоном направления, из-за которого пути краевых волн отличаются друг от друга на целую длину волны. Когда разность между путями краевых волн составляет пол-длины волны, происходит частичное разрушение света. Световая интенсивность, соответствующая этому наклону, чуть меньше половины — точно 0.4 — интенсивности нефракционированного света. Если пути краевых волн отличаются друг от друга на три полуволны и если весь пучок разделить на три равные части, то две из этих частей по только что названным причинам полностью нейтрализуют друг друга, и эффективной окажется только третья. Соответственно, наклону, который производит разность в три полуволны для краевых волн, соответствует светлая полоса, но со значительно меньшей интенсивностью, чем нефракционированная центральная полоса. При краевой разности хода в четыре полуволны мы имеем второе гашение всего пучка, поскольку здесь пучок можно разделить на четыре равные части, каждые две из которых гасят друг друга. Второй промежуток абсолютной темноты будет поэтому соответствовать наклону, вызывающему такую разность. Таким образом мы можем продолжать дальше, причем общий результат заключается в том, что всякий раз, когда направление волнового движения таково, что производит краевую разность хода, равную четному числу полуволн, мы имеем полное гашение; в то время как, если краевая разность представляет собой нечетное число полуволн, мы имеем лишь частичное гашение, и часть пучка остается в виде светлой полосы. Мгновенное размышление покажет, что чем шире щель, тем меньше будет наклон направления, необходимый для создания требуемой разности хода. Поэтому при широкой щели полосы, как и наблюдается, будут расположены ближе друг к другу, чем при узкой. Также очевидно, что чем короче волна, тем меньше наклон, необходимый для создания требуемого запаздывания. Максимумы и минимумы фиолетового света должны поэтому лежать ближе к центру, чем максимумы и минимумы красного света. Максимумы и минимумы остальных цветов располагаются между этими крайними точками. Простым способом волновая теория полностью объясняет упомянутое выше необычное явление. Когда вместо щели и невооруженного глаза используются щель и телескопы, эффекты увеличиваются и становятся более яркими. Более того, если смотреть через правильно отрегулированный телескоп с маленьким круглым отверстием перед ним на далекую точку света, эта точка видна окруженной серией цветных полос. Если используется монохроматичный свет, эти полосы просто светлые и темные, но при белом свете круги демонстрируют цвета радуги. Если щель укоротить так, чтобы получилось квадратное отверстие, мы получим две серии спектров под прямым углом друг к другу. Эффекты действительно допускают бесконечное разнообразие путем изменения размера, формы и количества отверстий, через которые наблюдается точка света. Через два квадратных отверстия, соприкасающиеся своими углами, как в точке А, Шверд наблюдал картину, показанную на рис. 20. Добавив к ним еще два, как в точке В, он наблюдал картину, представленную на рис. 21. Положение каждой полосы света и тени на таких рисунках было рассчитано теоретически Френелем, Фраунгофером, Гершелем, Швердом и другими, а также полностью подтверждено экспериментом. Ваши глаза не смогли бы с большей достоверностью сказать о существовании этих полос, чем теоретический расчет. Fig. 20. Ночные уличные фонари, если смотреть на них сквозь ячейки носового платка, демонстрируют дифракционные явления. Дифракционные эффекты, получаемые при взгляде сквозь перья птицы, как показал Шверд, весьма ярки. Ирисзация некоторых альпийских облаков также является эффектом дифракции, который можно имитировать с помощью спор плауна. При встряхивании над стеклянной пластиной эти споры вызывают появление вокруг точки света, если смотреть на нее сквозь опудренную пластину, цветных кругов, которые достигают подлинного великолепия при усилении света. Взвешенные в воздухе споры производят тот же эффект. Дифракционные явления, получаемые при искусственном осаждении облаков из паров различных жидкостей в интенсивно освещенной трубе, как я показывал в другом месте, чрезвычайно прекрасны. Fig. 21. Одним из самых интересных случаев дифракции на мелких частицах, с которыми мне доводилось сталкиваться, был случай с художником, чье зрение было нарушено ярко окрашенными кругами. Он очень боялся потерять зрение, причем в качестве причины своего усиливающегося страха указывал на то, что круги становятся больше, а цвета — ярче. Я приписал эти цвета мельчайшим частицам в жидкостях глаза и рискнул подбодрить его уверением, что увеличение размеров и яркости кругов указывает на то, что дифракгирующие частицы становятся меньше и что в конце концов они могут полностью рассосаться. Предсказание подтвердилось. Излишне говорить хоть слово о необходимости оптических знаний для практикующего окулиста. Не углубляясь в хроматические явления, представляемые кристаллами, здесь можно упомянуть о двух других источниках цвета. Вследствие интерференции в атмосфере Земли свет звезды, как показал Араго, самогасится; мерцание звезды и изменения цвета, которым она подвергается, обусловлены этой причиной. Глядя на такую звезду в театральный бинокль и покачивая его так, чтобы изображение звезды быстро перемещалось по сетчатке, вы получаете ряд цветных бусин, промежутки между которыми соответствуют периодам затухания. Тонкие царапины, нанесенные на стекло или полированный металл, отражают световые волны от своих боковых сторон; причем некоторые волны, отражаясь от противоположных сторон одной и той же царапины, интерферируют друг с другом и гасят друг друга. Но угол отражения, который гасит более короткие волны, не гасит более длинные, отсюда и возникают явления цветов. Они называются цветами исчерченных поверхностей. Они прекрасно иллюстрируются перламутром. Эта раковина состоит из чрезвычайно тонких слоев, которые при пересечении их разрезом в процессе полировки раковины обнажают свои края и образуют необходимые мелкие и регулярные бороздки. Самым убедительным доказательством того, что цвета обусловлены механическим состоянием поверхности, является установленный Брюстером факт, что при аккуратном отпечатке раковины на черном сургуче мы переносим бороздки и получаем на сургуче цвета перламутра. ЛЕКЦИЯ III ОТНОШЕНИЕ ТЕОРИЙ К ОПЫТУ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОНЯТИЯ ТЯГОТЕНИЯ ПОНЯТИЕ ПОЛЯРНОСТИ, КАК ОНО ВОЗНИКАЕТ АТОМНАЯ ПОЛЯРНОСТЬ СТРУКТУРНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ПОЛЯРНОСТЬЮ АРХИТЕКТУРА КРИСТАЛЛОВ КАК ВВЕДЕНИЕ К ИХ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СВЕТ ПОНЯТИЕ АТОМНОЙ ПОЛЯРНОСТИ, ПРИМЕНЕННОЕ К КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЛЛЮСТРАЦИИ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВОДЫ РАСШИРЕНИЕ ПРИ НАГРЕВАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ ПОВЕДЕНИЕ ВОДЫ: РАССМОТРЕНИЕ И ОБЪЯСНЕНИЕ ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЕ ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДЕЙСТВИЕ ТУРМАЛИНА ХАРАКТЕР ЛУЧЕЙ, ВЫХОДЯЩИХ ИЗ ИСЛАНДСКОГО ШПАТА ПОЛЯРИЗАЦИЯ ПРИ ОБЫЧНОМ ПРЕЛОМЛЕНИИ И ОТРАЖЕНИИ ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ § 1. Выведение теоретических концепций из опыта. Одной из целей нашей последней лекции, и притом не менее важной, было проиллюстрировать то, как формируются научные теории. Во-первых, они берут свое начало в стремлении ума проникнуть к источникам явлений. Из своих бесконечно малых истоков в давно минувшие века это стремление выросло и окрепло в неумолимое требование интеллектуальной природы человека. Оно давным-давно побудило Цезаря сказать, что он променял бы свои победы на возможность взглянуть на истоки Нила; оно воплотилось в атомных теориях Лукреция; оно побудило Дарвина к тем смелым спекуляциям, которые в последние годы так взволновали общественное мнение. Но ни в коем случае, создавая теории, воображение не создает свои материалы. Оно расширяет, уменьшает, формирует и уточняет, в зависимости от обстоятельств, материалы, почерпнутые из мира фактов и наблюдений. Это еще более очевидно в такой теории, как теория света, где уму предстают движения подчувственной среды — эфира. Но ни одна теория не избегает этого условия. Ньютон позаботился о том, чтобы не отягощать идею гравитации ненужными физическими представлениями; но мы знаем, что он предавался им, хотя и не связывал их со своей теорией. Но даже сама теория в ее нынешнем виде не вошла в сознание как откровение, оторванное от мира опыта. Зародыш концепции о том, что солнце и планеты удерживаются вместе силой притяжения, можно найти в том факте, что ранее наблюдалось притяжение железа магнитом. Таким образом, понятие притяжения материи материей пришло извне, а не изнутри. В нашей сегодняшней лекции магнитная сила должна послужить порталом в новую область; но прежде всего мы должны освоить ее элементарные явления. Общие факты магнетизма проще всего иллюстрируются намагниченным стержнем из стали, обычно называемым полосовым магнитом. Если поставить такой магнит вертикально на стол и поднести магнитную стрелку к его нижнему концу, то можно заметить, как один конец стрелки удаляется от магнита, в то время как другой так же быстро приближается. Стрелка удерживается там в дрожании какой-то невидимой силой, действующей на нее. При поднятии стрелки вдоль магнита, но все еще избегая контакта, частота ее колебаний уменьшается, поскольку действующая на нее сила ослабевает. В центре колебания прекращаются. Выше центра тот конец стрелки, который ранее притягивался к магнитом, удаляется, а противоположный конец приближается. По мере нашего подъема выше колебания становятся более бурными, поскольку сила возрастает. На верхнем конце магнита, как и на нижнем, сила достигает максимума; но вся нижняя половина магнита, от E до S (рис. 22), притягивает один конец стрелки, в то время как вся верхняя половина, от E до N, притягивает противоположный конец. Эта двойственность магнитной силы называется полярностью, а точки вблизи концов магнита, в которых силы кажутся сосредоточенными, называются его полюсами. Fig. 22. Что же произойдет, если мы разломаем этот магнит пополам в центре E? Получим ли мы два магнита, каждый с одним полюсом? Нет; каждая половина сама по себе является идеальным магнитом, обладающим двумя полюсами. Это можно доказать, сломав что-нибудь менее ценное, чем магнит, — например, стальную пластинку из женского корсета, закаленную и намагниченную. Она ведет себя как магнит. При разломе каждая половина действует как целое; а когда эти части ломаются снова, мы все равно получаем идеальный магнит, обладающий, как и в первом случае, двумя полюсами. Доведите процесс излома до вашего предельного восприятия — вы не сможете остановиться на этом. Склонность, проистекающая из наблюдения, неизбежно уведет вас за пределы чувств и заставит признать, что эта вещь, которую мы называем магнитной полярностью, заключена в конечных частицах стали. Вы приходите к выводу, что каждая молекула магнита наделена этой полярной силой. Подобно всем другим силам, эта сила магнетизма подчиняется механическим законам, и, зная направление и величину силы, мы можем предсказать ее действие. Если поместить небольшую магнитную стрелку рядом с полосовым магнитом, она займет определенное положение. Это положение можно было бы вывести теоретически из взаимного действия полюсов. Перемещая стрелку вокруг магнита, мы обнаружим, что для каждой точки окружающего пространства существует определенное направление стрелки и никакое другое. Железная стрелка подойдет так же хорошо, как и магнитная, поскольку железная стрелка намагничивается магнитом и ведет себя точно так же, как независимо намагниченная стальная стрелка. Fig. 23. N is the nozzle of the lamp; M a plane mirror, reflecting the beam upwards. At P the magnets and iron filings are placed; L is a lens which forms an image of the magnets and filings; and R is a totally reflecting prism, which casts the image G upon the screen. Если мы поместим рядом с магнитом две или более железных стрелок, действие станет более сложным, поскольку тогда на стрелки не только действует магнит, но они действуют и друг на друга. И если мы перейдем к меньшим массам железа — например, к железным опилкам, — мы обнаружим, что они ведут себя в сущности так же, как стрелки, располагаясь в определенные формы в соответствии с магнитным действием. Положив лист бумаги или стекла на полосовой магнит и насыпая на бумагу железные опилки, я замечаю тенденцию опилок располагаться по определенным линиям. Они не могут свободно следовать этой тенденции, так как им мешает трение о бумагу. Им помогают постукиванием по бумаге; каждый удар на мгновение освобождает их и позволяет следовать своим склонностям. Но это эксперимент, который могу видеть только я. Чтобы вы все могли это увидеть, я беру пару небольших магнитов и с помощью простейшего оптического устройства проецирую увеличенные изображения магнитов на экран. Разбросав железные опилки по стеклянной пластине, к которой прикреплены маленькие магниты, и постукивая по пластине, вы видите расположение железных опилок в тех магнитных кривых, которые так давно знакомы людям науки (рис. 23). (Благодаря весьма искусному приспособлению профессору Майеру из Хобокена удалось зафиксировать и сфотографировать магнитные кривые. Я обязан его доброте прилагаемой прекрасной иллюстрацией, рис. 24). Внешний вид этих кривых настолько очаровал Фарадея, что большую часть своей интеллектуальной жизни он посвятил размышлениям над ними. Он наделил пространство, сквозь которое они проходят, некоторой материальностью; и вполне вероятно, что прогресс науки, связав явления магнетизма со светоносным эфиром, докажет, что эти «силовые линии», как любил называть их Фарадей, представляют собой состояние этого загадочного субстрата всех лучистых процессов. Однако сейчас мы должны рассмотреть не сами магнитные кривые, а их отношение к теоретическим концепциям. Воздействуя полосовым магнитом на стрелку, мы получаем представление о полярной силе; разломом полоски намагниченной стали мы приходим к представлению о том, что полярность может быть свойственна конечным частицам материи. Эксперимент с железными опилками вводит в сознание новую идею, а именно идею структурного расположения. Каждая пара опилок обладает четырьмя полюсами, два из которых являются притягивающими, а два — отталкивающими. Притягивающие полюса сближаются, отталкивающие — удаляются; следствием этого является определенное упорядоченное расположение частиц по отношению друг к другу. § 2. Теория кристаллизации. Теперь эта идея структуры, порождаемой полярной силой, открывает для интеллекта путь в совершенно новую область, и вас просят составить мне компанию в этой области потому, что наше следующее исследование касается действия кристаллов на свет. Прежде чем говорить об этом действии, я хочу, чтобы вы интеллектуально осознали процесс кристаллической архитектуры. Загляните в гранитный карьер и проведите несколько минут за изучением породы. Она не имеет абсолютно однородной текстуры. Это скорее агломерат кусочков, которые при рассмотрении представляют причудливо очерченные формы. Вы видите там то, что минералоги называют кварцем, вы видите полевой шпат, вы видите слюду. В минералогическом кабинете, где эти вещества хранятся по отдельности, вы получите некоторое представление об их формах. Вы увидите там также образцы берилла, топаза, изумруда, турмалина, тяжелого шпата, флюорита, исландского шпата — возможно, полностью сформированный алмаз, каким он вышел из рук Природы, еще не попав в руки гранильщика. Fig. 24. Вы заметите, что эти кристаллы собраны по закону; они не являются случайными порождениями; и если вы захотите рассмотреть их более детально, то обнаружите, что их архитектура может быть в некоторой степени раскрыта. Они часто раскалываются в определенных направлениях под воздействием лезвия ножа, обнажая гладкие и блестящие поверхности, которые называются плоскостями спайности; и следуя этим плоскостям, вы иногда доходите до внутренней формы, замаскированной под внешней формой кристалла. Вдумайтесь в эти прекрасные творения скрытого строителя. Вы не можете не задать себе вопрос, как они были построены; и поскольку вы теперь знакомы с понятием полярной силы и способностью этой силы порождать структурную упорядоченность, вашим неизбежным ответом будет то, что эти кристаллы построены в результате игры полярных сил, которыми наделены их молекулы. В силу этих сил молекула присоединяется к молекуле строго определенным образом, и конечная видимая форма кристалла зависит от этой игры его предельных частиц. Всюду в природе мы наблюдаем эту тенденцию переходить в определенные формы, и нет ничего проще, чем дать простор этой тенденции с помощью искусственных приспособлений. Растворите селитру в воде и дайте воде медленно испариться; селитра остается, и раствор вскоре становится настолько концентрированным, что жидкое состояние больше не может сохраняться. Молекулы селитры сближаются и в конце концов оказываются в зоне действия своих полярных сил. Они располагаются в соответствии с этими силами, и сначала образуется крошечный кристалл селитры. На этом кристалле молекулы продолжают осаждаться из окружающего раствора. Кристалл растет, и в конце концов мы получаем крупные призмы селитры, каждая из которых имеет совершенно определенную форму. Квасцы кристаллизуются с чрезвычайной легкостью подобным образом. Однако получающийся в результате кристалл отличается по форме от селитры, поскольку полюса молекул расположены иначе. При надлежащем уходе кристаллы этих веществ можно вырастить до больших размеров. Условием идеальной кристаллизации является то, чтобы кристаллизующая сила действовала неторопливо. В ее действиях не должно быть спешки; каждой молекуле следует позволить без помех со стороны соседей осуществлять свои собственные права. Если кристаллизация происходит слишком внезапно, правильность исчезает. Вода может быть насыщена сульфатом натрия, растворенным в горячей воде, а затем оставлена остывать. В остывшем состоянии раствор пересыщен; иными словами, он содержит больше твердого вещества, чем соответствует его температуре. Тем не менее молекулы не проявляют никаких признаков соединения друг с другом. Это весьма примечательный, хотя и очень распространенный факт. Молекулы в центре жидкости настолько связаны действием своих соседей, что им отказано в свободе следовать собственным склонностям. Представьте мысленно молекулу внутри массы. Она хочет соединиться со своим соседом справа, но в равной степени хочет соединиться со своим соседом слева; одна тенденция нейтрализует другую, и она не соединяется ни с тем, ни с другим. Но если в раствор бросить кристалл сульфата натрия, молекулярная нерешительность прекращается. На кристалле немедленно начнут осаждаться соседние молекулы; на них, в свою очередь, осядут другие, и этот процесс осаждения будет продолжаться от верха колбы до низа, пока раствор по возможности не примет твердую форму. Получающиеся здесь кристаллы малы и расположены хаотично. Процесс протекал слишком поспешно, чтобы допустить чистое и упорядоченное действие кристаллизующей силы. Это символизирует состояние нации, в котором сопротивляются естественным и здоровым переменам, пока общество не окажется, так сказать, пересыщенным стремлением к переменам, причем сами перемены осуществляются затем через путаницу и революцию. Позвольте мне проиллюстрировать действие кристаллизующей силы на двух примерах: можно было бы использовать селитру, но другое хорошо известное вещество позволяет мне провести эксперимент в лучшей форме. Это вещество представляет собой обычный нашатырь, или хлорид аммония, растворенный в воде. Тщательно очистив стеклянную пластинку, раствор хлорида наливают на стекло, на котором при постановке пластинки на ребро остается тонкая пленка жидкости. Слегка подогревая стекло, ускоряют испарение, но при испарении удаляется только вода. Затем пластинку помещают в солнечный микроскоп, и изображение пленки проецируется на белый экран. Тепло осветительного пучка добавляется к теплу, уже сообщенному стеклянной пластинке, так что через мгновение растворенная соль больше не может находиться в жидком состоянии. После этого молекула соединяется с молекулой, и вы наблюдаете впечатляющую картину кристаллизационной энергии, охватывающей весь экран. Вы можете создать нечто подобное, если подышите на морозные узоры («папоротники»), которые покрывают оконные стекла зимой, а затем через лупу понаблюдаете за последующим повторным замерзанием пленки. В этом случае кристаллизующей силе мешает адгезия пленки к стеклу; тем не менее игра сил поразительно прекрасна. Иногда кристаллы зарождаются у края пленки и прорастают сквозь нее от этого края; ибо, как только кристаллизация началась, молекулы предпочитают осаждаться на уже образовавшихся кристаллах. Иногда кристаллы зарождаются на определенных центрах в центре пленки, причем каждая мелкая кристаллическая частица, покоящаяся в пленке, служит отправной точкой. На протяжении всего процесса вы замечаете одну особенность, которая совершенно неизменна, а именно — угловую величину. Игольчатые кристаллы (спикулы) ветвятся от ствола, и от этих ветвей отходят другие; но углы, образуемые спикулами, неизменны. Точно так же вы можете обнаружить кристаллы квасцов, кристаллы кварца и все другие кристаллы искаженной формы. В этом отношении они находятся во власти случайностей кристаллизации; но в одном аспекте они утверждают свое превосходство над всеми такими случайностями — угловая величина всегда строго сохраняется. Мой второй пример действия кристаллизующей силы заключается в следующем: как вы знаете, пропуская гальванический ток через жидкость, мы разлагаем ее, и если она содержит металл, мы высвобождаем этот металл посредством электролиза. Эта небольшая ячейка содержит раствор ацетата свинца, выбранный для наших текущих целей потому, что свинец охотно поддается этой кристаллизующей силе. В ячейку погружены две очень тонкие платиновые проволоки, которые соединены другими проводами с небольшой гальванической батареей. При пропускании гальванического тока через раствор свинец будет постепенно отделяться от атомов, с которыми он сейчас соединен; он будет выделяться на одной из проволок, и в момент своего выделения он подчинится полярным силам своих атомов, создавая кристаллические формы изысканной красоты. Они перед вами: они прорастают из проволоки подобно папоротникам, выглядя поистине как растительные образования, развивающиеся столь стремительно, что это отчетливо видно невооруженным глазом. При обратном включении тока эти удивительные свинцовые ветви растворяются, в то время как с другой проволоки сквозь жидкость устремляются нити свинца. Через секунду-другую рост свинцовых деревьев возобновляется, но теперь они покрывают другую проволоку. В процессе кристаллизации Природа впервые открывает себя как строитель. Где останавливаются ее действия? Продолжает ли она путем игры тех же сил формировать растение, а впоследствии и животное? Каким бы ни был ответ на эти вопросы, поверьте мне, представления грядущих поколений об этой загадочной вещи, которую некоторые назвали «неразумной материей», будут сильно отличаться от представлений поколений прошлых. Вряд ли найдется более прекрасный и поучительный пример этой игры молекулярных сил, чем пример, предоставляемый водой. Вы видели изысканные древовидные формы, образующиеся при кристаллизации водяной пленки на холодном оконном стекле. [15] Вы также, вероятно, замечали прекрасные розетки, связываемые кристаллизующей силой во время снегопада в очень тихий день. Склоны и вершины Альп зимой усыпаны этими цветами мороза. Они бесконечно варьируются в деталях своей красоты, но повсюду сохраняется одна и та же угловая величина — непреклонная сила, связывающая лучи и спикулы под углом в 60 градусов. Обычный лед наших озер также подчиняется в своем формировании тому же углу. Иногда в замерзающей воде можно увидеть маленькие кристаллы звездчатой формы, причем каждая звезда состоит из шести лучей с углом в 60° между каждыми двумя из них. Эта структура может быть выявлена в обычном льду. В солнечном луче или, при его отсутствии, в луче нашей электрической лампы мы имеем инструмент, достаточно чувствительный для того, чтобы разъединить замороженные молекулы, не нарушая порядка их архитектуры. Вырезая из прозрачного, прочного, правильно замерзшего льда пластину, параллельную плоскостям замерзания, и пропуская через такую пластину солнечный луч, мы заставляем ее плавиться изнутри в определенных точках, причем вокруг каждой точки образуется шестилепестковый жидкий цветок изысканной красоты. Таким образом образуются скопления подобных цветов. Из ледника мы иногда берем глыбы льда, представляющие туманные участки в сплошной в остальном массе; и когда мы исследуем причину этой туманности, то обнаруживаем, что она обусловлена мириадами маленьких шестилепестковых цветов, на которые лед распался от простого тепла теплопроводности. Уделение еще одного момента времени кристаллизации воды будет с лихвой вознаграждено, ибо совокупность свойств, делающих это вещество пригодным для выполнения своей роли в природе, вполне способна вызвать удивление и стимулировать мысль. Подобно почти всем другим веществам, вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Проиллюстрируем сначала это расширение и сжатие: Небольшая колба наполняется подкрашенной водой и закрывается пробкой. Через пробку герметично проходит стеклянная трубка, причем жидкость стоит в трубке на определенной высоте. Колба и ее трубка напоминают резервуар и ножку термометра. Применяя тепло спиртовой горелки, вода поднимается в трубке и наконец переливается через край. Тем самым иллюстрируется расширение при нагревании. Убрав горелку и обложив колбу охлаждающей смесью, мы увидим, как столбик жидкости опускается, демонстрируя таким образом сжатие воды от холода. Но если продолжать действие охлаждающей смеси, падение столбика продолжается до определенной точки; затем оно прекращается. Верхушка столбика остается неподвижной в течение нескольких секунд, а после начинает подниматься. Сжатие прекратилось, и начинается расширение от холода. Пусть расширение продолжается до тех пор, пока жидкость во второй раз не перельется через край трубки. Охлаждающая смесь здесь произвела по всей видимости тот же эффект, что и пламя. В случае воды сжатие от холода прекращается, и расширение от холода начинается при определенной температуре 39° по шкале Фаренгейта. Кристаллизация фактически начинается здесь, молекулы готовятся к последующему акту затвердевания, который происходит при 32° и в котором расширение внезапно достигает своего апогея. В силу этого расширения лед, как вы знаете, легче воды в пропорции от 8 до 9. [16] Здесь затронута молекулярная проблема большой важности, и я хочу теперь представить вашему вниманию возможное решение этой проблемы для вашего интеллектуального удовлетворения: Рассмотрим идеальный случай ряда магнитов, лишенных веса, но сохраняющих свои полярные силы. Если бы у нас была подвижная жидкость удельного веса стали, мы могли бы реализовать это состояние дел, заставив магниты плавать в ней, поскольку в такой жидкости магниты не тонули бы и не всплывали. Теперь закон всемирного тяготения, сформулированный Ньютоном, гласит, что каждая частица материи любого вида притягивает любую другую частицу с силой, изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния. Следовательно, в силу гравитационного притяжения магниты, если они обладают полной свободой движения, будут медленно сближаться друг с другом. Но помимо неполярной силы гравитации, присущей материи вообще, магниты наделены полярной силой магнетизма. Однако в течение некоторого времени полярные силы не вступают заметным образом в действие. В этом состоянии магниты напоминают наши молекулы воды при температуре, скажем, 50°. Но в конце концов магниты сближаются настолько, что их полюса начинают взаимодействовать. С этого момента действие перестает быть исключительно общим притяжением масс. В игру вступают притяжения особых точек масс и отталкивания других точек; и легко видеть, что перераспределение магнитов вследствие введения этих новых сил может потребовать большего пространства. Полагаю, именно это происходит с нашими молекулами воды. Подобно нашим идеальным магнитам, они некоторое время сближаются как единое целое. До достижения температуры 39° по Фаренгейту полярные силы, несомненно, уже начали действовать, но именно при этой температуре их потребность в большем пространстве точно уравновешивает сжатие, обусловленное холодом. При более низких температурах, что касается изменения объема, полярные силы преобладают. Но они ведут борьбу с силой сжатия до тех пор, пока не будет достигнута температура замерзания. Затем молекулы смыкаются, образуя твердые кристаллы, непосредственным следствием чего является значительное увеличение объема. § 3. Объяснение обычного преломления света с помощью волновой теории. Теперь мы должны показать значение этого акта кристаллизации для оптических явлений. Согласно волновой теории, скорость света в воде и стекле меньше, чем в воздухе. Рассмотрим небольшую часть волны, исходящую из точки света, настолько далекой, что эту малую область можно считать практически плоской. Двигаясь вертикально вниз и падая на горизонтальную поверхность стекла или воды, волна проходила бы через среду без изменения направления. Однако, поскольку скорость в стекле или воде меньше скорости в воздухе, волна будет замедляться при переходе в более плотную среду. Fig. 25. Но предположим, что до достижения стекла волна падает на поверхность наклонно; тот конец волны, который первым достигает среды, будет первым замедлен ею, а остальные части при входе в стекло будут замедляться последовательно. Легко видеть, что это замедление одного конца волны должно заставить ее повернуться и изменить свой фронт, так что после полного вхождения в стекло ее путь станет наклонным по отношению к первоначальному направлению. Согласно волновой теории, свет таким образом преломляется. Руководствуясь этими соображениями, проследим путь пучка монохроматичного света через нашу стеклянную призму. Скорость в воздухе относится к его скорости в стекле как 3:2. Пусть ABC (рис. 25) представляет собой сечение нашей призмы, а ab — сечение плоской волны, приближающейся к ней в направлении стрелки. Когда она достигает cd, один конец волны находится на пороге вхождения в стекло. Прослеживая ее путь дальше, очевидно, что пока часть волны, все еще находящаяся в воздухе, проходит расстояние ce, волна в стекле пройдет лишь две трети этого расстояния, то есть df. Линия ef теперь отмечает фронт волны. Погруженная полностью в стекло, она продолжает свой путь к gh, где конец g волны находится на грани выхода в воздух. За время, необходимое для того, чтобы конец h волны прошел расстояние hk до поверхности призмы, другой конец g, движущийся быстрее, достигнет точки i. Таким образом, волна снова изменила свой фронт, так что после выхода из призмы она направится к lm и далее в направлении стрелки. Преломление луча тем самым полностью объясняется; более того, оно основано на реальном эксперименте, доказывающем, что отношение скорости света в стекке к его скорости в воздухе таково, как упомянуто здесь. Очевидно, что если бы изменение скорости при входе в стекло было большим, преломление также было бы большим. § 4. Объяснение двойного лучепреломления света с помощью волновой теории. Двумя элементами скорости распространения как звука, так и света в любом веществе являются упругость и плотность, причем скорость возрастает с первой и уменьшается со второй. Колоссальная скорость света в звездном пространстве достижима потому, что эфир обладает одновременно бесконечно малой плотностью и колоссальной упругостью. Теперь эфир окружает атомы всех тел, но он не независим от них. В весомой материи он ведет себя так, будто его плотность увеличилась без соразмерного увеличения упругости; и этим объясняется уменьшенная скорость света в преломляющих средах. Здесь мы достигаем пункта кардинальной важности. В силу кристаллической архитектуры, которую мы рассматривали, эфир во многих кристаллах обладает различной плотностью и различной упругостью в разных направлениях; следствием этого является то, что в таких кристаллах свет распространяется с разными скоростями. И поскольку преломление полностью зависит от изменения скорости при входе в преломляющую среду, будучи наибольшим там, где изменение скорости наибольшее, мы наблюдаем во многих кристаллах два разных преломления. С помощью таких кристаллов пучок света разделяется на два. Этот эффект называется двойным лучепреломлением. Например, в обычной воде нет ничего в группировке молекул, что мешало бы идеальной однородности эфира; но когда вода кристаллизуется в лед, дело обстоит иначе. В пластине льда упругость эфира в направлении, перпендикулярном поверхности замерзания, отличается от упругости параллельно поверхности замерзания; следовательно, лед является веществом с двойным лучепреломлением. Двойное лучепреломление с особой наглядностью проявляется в исландском шпате, представляющем собой кристаллизованный карбонат кальция. Разница в плотности эфира в двух направлениях в этом кристалле очень велика, поэтому разделение луча на две половины оказывается особенно поразительным. Я не хочу оставлять эту тему, пока она не станет совершенно понятной для вас. Поскольку колебания света являются поперечными, упругость, участвующая в распространении любого луча, — это упругость под прямым углом к направлению распространения. В исландском шпате есть одно направление, вокруг которого симметрично построены кристаллические молекулы. Это направление называется осью кристалла. Вследствие такой симметрии упругость одинакова во всех направлениях, перпендикулярных оси, и поэтому луч, распространяющийся вдоль оси, не испытывает двойного лучепреломления. Но упругость вдоль оси больше, чем упругость под прямым углом к ней. Рассмотрим теперь систему волн, пересекающих кристалл в направлении, перпендикулярном оси. Для таких волн возможны два направления колебаний: частицы эфира могут колебаться параллельно оси или перпендикулярно ей. Они делают и то и другое и поэтому немедленно разделяются на две системы, распространяющиеся с разными скоростями. Двойное лучепреломление является неизбежным следствием. § 4.\nДвойное лучепреломление света в объяснении волновой теории. Fig. 26. С помощью исландского шпата, распиленного в правильном направлении, двойное лучепреломление легко продемонстрировать. Если пучок лучей, формирующий изображение наших угольных электродов, направить через шпат, то единое изображение мгновенно разделяется на два. Проецируя (с помощью линзы E, рис. 26) изображение отверстия (L), через которое свет выходит из электрической лампы, и вводя шпат (P), мы вместо одного диска немедленно видим на экране два светящихся диска (E O). Два пучка, на которые шпат разделяет единственный падающий пучок, были подвергнуты самым тщательным исследованиям. Они ведут себя по-разному. Один из них подчиняется обычному закону преломления, открытому Снеллом, и потому называется обыкновенным лучом: показатель его преломления равен 1,654. Другой этому закону не подчиняется. Так, показатель его преломления не является постоянным, а меняется от максимального значения 1,654 до минимального 1,483; кроме того, в этом случае падающий и преломленный лучи не всегда лежат в одной плоскости. Поэтому он называется необыкновенным лучом. В исландском шпате, как только что было сказано, обыкновенный луч преломляется сильнее. Одно из следствий этого заслуживает мимолетного внимания. Налейте воду и сероуглерод в два сосуда одинаковой глубины: сосуд, содержащий более сильно преломляющую жидкость, будет казаться более мелким, чем другой. Положите кусок исландского шпата на чернильную точку; видны две точки, причем одна из них кажется глазу ближе другой. Ближайшая точка принадлежит наиболее сильно преломленному лучу, точно так же как ближайшее дно сосуда принадлежит наиболее преломляющей жидкости. Когда вы поворачиваете шпат, необыкновенное изображение точки вращается вокруг обыкновенного, которое остается неподвижным. Таково же поведение и двух наших дисков на экране. § 5.\nПоляризация света в объяснении волновой теории. Двойное лучепреломление исландского шпата впервые рассматривалось в труде Эразма Бартолинуса, опубликованном в 1669 году. Гюйгенс попытался объяснить это явление на основе принципов волновой теории, и это ему удалось. Более того, он сделал чрезвычайно важные наблюдения относительно отличительных особенностей двух пучков, выходящих из шпата, с покорной откровенностью признав, что не разрешил эту трудность, и оставил ее решение будущим временам. Ньютон, размышляя над наблюдениями Гюйгенса, пришел к выводу, что каждый из пучков, проходящих через исландский шпат, имеет две стороны; и по аналогии этой двусторонности с двухполюсностью магнита, в которой заключается его полярность, эти два пучка впоследствии стали называть поляризованными. Изучение поляризации света можно легко и с пользой начать с помощью кристалла турмалина. Но предварительно необходимо иметь четкое представление об обыкновенном пучке света. Ранее уже объяснялось, что колебания отдельных частиц эфира совершаются поперек линии распространения. В случае обыкновенного света частицы эфира следует представлять себе колеблющимися во всех направлениях, или азимутах, как иногда выражаются, поперек этой линии. Теперь, в случае пластинки турмалина, вырезанной параллельно оси кристалла, падающий на пластинку пучок света разделяется на два: один колеблется параллельно оси кристалла, другой — под прямым углом к оси. Группировка молекул и эфира, связанного с молекулами, сводит все падающие на кристалл колебания к этим двум направлениям. Один из этих пучков, а именно тот, чьи колебания перпендикулярны оси, гасится турмалином с чрезвычайной быстротой. Для таких колебаний многие образцы этого кристалла весьма непрозрачны; так что, пройдя через очень малую толщину турмалина, свет выходит наружу со всеми колебаниями, сведенными к одной плоскости. В таком состоянии он представляет собой то, что мы называем плоскополяризованным светом. Fig. 27. Fig. 28. Мгновенное размышление покажет, что, если сказанное здесь верно, при помещении второй пластинки турмалина с осью, параллельной первой, свет пройдет сквозь обе; но если оси будут скрещены, то свет, прошедший через одну пластинку, будет погашен другой, результатом чего станет полное перехватывание света. Давайте проверим этот вывод экспериментом. Перед вами изображение пластинки турмалина (t t, рис. 27). Я помещаю параллельно ей другую пластинку (t' t'): зеленый цвет кристалла лишь немного углубляется, не более того; это согласуетcя с нашим выводом. С помощью бесконечного винта я теперь постепенно поворачиваю один из кристалликов и вы замечаете, что пока обе пластинки наклонены друг к другу, некоторая часть света проходит сквозь них; но когда они оказываются под прямым углом друг к другу, область, общая для обеих, представляет собой темное пространство (рис. 28). Таким образом, наш вывод, полученный до эксперимента, подтверждается. Вернемся теперь к одной пластинке; и здесь позвольте мне заметить, что ваше внимание должно быть приковано к зеленому свету, пропускаемому турмалином. Нам нужно проиллюстрировать двусторонность этого зеленого света в противовес всесторонности обыкновенного света. Белый свет, окружающий зеленое изображение, будучи обыкновенным светом, отражается стеклянным плоским зеркалом во всех направлениях; зеленый свет, напротив, так не отражается. Изображение турмалина теперь горизонтально; при отражении вверх оно по-прежнему остается зеленым; при отражении вбок изображение становится черным из-за неспособности зеленого света отражаться в этом направлении. Сделав пластинку турмалина вертикальной и отразив ее, как и прежде, мы обнаружим, что гасится свет верхнего изображения; боковое же изображение теперь показывает зеленый цвет. Это результат величайшего значения. Если бы колебания света были продольными, подобно звуковым, вы не смогли бы наблюдать ничего подобного; и именно этот эффект заставляет нас предположить, что колебания являются поперечными. Представьте себе это явление отчетливо. В одном случае зеркало принимает, так сказать, удары краев волн, и тогда зеленый свет гасится. В другом случае стороны волн ударяют в зеркало, и зеленый свет отражается. Чтобы сделать угасание полным, свет должен падать на зеркало под особым углом. Каков этот угол, мы узнаем вскоре. Свойство двусторонности, сообщаемое свету дважды преломляющими кристаллами, может быть придано ему и посредством обычного отражения. Малюс открыл это в 1808 году, глядя сквозь исландский шпат на солнечный свет, отраженный от окон Люксембургского дворца в Париже. Я направляю на пластинку оконного стекла пучок от нашей лампы; большая часть света, отраженного от стекла, поляризована. Колебания этого отраженного пучка совершаются главным образом параллельно поверхности стекла, и когда стекло удерживается так, что пучок составляет угол 58° с перпендикуляром к стеклу, весь отраженный пучок оказывается поляризованным. Именно под этим углом изображение турмалина полностью гасло в нашем предыдущем эксперименте. Он называется углом поляризации. Сэр Дэвид Брюстер доказал, что угол поляризации среды — это тот особый угол, при котором преломленный и отраженный лучи образуют прямой угол. [17] Угол поляризации увеличивается с ростом показателя преломления. Для воды он составляет 52½°; для стекла, как уже было сказано, 58°; в то время как для алмаза — 68°. А теперь давайте попытаемся в существенных чертах воспроизвести эксперимент Малюса. Пучок от лампы падает под надлежащим углом на стеклянную пластинку и отражается через шпат. Вместо двух изображений вы видите только одно. Таким образом, свет при поляризации, осуществленной теперь путем отражения, может пройти через шпат только в одном направлении и, следовательно, может дать только одно изображение. Почему так происходит? В исландском шпате, как и в турмалине, все колебания обыкновенного света сводятся к двум плоскостям, перпендикулярным друг другу; но, в отличие от турмалина, оба пучка пропускаются шпатом с одинаковой легкостью. Короче говоря, два пучка, выходящие из шпата, поляризованы, причем их направления колебаний перпендикулярны друг другу. Следовательно, когда свет сначала поляризуется отражением, то направление колебаний в шпате, которое совпадает с направлением колебаний поляризованного пучка, пропускает этот пучок, и только это направление. При данных условиях возможно поэтому лишь одно изображение. Теперь вы заметите, что та логика, которая связывает наши эксперименты, есть не что иное, как слепок с логики природы. На экране перед вами находятся два диска света, полученные вследствие двойного преломления исландского шпата. Как вы знаете, это два изображения отверстия, через которое свет выходит из камеры. Поместив турмалин перед отверстием, мы получим также два изображения кристалла; но давайте теперь заранее рассудим, чего следует ожидать от этого эксперимента. Свет, выходящий из турмалина, поляризован. Если расположить кристалл горизонтально своей осью, то колебания пропускаемого им света будут горизонтальными. Но шпат, как уже говорилось, имеет два направления колебаний, одно из которых в данный момент вертикально, а другое — горизонтально. К какому выводу мы должны прийти? К тому, что зеленый свет будет передаваться вдоль последнего, которое параллельно оси турмалина, а не вдоль первого, которое перпендикулярно этой оси. Отсюда можно заключить, что одно изображение турмалина покажет обыкновенный зеленый свет кристалла, тогда как другое изображение будет черным. Проверенное экспериментом, наше рассуждение подтверждается до буквальности (рис. 29). Fig. 29. Fig. 30. Продвинем нашу проверку еще дальше. С помощью бесконечного винта кристалл можно повернуть на девяносто градусов. Черное изображение по мере моего поворота постепенно становится ярче, а яркое — постепенно темнее; под углом в сорок пять градусов оба изображения одинаково ярки (рис. 30); в то время как при достижении девяноста градусов, когда ось кристалла оказывается вертикальной, яркое и черное изображения меняются местами, точно так же, как заставили бы нас предположить рассуждения (рис. 31). Fig. 31. Fig. 32. Учитывая то, что уже было сказано (стр. 114) относительно отражения света, поляризованного при прохождении через турмалин, вы легко предвидите, что должно произойти, когда мы направим на стеклянную пластинку, удерживаемую под углом поляризации, два пучка, выходящих из нашей призмы исландского шпата. Я заставляю оба пучка проходить рядом через воздух, улавливаю их на стеклянную пластинку и пытаюсь отразить их вверх. Под углом поляризации отразиться таким образом способен только один пучок. Какой именно? Ваш быстрый ответ будет: пучок, колебания которого горизонтальны (рис. 32). Теперь я поворачиваю стеклянную пластинку и пытаюсь отразить оба пучка вбок. Отражается только один из них; а именно тот, колебания которого вертикальны (рис. 33). Ясно, что с помощью либо турмалина, либо отражающего стекла мы можем в один миг определить направление колебаний в любом поляризованном пучке. Fig. 33. Как уже отмечалось, весь пучок обыкновенного света, отраженный от стекла под углом поляризации, оказывается поляризованным; теперь необходимо добавить слово относительно гораздо большей части света, которая пропускается стеклом. Прошедший пучок содержит количество поляризованного света, равное отраженному пучку, но это лишь доля всего прошедшего света. Взяв две пластинки стекла вместо одной, мы увеличиваем количество прошедшего поляризованного света; а взяв пучок пластинок, мы увеличиваем это количество настолько, что делаем прошедший пучок для всех практических целей совершенно поляризованным. Действительно, стопки стеклянных пластинок часто используются как средство получения поляризованного света. Важно отметить, что плоскость колебаний этого прошедшего света перпендикулярна плоскости колебаний отраженного света. Еще одно слово. Когда турмалины скрещены, пространство в месте их пересечения черное. Но мы видели, что малейший наклон кристаллов позволяет свету проходить сквозь оба. Теперь предположим, что при скрещенных пластинках мы помещаем между ними третью пластинку турмалина, ось которой наклонена к обеим. Часть света, пропущенного первой пластинкой, пройдет через эту промежуточную пластинку. Но после того, как он пройдет через нее, его плоскость колебаний изменяется: она больше не перпендикулярна оси расположенного впереди кристалла. Следовательно, он отчасти пройдет сквозь этот кристалл. Таким образом, путем чистых умозаключений мы заключаем, что промежуточное положение третьей пластинки турмалина отчасти уничтожит темноту, вызванную перпендикулярным скрещиванием двух других пластинок. У меня нет третьей пластинки турмалина; однако тальк или слюда, которые вы используете в своих печах, служат более удобным веществом, действующим точно так же. Между скрещенными турмалинами я ввожу пленочку этого кристалла так, чтобы ее ось была наклонена к их осям. Вы видите, как край пленки медленно опускается, и по мере его опускания свет сменяет темноту. Темнота, по сути, словно соскабливается, будто это нечто материальное. Этот эффект естественным, но не вполне корректным образом назван деполяризацией. Его истинный смысл будет раскрыт в нашей следующей лекции. Эти эксперименты и рассуждения, если их только тщательно изучить и понять, составят прочный фундамент для анализа великолепных оптических явлений, подлежащих рассмотрению далее. ЛЕКЦИЯ IV. ХРОМАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПРОИЗВОДИМЫЕ КРИСТАЛЛАМИ В ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ ПРИЗМА НИКОЛЯ ПОЛЯРИЗАТОР И АНАЛИЗАТОР ДЕЙСТВИЕ ТОЛСТЫХ И ТОНКИХ ПЛАСТИНОК СЕЛЕНИТА ЦВЕТА, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ ТОЛЩИНЫ РАЗЛОЖЕНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ПУЧКА НА ДВА ДРУГИХ СЕЛЕНИТОМ ОДИН ИЗ НИХ ЗАДЕРЖИВАЕТСЯ СИЛЬНЕЕ ДРУГОГО ВТОРИЧНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ДВУХ СИСТЕМ ВОЛН АНАЛИЗАТОРОМ ТЕМ САМЫМ СТАНОВИТСЯ ВОЗМОЖНОЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЦВЕТОВ ДЕЙСТВИЕ МЕХАНИЧЕСКИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ИЛИ СЖАТЫХ ТЕЛ ДЕЙСТВИЕ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ ДЕЙСТВИЕ СТЕКЛА, ДЕФОРМИРОВАННОГО ИЛИ СЖАТОГО ТЕПЛОМ ЦИРКУЛЯРНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ ХРОМАТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПРОИЗВОДИМЫЕ КВАРЦЕМ МАГНИТИЗАЦИЯ СВЕТА КОЛЬЦА, ОКРУЖАЮЩИЕ ОСИ КРИСТАЛЛОВ ДВУОСНЫЕ И ОДНООСНЫЕ КРИСТАЛЛЫ ОХВАТ ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ ЦВЕТ И ПОЛЯРИЗАЦИЯ НЕБЕСНОГО СВЕТА СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ НЕБЕС. § 1.\nДействие кристаллов на поляризованный свет: призма Николя. Сегодня вечером мы должны рассмотреть и проиллюстрировать хроматические явления, производимые действием кристаллов и дважды преломляющих тел вообще на поляризованный свет, а также применить волновую теорию для их объяснения. Долгое время исследователи были вынуждены использовать для этой цели пластинки турмалина, и прогресс, достигнутый ими с помощью столь несовершенного средства исследования, поразителен. Но эти люди вкладывали душу в свою работу, и благодаря этому смогли извлечь великие результаты с помощью скромных инструментальных средств. Для наших нынешних целей требуется гораздо более крупная аппаратура, и, к счастью, в последнее время эта потребность в значительной степени удовлетворена. Мы видели и исследовали два пучка, выходящих из исландского шпата, и доказали их поляризацию. Если бы ценой потери половины света мы могли уничтожить один из них, то другой предоставил бы в наше распоряжение пучок поляризованного света, несравненно более мощный, чем любой из тех, что можно получить с помощью турмалина. Fig. 34. Пучки, как вы знаете, преломляются по-разному, и отсюда, как показано в § 4 лекции I, мы можем заключить, что один из них может полностью отразиться, тогда как другой — нет. Искусный оптик по фамилии Николь разрезал кристалл исландского шпата на две половины в определенном направлении. Он отполировал разрезанные поверхности и соединил их вновь с помощью канадского бальзама, причем плоскость соединения была так наклонена к пучку, проходящему через шпат, что обыкновенный луч, который преломляется сильнее всего, полностью отражался бальзамом, тогда как необыкновенному лучу позволялось идти дальше. Пусть b x, c y (рис. 34) представляют сечение удлиненного ромбоэдра исландского шпата, расколотого из кристалла. Пусть этот ромбоэдр разрезан по плоскости b c; а две разделенные поверхности после полировки соединены канадским бальзамом. Из нашей первой лекции мы узнали, что полное отражение происходит только тогда, когда луч стремится выйти из более преломляющей среды в менее преломляющую, и притом при данных обстоятельствах оно всегда происходит, если наклонение достаточно. Показатель преломления исландского шпата для необыкновенного луча меньше, а для обыкновенного больше, чем для канадского бальзама. Следовательно, переходя из шпата в бальзам, необыкновенный луч переходит из менее преломляющей среды в более преломляющую, где полное отражение происходить не может; в то время как обыкновенный луч переходит из более преломляющей среды в менее преломляющую, где полное отражение происходить может. Необходимое наклонение обеспечивается приданием ромбоэдру такой длины, чтобы плоскость, сечением которой является b c, была перпендикулярна двум концевым поверхностям ромбоэдра b x, c y или почти перпендикулярна им. Изобретение призмы Николя стало большим шагом в практической оптике, и совсем недавно такие призмы стали изготавливать в таком размере и такой чистоты, которые позволяют аудиториям, подобным нашей, наблюдать хроматические явления поляризованного света в степени, совершенно недостижимой еще недавно. (Две призмы, использованные в этих экспериментах, были одолжены мне моим оплакиваемым другом г-ном Уильямом Споттисвудом, а изготовлены они г-ном Аренсом, оптиком высочайшего мастерства). § 2.\nЦвета пленок селенита в поляризованном свете. Две призмы Николя играют ту же роль, что и две пластинки турмалина. Если их направления колебаний параллельны, свет проходит сквозь обе; когда же эти направления скрещены, свет гасится. При введении пленки слюды между призмами свет, как и в случае с турмалином, восстанавливается. Но обратите внимание: когда пленка слюды тонка, вы получаете иногда не просто свет, но цветной свет. Наша работа в течение некоторого времени будет состоять в исследовании таких цветов. С этой целью я возьму типичный кристалл, с которым легко обращаться, поскольку он с величайшей легкостью расщепляется — кристалл гипса, или селенита, представляющий собой кристаллизованный сульфат кальция. Между скрещенными Николями я помещаю толстую пластинку этого кристалла; подобно слюде, она восстанавливает свет, но не дает никакого цвета. Перочинным ножом я откалываю от кристалла тонкую щепочку и кладу ее между призмами; изображение щепочки сияет самыми богатыми цветами. При поворачивании передней призмы эти цвета постепенно бледнеют и исчезают, но при продолжении вращения до тех пор, пока колеблющиеся сечения призм не окажутся параллельными друг другу, вновь возникают яркие цвета, но эти цвета являются дополнительными к прежним. Некоторые участки щепочки кажутся одного цвета, некоторые — другого. Эти различия обусловлены неодинаковой толщиной пленки. Как и в случае тонких пластинок Гука, если толщина однородна, то и цвет однороден. Здесь, например, представлена звездчатая форма, причем каждый ромб звезды представляет собой пленку гипса одинаковой толщины: вы замечаете, что каждый ромб демонстрирует блестящий и однородный цвет. Придавая нашим пленкам формы цветов или других объектов, легко демонстрировать такие объекты в оттенках, недостижимых искусством. Здесь, например, представлен экземпляр анютиных глазок, цвета которых вы смело можете поручиться художник не сможет воспроизвести. Повернув передний Николь на 90 градусов, мы проходим через бесцветную фазу к ряду цветов, дополнительных к прежним. Это изменение еще более поразительно продемонстрировано розовым кустом, который предстает теперь в своих естественных оттенках — красный цветок и зеленые листья; повернув призму на 90 градусов, мы получаем зеленый цветок и красные листья. Все эти удивительные хроматические эффекты имеют определенные механические причины в движениях эфира. Должным образом примененный и истолкованный принцип интерференции объясняет их все. § 3.\nЦвета кристаллов в поляризованном свете в объяснении волновой теории. К этому времени вы усвоили, что слово «свет» может употребляться в двух разных смыслах: оно может означать впечатление, производимое на сознание, или физическую причину этого впечатления. Именно с этой причиной мы должны иметь дело в настоящее время. Светоносный эфир — это вещество, которое заполняет все пространство и окружает атомы и молекулы тел. Эту межзвездную и межатомную среду наделяют определенными механическими свойствами, и мы обращаемся с ней в наших рассуждениях и вычислениях как с телом, обладающим этими свойствами. В механике мы имеем сложение и разложение сил и движений, простирающееся до сложения и разложения колебаний. Мы рассматриваем светоносный эфир на механических принципах и из сложения и разложения его колебаний выводим все явления, обнаруживаемые кристаллами в поляризованном свете. Fig. 35. Возьмем в качестве примера кристалл турмалина, с которым мы теперь так хорошо знакомы. Пусть колебание пересекает этот кристалл под наклоном к его оси. Эксперимент заверил нас, что часть света пройдет сквозь него. Количество, которое проходит, мы определяем следующим образом. Пусть A B (рис. 35) — ось турмалина, а a b представляет амплитуду косого эфирного колебания до его достижения A B. Из a и b опустим два перпендикуляра a c и b d на ось: тогда c d будет амплитудой прошедшего колебания. Я сейчас попрошу вас следить за мной, пока я пытаюсь объяснить эффекты, наблюдаемые при помещении пленки гипса между двумя призмами Николя. Но перед этим желательно еще более утвердить аналогию между действием призм и действием двух пластинок турмалина. Увеличенные изображения этих пластинок с их осями под прямым углом друг к другу находятся сейчас перед вами. Вводя между ними пленку селенита, вы замечаете, что при повороте пленки ее можно поместить в положение, в котором она не имеет способности уничтожать темноту наложенных друг на друга частей турмалинов. Почему так? Ответ заключается в том, что в гипсе имеются два направления, перпендикулярные друг другу, в которых только и могут происходить колебания, и что в нашем нынешнем эксперименте одно из этих направлений параллельно одной из осей турмалина, а другое параллельно другой оси. Когда это так, пленка не оказывает заметного действия на свет. Но теперь я поворачиваю пленку так, чтобы сделать направления ее колебаний наклонными к двум осям турмалина; тогда, как вы видите, она проявляет способность, продемонстрированную в прошлой лекции, частично восстанавливать свет. Fig. 36. Установим теперь наши призмы Николя и скрестим их так же, как мы скрещивали турмалин. Вводя нашу пленку гипса между ними, вы замечаете, что в одном определенном положении пленка не оказывает абсолютно никакого влияния на поле зрения. Но когда пленка немного поворачивается, свет проходит. Теперь мы должны понять тот механизм, посредством которого это осуществляется. Во-первых, у нас есть призма, принимающая свет от электрической лампы и называемая поляризатором. Затем у нас есть пластинка гипса (предположительно помещенная в точку S, рис. 36), а после нее — передняя призма, называемая анализатором. При выходе из первой призмы свет поляризуется; и в рассматриваемом сейчас конкретном случае его колебания совершаются в горизонтальной плоскости. Мы должны рассмотреть, что происходит, когда два направления колебаний в промежуточном гипсе наклонены к горизонту. Нарисуем прямоугольный крест (A B, C D, рис. 37), представляющий эти два направления. Проведем линию (a b), обозначающую амплитуду горизонтального колебания при выходе света из первого Николя. Опустим из каждого конца этой линии два перпендикуляра (a c, a f, b d, b e) на два плеча креста; тогда расстояния (c d, e f) между основаниями этих перпендикуляров представляют амплитуды двух прямоугольных колебаний, которые являются составляющими первого единичного колебания. Таким образом, поляризованный луч при входе в гипс расщепляется на две свои составляющие, которые колеблются под прямым углом друг к другу. Fig. 37. В одном из этих двух прямоугольных направлений эфир внутри гипса более инертен, чем в другом; и вследствие этого волны, идущие в этом направлении, задерживаются сильнее остальных. В обоих случаях волны укорачиваются при входе в гипс, но в одном случае они укорачиваются сильнее, чем в другом. Вы можете легко представить, что таким образом одна система волн может опередить другую на пол-длины волны или, во всяком случае, на любое число полуволн. Мысль о возможности интерференции здесь сразу же мелькает в сознании. Однако небольшое размышление делает очевидным, что пока колебания совершаются под прямым углом друг к другу, они не могут гасить друг друга, каково бы ни было запаздывание. Это сразу приводит нас к роли, которую играет анализатор. Его единственная функция заключается в том, чтобы вторично соединить два колебания, выходящих из гипса. Он сводит их к одной плоскости, где в случае надлежащего запаздывания одного из них произойдет угасание. Но здесь, как и в случае тонких пленок, вступают в действие различные длины световых волн. Красный цвет потребует большей толщины для производства запаздывания, необходимого для угасания, чем синий; следовательно, когда более длинные волны удаляются посредством интерференции, более короткие остаются, и пленка гипса сияет цветами, которые придают короткие волны. И наоборот, когда более короткие волны удалены, толщина оказывается такова, что остаются более длинные волны. Элементарное соображение показывает, что когда направления колебаний призм и гипса образуют угол в сорок пять градусов, цвета достигают максимальной яркости. Когда пленка отклоняется от этого направления, цвета постепенно бледнеют, пока в точке, где направления колебаний в пластинке и призмах параллельны, они не исчезают совсем. (Лучший способ получить представление об этих явлениях — построить модель из тонкого дерева или картона, представляющую пластинку гипса, ее плоскости колебаний, а также плоскости поляризатора и анализатора. Две параллельные детали из картона должны быть разделены промежутком, который будет представлять толщину пленки гипса. Между ними две другие детали, пересекающиеся под прямым углом друг к другу, должны представлять плоскости колебаний внутри пленки; в то время как к двум параллельным поверхностям снаружи прикреплены еще две картонные детали, представляющие плоскости колебаний поляризатора и анализатора. На двух пересекающихся плоскостях должны быть нарисованы волны, показывающие расщепление первого поляризованного пучка на два других, а затем последующее приведение двух систем колебаний к общей плоскости анализатором. Строго прослеживая взаимодействие двух систем волн, такая модель учит нас тому, что все цветовые явления, получаемые комбинацией волн, когда плоскости колебаний двух Николей параллельны, сменяются дополнительными явлениями, когда плоскости колебаний перпендикулярны друг другу.) При рассмотрении следующего вопроса мы для простоты будем оперировать монохроматическим светом — например, красным светом, который легко получается чистым с помощью красного стекла. Предполагая, что некоторая толщина гипса производит запаздывание на пол-длины волны, вдвое большая толщина произведет запаздывание в две полуволны, втрое большая — запаздывание в три полуволны и так далее. Теперь, когда Николи параллельны, запаздывание на пол-длины волны или на любое нечетное число полуволн приводит к угасанию; с другой стороны, при всех толщинах, соответствующих запаздыванию на четное число полуволн, оба пучка поддерживают друг друга, когда они приводятся анализатором к общей плоскости. Предполагая затем, что мы берем пластинку клиновидной формы, которая постепенно утолщается от края к основанию, мы должны ожидать в красном свете ряда повторяющихся полос света и темноты; темные полосы возникают при толщинах, производящих запаздывания в одну, три, пять и т. д. полуволн, в то время как светлые полосы возникают между темными. Эксперимент доказывает, что клиновидная пленка показывает эти полосы. Они также прекрасно видны на круглой пленке, обработанной так, чтобы она была тоньше всего в центре и постепенно увеличивала толщину от центра к краям. Таким образом создается великолепный ряд колец света и темноты. Когда вместо красного света мы используем синий, кольца также видны: но поскольку они возникают на более тонких участках пленки, они меньше колец, получаемых с красным светом. Теперь можно сделать вывод о последствиях применения белого света; поскольку красный и синий цвета приходятся на разные места, белый свет порождает иризирующие кольца. Некоторые хроматические эффекты неправильной кристаллизации предельны по своей красоте. Если бы я мог ввести между нашими двумя Николями оконное стекло, покрытое морозными узорами, которые теперь столь часты при вашей холодной погоде, результатом стали бы насыщенные цвета. Прекрасные эффекты неправильной кристаллизации винной кислоты и других веществ на стеклянных пластинках, представленные вам сейчас, иллюстрируют то, чего можно ожидать от замерзшего оконного стекла. И не только кристаллические тела так действуют на свет, но почти все тела, обладающие определенной структурой, поступают так же. Как правило, органические тела действуют на свет подобным образом, ибо их архитектура подразумевает расположение молекул и связанного с молекулами эфира, которое влечет за собой двойное лучепреломление. Пленка рогового вещества или срез раковины, например, дают очень красивые цвета в поляризованном свете. В дереве эфир несомненно обладает разными степенями упругости вдоль волокна и поперек него; и будь дерево прозрачным, эта особенность молекулярной структуры непременно проявилась бы в хроматических явлениях вроде тех, что вы видели. § 4.\nЦвета, производимые деформацией и давлением. Не только естественные тела ведут себя таким образом, но, как показал Брюстер, искусственной деформацией или давлением можно придать временную структуру двойного лучепреломления некристаллическим телам, таким как обычное стекло. Этот момент заслуживает иллюстрации. Когда я помещаю брусок дерева поперек колена и пытаюсь сломать его, каково механическое состояние бруска? Он изгибается, и его выпуклая поверхность испытывает продольную деформацию; его вогнутая поверхность, та, что ближе к колену, подвергается продольному сжатию. И в деформированной части дерева, и в сжатой его части эфир приходит в состояние, которое делало бы дерево дважды преломляющим, будь оно прозрачным. Ибо в подобных случаях растяжение молекул в продольном направлении всегда сопровождается их сближением в поперечном направлении; тогда как продольное сжатие сопровождается поперечным удалением. Каждая половина деревянного бруска демонстрирует эту противоположность и потому является дважды преломляющей. Повторим теперь этот эксперимент со стеклянным бруском. Между скрещенными Николями я ввожу такой брусок. По тусклому остатку света, задерживающемуся на экране, вы видите изображение стекла, но оно не оказывает никакого влияния на свет. Я просто сгибаю стеклянный брусок пальцами, сохраняя его длину наклонной к направлениям колебаний в Николях. Свет мгновенно вспыхивает на экране. Две стороны бруска освещены, края сильнее всего, поскольку здесь деформация и давление наибольшие. Переходя от продольной деформации к продольному сжатию, мы пересекаем участок стекла, где не прилагается ни то, ни другое. Это так называемая нейтральная ось стеклянного бруска, и вдоль нее вы видите темную полосу, указывающую на то, что стекло вдоль этой оси не оказывает никакого действия на свет. Применение силы пресса вместо силы моих пальцев значительно усиливает яркость света. Далее, у меня есть квадрат из стекла, который можно поместить в пресс другого рода. При введении несжатого квадрата между призмами заявляет о себе его нейтральность; однако его едва ли удается удержать в прессе с достаточной свободой, чтобы предотвратить проявление его действия. Уже сейчас, хотя давление ничтожно мало, вы видите световые пятна в точках соприкосновения пресса со стеклом. При повороте винта изображение стеклянного квадрата вспыхивает на экране. Видимы светящиеся пространства, отделенные друг от друга темными полосами. Fig. 38 Каждые два соседних пространства находятся в противоположных механических состояниях. По одну сторону темной полосы мы имеем деформацию, по другую сторону — давление, причем полоса отмечает нейтральную ось между тем и другим. Я затягиваю тиски, и вы видите цвет; затягиваете еще сильнее, и цвета кажутся столь же насыщенными, как те, что представлены кристаллами. При ослаблении тисков цвета внезапно исчезают; при внезапном затягивании они появляются вновь. По цветам мыльного пузыря Ньютон смог судить о толщине пузыря, связав тем самым узами мысли кажущиеся несочетаемыми вещи. По представленным здесь цветам можно судить о величине приложенного давления. Действительно, покойный М. Вертгейм из Парижа изобрел прибор для определения деформаций и давлений по цветам поляризованного света, который превосходил по точности все предыдущие приборы подобного рода. И теперь мы должны довести эти соображения до окончательной иллюстрации. Поляризованный свет может быть использован различным образом в качестве анализатора молекулярного состояния. Его можно, например, применять для выявления состояния твердого тела, когда оно становится звучным. Полоска стекла длиной шесть футов, шириной два дюйма и толщиной в четверть дюйма удерживается по центру между пальцами. Проведя влажной шерстяной тряпкой по одной из ее половин, вы слышите высокий звук, обусловленный колебаниями стекла. Каково состояние стекла во время звучания? Такое: две его половины удлиняются и укорачиваются в быстром чередовании. Следовательно, два его конца находятся в состоянии быстрого колебания; но в центре импульсы с двух концов попеременно встречаются и удаляются друг от друга. Под воздействием их противоположных сил стекло в центре остается неподвижным, но, с другой стороны, оно попеременно деформируется и сжимается. На рис. 38 A B можно принять за стеклянный прямоугольник с уплотненным центром; в то время как A' B' представляет тот же прямоугольник с разреженным центром. Концы полоски не испытывают ни сгущения, ни разрежения. Если мы введем стеклянную полоску (s s', рис. 39) между скрещенными Николями, позаботившись о том, чтобы сохранить ее наклонной к направлениям колебаний Николей, и проведем нашим влажным куском резины по стеклу, произойдет следующее: в каждый момент сжатия свет будет вспыхивать; в каждый момент деформации свет также будет вспыхивать; и эти состояния деформации и давления будут следовать друг за другом столь быстро, что мы можем ожидать появления устойчивого светового впечатления на глазу. Таким образом, путем чистого умозаключения мы приходим к выводу, что свет будет возрождаться всякий раз, когда звучит стекло. Эксперимент подтверждает, что это так: при каждом проведлении куском резины (h, рис. 39) прекрасный светящийся диск (O) вспыхивает на экране. Эксперимент можно разнообразить следующим образом: поместив перед поляризатором пластинку закаленного особым образом стекла, вы получаете ряд прекрасно окрашенных колец, пересеченных черным крестом. Каждое проведение куском резины не только уничтожает кольца, но и вводит дополнительные, причем черный крест на мгновение вытесняется белым. Это модификация прекрасного эксперимента, которым мы обязаны Био. Однако его аппаратура позволяла наблюдать его только одному человеку за раз. Fig. 39. § 5.\nЦвета закаленного стекла. Тела обычно расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Если тепло подводится с абсолютной равномерностью, никакие локальные деформации или давления не возникают; но если одна часть твердого тела нагрета, а другая не нагрета, расширение нагретой части порождает деформации и давления, которые обнаруживают себя при исследовании с помощью поляризованного света. Когда квадрат обычного оконного стекла помещается между Николями, вы видите его тумный контур, но он не оказывает никакого действия на поляризованный свет. Если подержать его мгновение над пламенем спиртовки и вновь поместить между Николями, свет вспыхивает на экране. Здесь, как и в случае механического воздействия, вы имеете светящиеся области деформации, отделенные темными нейтральными осями от областей давления. Fig. 40. Fig. 41. Применим тепло более симметрично. В небольшом квадрате стекла в центре просверлено отверстие, и в это отверстие вставлен кусочек медной проволоки. Поместив квадрат между призмами и нагревая проволоку, тепло посредством теплопроводности передается стеклу, сквозь которое оно распространяется от центра кнаружи. Вы тотчас видите четыре светящихся квадранта и тусклый крест, который становится постепенно все чернее по сравнению с окружающей яркостью. И как в случае давления мы получали цвета, так и здесь при правильном применении тепла могут быть вызваны великолепные хроматические эффекты. Условие, необходимое для производства этих цветов, можно сделать постоянным, предварительно достаточно сильно нагрев стекло, а затем охладив его так, чтобы охлажденная масса оставалась в состоянии постоянной деформации и давления. Два или три примера проиллюстрируют этот момент. Рис. 40 и 41 представляют фигуры, полученные с двумя подготовленными таким образом кусочками стекла; два прямоугольных кусочка закаленного стекла, скрещенных и помещенных между поляризатором и анализатором, демонстрируют красивые иризирующие полосы, изображенные на рис. 42. Fig. 42. § 6.\nЦиркулярная поляризация. Но мы должны проследить за эфиром еще дальше в его тайники. Перед вами подвешен маятник, который при отведении в сторону и освобождении совершает колебания туда и обратно. Если в момент прохождения маятником средней точки его отклонения я ударю по нему так, чтобы толчок был направлен под прямым углом к его прежнему пути, что произойдет? Два импульса сложатся в колебание, наклоненное по направлению к первому, но маятник по-прежнему будет совершать колебания в одной плоскости. Однако если прямоугольный толчок придается маятнику в момент достижения им предельной точки его качания, то сложение двух импульсов заставляет подвешенный шарик описывать не прямую линию, а эллипс; и если толчок сам по себе способен вызвать колебание той же амплитуды, что и первое, эллипс превращается в круг. Почему я останавливаюсь на этих вещах? Просто чтобы дать вам понять сходство этих грубых механических колебаний с колебаниями света. Я держу в руке пластинку кварца, вырезанную из кристалла перпендикулярно его оси. Кристалл, вырезанный таким образом, обладает необычайной способностью скручивать плоскость колебаний поляризованного луча на величину, зависящую от толщины кристалла. Причем чем более преломляем свет, тем больше величина скручивания; так что при использовании белого света его составляющие цвета таким образом разделяются. Поместив пластинку кварца между поляризатором и анализатором, мы видим этот яркий красный цвет; а при повороте переднего анализатора справа налево последовательно появляются другие цвета спектра. Были найдены образцы кварца, которые требуют поворота анализатора слева направо для получения той же последовательности цветов. Кристаллы первого класса поэтому называются правыми, а второго класса — левыми кристаллами. Обладая глубокой проницательностью, Френель, чьему гению мы главным образом обязаны развитием и окончательным триумфом волновой теории света, мысленно воспроизвел механизм этих кристаллов и показал, что их действие обусловлено обстоятельством, при котором в них волны эфира действуют друг на друга так, чтобы произвести состояние, представленное нашим вращающимся маятником. Вместо плоскополяризованного свет в горном хрустале оказывается циркулярно поляризованным. Два таких луча, распространяющиеся вдоль оси кристалла и вращающиеся в противоположных направлениях, при приведении их к интерференции анализатором доказано способны произвести все наблюдаемые явления. § 7.\nДополнительные цвета дважды преломляющего шпата в циркулярно поляризованном свете. Доказательство того, что желтый и синий цвета являются дополнительными. Fig. 43. Я удаляю анализатор и ставлю на его место тот кусочек исландского шпата, с помощью которого мы уже иллюстрировали двойное лучепреломление. Два изображения угольных электродов теперь перед вами, созданные, как вы знаете, двумя пучками, колеблющимися под прямым углом друг к другу. Вводя пластинку кварца между поляризатором и шпатом, мы видим, как оба изображения сияют дополнительными цветами. Используя изображение отверстия вместо изображения угольных электродов, мы получаем два цветных круга. При вращении анализатора цвета претерпевают различные изменения, но они всегда остаются дополнительными. Когда один красный — другой зеленый; когда один желтый — другой синий. Здесь мы имеем возможность заново продемонстрировать утверждение, сделанное в нашей первой лекции, о том, что хотя смешение синей и желтой красок дает зеленый цвет, смешение синего и желтого света дает белый цвет. Увеличивая наше отверстие, мы заставляем два изображения, создаваемые шпатом, сблизиться и в конце концов перекрыться. Теперь одно изображение представляет собой ярко-желтый цвет, другое — ярко-синий, и вы замечаете, что там, где эти цвета накладываются друг на друга, мы получаем чистый белый цвет. (См. рис. 43, где N — конец поляризатора, Q — пластинка кварца, L — линза, а B — дважды преломляющий шпат. Два изображения перекрываются в точке O и при их смешении дают белый цвет.) § 8.\nМагнетизм света. Это подводит нас к такому пункту наших исследований, который, хотя и редко иллюстрируется на лекциях, тем не менее столь сильно способен повлиять на дальнейший ход научной мысли, что я не желаю обойти его молчанием. Я имею в виду эксперимент, который Фарадей, его первооткрыватель, назвал «магнетизмом света». Установка для этого знаменитого опыта сейчас перед вами. У нас есть, во-первых, наша электрическая лампа, затем никоновская призма для поляризации луча, выходящего из лампы, затем электромагнит, второй никоновский элемент и, наконец, наш экран. В данный момент призмы скрещены, и экран темчен. Я помещаю между полюсами электромагнита цилиндр из особого рода стекла, впервые изготовленного Фарадеем и названного тяжелым стеклом Фарадея. Через это стекло теперь проходит луч от поляризатора, преграждаемый расположенным спереди Николем. При включении магнита на экране мгновенно появляется свет. Под действием магнита на тяжелое стекло плоскость колебаний поворачивается, благодаря чему свет получает возможность пройти через анализатор. Fig. 44 Два класса, на которые делятся кристаллы кварца, уже упоминались. В моей руке находится составная пластинка, одна половина которой взята от правовращающего, а другая — от левовращающего кристалла. Поместив пластинку перед поляризатором, я поворачиваю один из Николей до тех пор, пока обе половины пластинки не приобретут общий пунцовый цвет. Это дает чрезвычайно чувствительное средство для визуализации действия магнита на свет. Поворачивая поляризатор или анализатор хотя бы на малейший угол, однородность цвета исчезает, и обе половины кварца показывают разные цвета. Магнит производит эффект, эквивалентный этому вращению. Пунцовый круг теперь перед вами на экране (см. рис. 44, где N — сопло лампы, H — первый Николь, Q — бикварцевая пластинка, L — линза, M — электромагнит с тяжелым стеклом между его просверленными полюсами, а P — второй Николь). При включении магнита одна половина изображения внезапно становится красной, а другая — зеленой. При прерывании тока оба цвета исчезают, и восстанавливается исходный пунцовый цвет. Более того, это действие зависит от полярности магнита или, другими словами, от направления тока, окружающего магнит. При изменении направления тока красный и зеленый цвета появляются снова, но они меняются местами: красный, который раньше был справа, оказывается слева, а зеленый — справа. С величайшей изобретательностью Фарадей проанализировал все эти действия и сформулировал их законы. Однако этот эксперимент долгое время оставался скорее научной диковинкой, чем плодотворным зерном. В том, что он принесет плоды высочайшей важности, Фарадей был глубоко убежден, и современные исследования находятся на пути к подтверждению его убеждения. § 9.\nРадужные кольца вокруг осей кристаллов. Необходимо сказать еще несколько слов, чтобы завершить наше представление о чудесном взаимодействии между весомыми молекулами и эфиром, пронизывающим их. Симметрия молекулярного расположения подразумевает симметрию со стороны эфира; атомная ассиметрия, с другой стороны, влечет за собой ассиметрию эфира и, как следствие, двойное лучепреломление. В определенном классе кристаллов структура однородна, и такие кристаллы не производят двойного лучепреломления. В некоторых других кристаллах молекулы расположены симметрично вокруг определенной линии, а не вокруг других. Следовательно, вдоль первой луч не разделяется, тогда как во всех остальных направлениях мы наблюдаем двойное лучепреломление. Лед служит привычным примером: его молекулы выстроены с совершенной симметрией вокруг перпендикуляров к плоскостям замерзания, и луч, направленный через лед в этом направлении, не преломляется двояко, тогда как во всех остальных направлениях преломляется. Исландский шпат — другой пример того же рода: его молекулы выстроены симметрично вокруг линии, соединяющей два тупых угла ромбоэдра. В этом направлении луч не испытывает двойного лучепреломления, во всех остальных — испытывает. Это направление отсутствия двойного лучепреломления называется оптической осью кристалла. Следовательно, если вырезать из кристалла исландского шпата пластинку перпендикулярно оси, все лучи, направленные сквозь эту пластинку в направлении оси, дадут лишь одно изображение. Но как только мы отклоняемся от параллельности с осью, начинается двойное лучепреломление. Поэтому, если пучок, сделанный коническим с помощью собирающей линзы, пропустить через шпат так, чтобы центральный луч конуса проходил вдоль оси, только этот луч избежит двойного лучепреломления. Каждый из остальных разделится на обыкновенный и необыкновенный лучи, причем один движется сквозь кристалл медленнее другого; следовательно, один оказывается запаздывающим по отношению к другому. Здесь мы имеем условия для интерференции, когда волны сводятся анализатором к общей плоскости. Поместив пластинку исландского шпата между скрещенными никоновскими призмами и используя конический пучок, мы получаем на экране прекрасную систему радужных колец, окружающих конец оптической оси, причем круговые цветные полосы пересекаются черным крестом (рис. 45). Ветви этого креста параллельны двум направлениям колебаний в поляризаторе и анализаторе. Нетрудно видеть, что те лучи, плоскости колебаний которых внутри шпата совпадают с плоскостью колебаний любой из призмы, не могут пройти сквозь обе. Это полное перехватывание образует ветви креста. Fig. 45. При монохроматическом свете кольца были бы просто светлыми и черными: светлые кольца возникают при тех толщинах шпата, которые заставляют лучи усиливать друг друга, а черные — при тех толщинах, которые заставляют их гасить друг друга. Повернув анализатор на 90°, мы получаем дополнительные явления. Черный крест уступает место светлому, и каждое темное кольцо также вытесняется светлым (рис. 46). Здесь, как и везде, различные длины световых волн порождают радужные цвета при использовании белого света. Fig. 46. Fig. 47. Помимо регулярных кристаллов, которые ни в каком направлении не производят двойного лучепреломления, и одноосных кристаллов, которые производят его во всех направлениях, кроме одного, Брюстер обнаружил, что в большом классе кристаллов имеются два направления, в которых двойное лучепреломление не происходит. Они называются двуосными кристаллами. Когда пластинки этих кристаллов, должным образом вырезанные, помещаются между поляризатором и анализатором, оси (A A', рис. 47) видны окруженными не кругами, а кривыми другого порядка и совершенно определенного математического характера. Каждая полоса, как экспериментально доказал Гершель, образует лемнискату; но этому экспериментальному доказательству, как и в бесчисленных других случаях, предшествовало дедуктивное умозаключение, показавшее, что согласно волновой теории полосы должны обладать именно этим особым характером. § 10.\nМощность волновой теории. Я охватил столь широкий диапазон вопросов, касающихся самой поляризации и явлений, демонстрируемых кристаллами в поляризованном свете, чтобы дать вам некоторое представление о прочности и полноте теории, которая охватывает их все. Исходя из единственного предположения о поперечных колебаниях, мы прежде всего определяем длины волн и обнаруживаем, что от них зависят все явления цвета. Длины волн могут быть определены множеством независимых способов. Ньютон фактически определил их, измеряя периоды своих колец: длина кольца, по сути, равна четверти колебания. Длины волн могут быть определены с помощью дифракции на краях щели (как в Приложении к этим лекциям); они могут быть выведены из интерференционных полос, образующихся при отражении; из полос, образующихся при преломлении; а также с помощью линий, процарапанных алмазом на стекле на измеренных расстояниях друг от друга. И когда длины, определенные этими независимыми методами, сопоставляются друг с другом, между ними обнаруживается строжайшее соответствие. Имея в своем распоряжении длины волн, мы прослеживаем эфир в сложнейших случаях взаимодействия между ним и обычной материей; «теория справляется со всеми ними. Она не выдвигает ни единой новой физической гипотезы; но из своего первоначального запаса принципов она извлекает соответствия всего того, что показывает наблюдение. Она объясняет, истолковывает, упрощает самые запутанные случаи; исправляет известные законы и факты; предсказывает и раскрывает неизвестные; становится путеводительницей своего бывшего учителя — Наблюдения; и, просвещенная механическими концепциями, обретает проницательность, которая сквозь форму и цвет проникает к силе и причине» [18]. Но, стремясь таким образом продемонстрировать вам мощь волновой теории как разрешителя всех трудностей оптики, желаю ли я тем самым, чтобы вы закрывали глаза на любые свидетельства, которые могут возникнуть против нее? Отнюдь нет. Вы можете утверждать, и справедливо утверждать, что сто лет назад выдающиеся люди придерживались другой теории, и что, поскольку придерживавшаяся тогда теория уступила свои позиции, волновая теория тоже может оказаться вынужденной уступить. Это кажется разумным; но давайте поймем точное значение этого довода. Подобным образом человек во времена Ньютона или даже в наши дни мог бы рассуждать следующим образом: Гиппарх, Птолемей и множество великих людей после них верили, что земля является центром солнечной системы. Но это глубоко укоренившееся теоретическое представление должно было уступить место, и гелиоцентрическая теория в свою очередь также может оказаться вынужденной уступить. Это ровно так же разумно, как и первый довод. В чем заключается сила нынешней теории гравитации? Исключительно в ее способности объяснять все явления солнечной системы. В чем заключается сила теории волновых колебаний? Исключительно в ее способности распутать и объяснить явления, в сто раз более сложные, чем явления солнечной системы. Примите, если хотите, скептицизм мистера Милля [19] в отношении волновой теории; но если ваш скептицизм является философским, он погрузит теорию гравитации в такое же или еще большее сомнение [20]. § 11.\nСинева неба. Я не желаю расставаться с этими явлениями цвета, не обратившись к источнику окраски, который в последнее время часто представал передо мной в синеве ваших полуденных небес и глубоком багрянце вашего горизонта после захода солнца. Я суммирую здесь и расширю то, что говорил об этом предмете в других местах. Могут быть приведены доказательства самого убедительного характера, показывающие, что синий свет небосвода — это отраженный свет. Этот свет приходит к нам поперек направления солнечных лучей и даже против направления солнечных лучей; и этот боковой и встречный порыв волнового движения может быть объяснен только отскоком волн от самого воздуха или от чего-то, взвешенного в воздухе. Более того, солнечный свет рассеивается небом не в тех пропорциях, которые дают белый цвет. Небо синее, что указывает на избыток более коротких волн. Голубизна воздуха называлась причиной синевы неба; но тогда возникает вопрос: если воздух синий, то как свет восхода и захода солнца, проходящий через громадные толщи воздуха, может быть желтым, оранжевым или даже красным? Прохождение белого солнечного света через синюю среду никоим образом не могло бы сделать свет красным; следовательно, гипотеза о синей атмосфере несостоятельна. По сути, агент, каков бы он ни был, посылающий нам свет неба, производит при этом дихроичное действие. Отраженный свет — синий, прошедший — оранжевый или красный. Таким образом обнаруживается резкое различие между отражением от неба и отражением от обычного облака, которое не производит подобного дихроичного действия. Облако, по сути, не принимает во внимание размеры волн эфира, но отражает их все одинаково. Причиной этого может быть то, что частицы облака настолько велики по сравнению с размерами волн эфира, что рассеивают их все без разбора. Широкая скала отражает атлантический вал так же легко, как и рябь, произведенную крылом морской птицы; и при наличии крупных отражающих поверхностей существующие различия в величине среди волн эфира также могут исчезать. Но предположим, что отражающие частицы не очень велики, а очень малы по сравнению с размерами волн. Тогда вместо того, чтобы вся волна встречала преграду спереди и большей частью отбрасывалась назад, преградой откалывается лишь небольшая ее часть. Предположим теперь, что такие мельчайшие посторонние частицы рассеяны в нашей атмосфере. Волны всех размеров падают на них, и при каждом столкновении часть падающей волны отщепляется. Таким образом, воздействию подвергаются все волны спектра, от крайнего красного до крайнего фиолетового; но в каких пропорциях они будут рассеиваться? Крупность — вещь относительная; и чем меньше волна, тем больше относительный размер любой частицы, на которую волна падает, и тем больше также относительное отражение. Маленький камешек, помещенный на пути кольцевой ряби, производимой тяжелыми дождевыми каплями на тихом пруду, отбросит назад большую часть каждой падающей на него ряби, в то время как доля более крупной волны, отброшенная тем же камешком, может оказаться ничтожно малой. Теперь, чтобы сохранить солнечный свет белым, пропорции его составляющих не должны изменяться; но при рассеянии света этими весьма мелкими частицами мы видим, что пропорции изменяются. Меньшие волны находятся в избытке, и в результате в рассеянном свете преобладающим цветом будет синий. Остальные цвета спектра должны в некоторой степени сочетаться с синим: они не отсутствуют, а находятся в недостатке. По сути, мы должны иметь их все, но в убывающих пропорциях — от фиолетового к красному. Таким образом, путем рассуждений мы пришли к выводу, что если бы в нашей атмосфере были рассеяны частицы, малые по сравнению с размерами волн эфира, свет, рассеянный этими частицами, был бы именно таким, какой мы наблюдаем в нашем лазоревом небе. И действительно, когда этот свет анализируется, все цвета спектра обнаруживаются в пропорциях, указанных нашим выводом. В результате последовательных столкновений с частицами белый свет все больше и больше лишается своих более коротких волн; поэтому он все больше и больше теряет свою надлежащую долю синего. Результат можно предвидеть. Прошедший свет на умеренных расстояниях будет казаться желтоватым. Но по мере того как солнце опускается к горизонту, атмосферное расстояние увеличивается, а следовательно, растет и число рассеивающих частиц. Они последовательно ослабляют фиолетовый, индиго, синий и даже нарушают пропорции зеленого. Прошедший свет при таких обстоятельствах должен переходить от желтого через оранжевый к красному. Именно это мы и находим в природе. Таким образом, в то время как отраженный свет дает нам в полдень глубокую лазурь альпийских небес, прошедший свет дает нам на закате теплый багрянец альпийских снегов. Но можно ли действительно доказать, что мелкие частицы действуют указанным образом? Несомненно. Каждый из вас может подвергнуть этот вопрос экспериментальной проверке. Вода не растворяет смолу, но спирт растворяет; и когда спирт, содержащий растворенную смолу, капает в воду, смола немедленно выделяется в виде твердых частиц, которые делают воду молочной. Крупность этого осадка зависит от количества растворенной смолы. Профессор Брюкке дал нам пропорции, которые создают частицы, особенно подходящие для нашей нынешней цели. Один грамм чистой мастики растворяется в восемьдесят семи граммах абсолютного алкоголя, и этот прозрачный раствор капает в стакан с чистой водой, которую энергично помешивают. Таким образом образуется чрезвычайно тонкий осадок, который заявляет о своем присутствии своим действием на свет. Если поместить позади стакана темную поверхность и позволить свету падать на него сверху или спереди, среда оказывается весьма приятного небесно-голубого цвета. Следы мыла в воде придают ей голубоватый оттенок. Лондонское молоко приближается к тому же цвету благодаря действию той же причины: а Гельмгольц без всякого почтения раскрыл тот факт, что голубые глаза — это просто мутная среда. § 12.\nИскусственное небо. Но мы имеем возможность гораздо точнее имитировать естественные условия этой проблемы. Мы можем создавать в воздухе искусственное небо и доказывать его полную идентичность с естественным в отношении демонстрации целого ряда совершенно неожиданных явлений. Мною недавно было показано на многочисленных примерах, что волны эфира, исходящие из мощного источника, такого как солнце или электрический свет, способны раскалывать на части атомы газообразных молекул. Аппарат, используемый для иллюстрации этого, состоит из стеклянной трубки длиной около ярда и внутренним диаметром от 2½ до 3 дюймов. Исследуемый газ или пар вводится в эту трубки, и на него направляется сфокусированный пучок электрической лампы. Пар выбирается таким образом, чтобы по крайней мере один из продуктов его разложения сразу же по образовании выпадал в осадок в виде некоторого рода облака. Регулируя количество пара, можно сделать этот осадок любой степени тонкости, формируя частицы, различимые невооруженным глазом, или частицы, которые, вероятно, находятся далеко за пределами возможностей наших лучших микроскопов. У меня нет оснований сомневаться в том, что таким образом можно получить частицы, диаметры которых составляют лишь ничтожно малую долю длины волны фиолетового света. Теперь, во всех подобных случаях, когда используются подходящие пары в достаточно разряженном состоянии, независимо от того, что это за пар, видимое действие начинается с образования голубого облака. Позвольте мне с самого начала предостеречь себя от всякого неверного понимания термина «облако». Упомянутое здесь синее облако совершенно невидимо при обычном дневном свете. Чтобы его увидеть, оно должно быть окружено темнотой и освещаться мощным пучком света. Это облако во многих важных деталях отличается от тончайших обычных облаков, и ему вполне можно присвоить промежуточное положение между этими облаками и истинным безоблачным паром. Можно заставить частицы этого актинического облака вырасти от ничтожно малого и совершенно ультрамикроскопического размера до частиц заметной величины; и с помощью этих частиц на определенной стадии их роста мы создаем синеву, которая соперничает с синевой глубочайшего и чистейшего итальянского неба или даже превосходит ее. Введя в нашу трубку количество смеси воздуха и пара нитрита бутила, достаточное для того, чтобы опустить ртутный столбик воздушного насоса на одну двадцатую дюйма, добавив количество воздуха и соляной кислоты, достаточное для того, чтобы опустить ртуть еще на полдюйма, и пропустив через эту сложную и сильно разряженную атмосферу пучок электрического света, мы постепенно увидим, как внутри трубки возникает великолепная лазурь, которая на время усиливается, достигает максимума глубины и чистоты, а затем, по мере укрупнения частиц, переходит в белесовато-синий цвет. Этот эксперимент является показательным и иллюстрирует общий принцип. Для этого эксперимента можно было бы использовать различные другие бесцветные вещества с самыми разнообразными свойствами — оптическими и химическими. Зарождающееся облако в каждом случае демонстрировало бы этот великолепный синий цвет, тем самым наглядно доказывая, что частицы бесконечно малого размера, не обладающие собственным цветом и независимо от тех оптических свойств, которые демонстрирует вещество в массивном состоянии, способны производить синий цвет неба. § 13.\nПоляризация света неба. Но есть и другая тема, связанная с нашим небосводом, более тонкая и сокровенная по своему характеру, чем даже его цвет. Я имею в виду то «таинственное и прекрасное явление», как называет его сэр Джон Гершель, — поляризацию света неба. Глядя на различные точки голубого небосвода через никоновскую призму и поворачивая призму вокруг ее оси, мы вскоре замечаем изменения яркости. В определенных положениях призмы и из определенных точек небосвода свет кажется полностью прошедшим, в то время как для существенного уменьшения интенсивности света достаточно повернуть призму вокруг ее оси всего на девяносто градусов. Эксперименты подобного рода доказывают, что голубой свет, посылаемый нам небосводом, поляризован, и при внимательном рассмотрении также обнаруживается, что направление наиболее совершенной поляризации перпендикулярно солнечным лучам. Если бы небесная лазурь была подобна обычному солнечному свету, поворот призмы не оказал бы на нее никакого влияния; она проходила бы одинаково во время всего вращения призмы. Свет неба может быть в значительной степени погашен, потому что он в значительной степени поляризован. То же явление в совершенстве демонстрируется нашими актиническими облаками, причем единственным условием, необходимым для его возникновения, является малость частиц. Во всех случаях и со всеми веществами облако, образующееся в самом начале, когда осажденные частицы достаточно мелкие, имеет синий цвет. Более того, во всех случаях это тонкое синее облако идеально поляризует пучок, который его освещает, причем направление поляризации образует угол 90° с осью освещающего пучка. Чрезвычайно интересно наблюдать как зарождение, так и затухание этой поляризации. В течение десяти или пятнадцати минут после своего появления свет от ярко освещенного зарождающегося облака, если смотреть на него горизонтально, полностью гасится никоновской призмой с вертикальной большей диагональю. Но по мере того как небесная синева постепенно загрязняется появлением частиц слишком большого размера, иными словами, по мере того как начинают формироваться реальные облака, поляризация начинает ухудшаться, и часть света проходит сквозь призму во всех ее положениях, как это происходит в случае света неба. Стоит отметить, что в течение некоторого времени после прекращения идеальной поляризации остаточный свет, проходящий сквозь Николь в положении минимального пропускания, имеет великолепный синий цвет, тогда как более белый свет облака угасает. Когда структура облака становится достаточно грубой, чтобы приблизиться к структуре обычных облаков, вращение Николя перестает оказывать какое-либо заметное влияние на свет, испускаемый под прямым углом к пучку. Совершенство поляризации в направлении, перпендикулярном освещающему пучку, можно также проиллюстрировать с помощью следующего эксперимента, который был осуществлен со многими парами. Никоновская призма, достаточно большая, чтобы охватить весь пучок электрической лампы, была помещена между лампой и экспериментальной трубкой. Пропустив через трубку пучок, поляризованный Николем, я встал перед ней так, чтобы глаза находились на уровне ее оси, а мой помощник занял аналогичное положение позади трубки. Малая диагональ большого Николя была в первом случае вертикальной, поэтому плоскость колебаний выходящего пучка также была вертикальной. По мере того как свет продолжал действовать, великолепное синее облако, видимое как моему помощнику, так и мне, медленно формировалось. Но это облако, столь глубокое и насыщенное при взгляде из упомянутых положений, совершенно исчезало при взгляде вертикально вниз или вертикально вверх. Отражение от облака в этих направлениях было невозможно. Когда большой Николь медленно поворачивали вокруг его оси при нахождении глаза наблюдателя на уровне пучка и перпендикулярности линии зрения к нему, происходило полное затухание света, испускаемого горизонтально, когда большая диагональ большого Николя была вертикальной. Но при взгляде вниз или вверх наблюдалось яркое синее облако. Этот поистине прекрасный эксперимент, который я наверняка поставил бы и без подсказки, на самом деле был впервые определенно предложен в письме ко мне профессора Стоукса. Все явления цвета и поляризации, наблюдаемые в случае света неба, проявляются в этих актинических облаках; и они демонстрируют дополнительные явления, которые было бы ни удобно исследовать, ни, возможно, невозможно обнаружить на реальном небосводе. Они позволяют нам, например, проследить поляризацию от ее первого появления на едва заметном синем фоне до ее окончательного исчезновения в более грубом облаке. Эти изменения, в той мере, в какой о них необходимо упомянуть в настоящее время, можно суммировать следующим образом:— 1. Актиническое облако, пока оно остается синим, испускает поляризованный свет во всех направлениях, но направление максимальной поляризации, как и у света неба, находится под прямым углом к направлению освещающего пучка. 2. Пока облако остается отчетливо синим, свет, испускаемый им под прямым углом к освещающему пучку, поляризован идеально. Он может быть полностью погашен никоновской призмой, что приводит к исчезновению облака, из которого он исходит. Любое отклонение от перпендикуляра позволяет части света пройти через призму. 3. Направление колебаний поляризованного света перпендикулярно освещающему пучку. Следовательно, пластинка турмалина с осью, параллельной пучку, задерживает свет, а с осью, перпендикулярной пучку, — пропускает свет. 4. Селенитовая пластинка, помещенная между Николем и актиническим облаком, показывает цвета поляризованного света; по сути, само облако играет роль поляризующего Николя. 5. Частицы синего облака неизмеримо малы, но они постепенно увеличиваются в размерах и на определенном этапе своего роста перестают излучать идеально поляризованный свет. Некоторое время спустя свет, достигающий глаза через Николь в положении наименьшего пропускания, имеет великолепный синий цвет, намного превосходящий по глубине и чистоте цвет самого чистого неба; таким образом, волны, которые первыми ощущают влияние размера на обоих предельных значениях поляризации, являются самыми короткими волнами спектра. Они первыми подвергаются поляризации и первыми избегают ее. ЛЕКЦИЯ V. ДИАПАЗОН ЗРЕНИЯ НЕ СОИЗМЕРИМ С ДИАПАЗОНОМ ИЗЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ПРЕПЯТСТВИЯ К ПРЕВРАЩЕНИЮ НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ В ВИДИМЫЕ ЗРЕНИЕ — НЕ ЕДИНСТВЕННОЕ ЧУВСТВО, К КОТОРОМУ ВЗИРАЕТ СОЛНЕЧНЫЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПУЧОК ТЕПЛОТА ПУЧКА ГОРЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ВСЕГО ПУЧКА В ФОКУСАХ ЗЕРКАЛ И ЛИНЗ ГОРЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЛЕДЯНУЮ ЛИНЗУ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ АЛМАЗА ПОИСК ЭФФЕКТИВНЫХ ЗДЕСЬ ЛУЧЕЙ ОТКРЫТИЕ СЭРОМ ВИЛЬЯМОМ ГЕРШЕЛЕМ ТЕМНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ НЕВИДИМЫЕ ЛУЧИ КАК ОСНОВА ВИДИМЫХ ОТДЕЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ЛУЧЕВОГО ФИЛЬТРА НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ ОТ ВИДИМЫХ ГОРЕНИЕ В ТЕМНЫХ ФОКУСАХ ПРЕВРАЩЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ЛУЧЕЙ В СВЕТОВЫЕ КАЛОРЕСЦЕНЦИЯ РОЛЬ ТЕМНЫХ ЛУЧЕЙ В ПРИРОДЕ ТОЖДЕСТВО СВЕТА И ЛУЧИСТОГО ТЕПЛА НЕВИДИМЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТРАЖЕНИЕ, ПРЕФРАКЦИЯ, ПЛОСКАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ, ДЕПОЛЯРИЗАЦИЯ, КРУГОВАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ, ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕОБРАЗОВАНИЕ И МАГНЕТИЗМ ЛУЧИСТОГО ТЕПЛА. § 1.\nДиапазон зрения и излучения. Первый вопрос, который мы должны рассмотреть сегодня вечером, заключается в следующем: соразмерен ли глаз как орган зрения со всем диапазоном солнечного излучения — способен ли он воспринимать зрительные впечатления от всех лучей, испускаемых солнцем? Ответ отрицательный. Если бы мы позволили себе принять на мгновение то понятие постепенного роста, улучшения и восхождения, которое подразумевается термином «эволюция», мы могли бы с полным правом заключить, что человека ожидают запасы зрительных впечатлений, гораздо большие, чем те, которыми он обладает в настоящее время. Риттер обнаружил в 1801 году, что за пределом крайней фиолетовой части спектра лежит огромный поток лучей, совершенно бесполезных с точки зрения наших нынешних способностей зрения. Однако эти ультрафиолетовые волны, хотя и не способны возбудить зрительный нерв, могут раскалывать молекулы некоторых сложных веществ, на которые они падают, вызывая тем самым химическое разложение. Но хотя синие, фиолетовые и ультрафиолетовые лучи могут оказывать такое действие на определенные вещества, этого факта едва ли достаточно, чтобы дать им право называться «химическими лучами», каковое название обычно применяется для отличия их от других составляющих спектра. В отношении их действия на соли серебра и многие другие вещества они, возможно, заслуживают этого названия; но в случае величайшего примера химического действия света — разложения углекислоты в листьях растений, с которым мой выдающийся друг доктор Дрейпер (ныне покойный) так неразрывно связал свое имя — наиболее активными оказываются желтые лучи. Однако существуют вещества, на которые фиолетовые и ультрафиолетовые волны оказывают специфическое разлагающее действие; и, позволяя невидимому спектру падать на поверхности, подготовленные с такими веществами, мы выявляем как существование, так и протяженность ультрафиолетового спектра. § 2.\nУльтрафиолетовые лучи: флуоресценция. Метод демонстрации действия ультрафиолетовых лучей посредством их химического действия известен уже давно; поистине, Томас Юнг сфотографировал ультрафиолетовые кольца Ньютона. Теперь нам предстоит продемонстрировать их присутствие другим способом. Как правило, тела либо пропускают свет, либо поглощают его; но существует третий случай, когда свет, падающий на тело, не пропускается и не поглощается, а преобразуется в свет иного рода. Профессор Стоукс, занимающий кафедру Ньютона в Кембриджском университете, продемонстрировал это превращение одного вида света в другой и довел свои эксперименты до того, что сделал невидимые лучи видимыми. Было доказано, что большое количество исследованных Стоуксом веществ при возбуждении невидимыми ультрафиолетовыми волнами излучает свет. Вам известна частота колебаний, соответствующая краю фиолетовой части спектра; вы знаете, что для возникновения ощущения этого цвета сетчатка подвергается ударам 789 триллионов раз в секунду. В этой точке сетчатка перестает быть полезной в качестве органа зрения; ибо, хотя по ней ударяют волны с еще более частым повторением, они не способны вызвать ощущение света. Но когда такие невидивоздействуют на молекулы определенных веществ — например, сульфата хинина, — они заставляют эти молекулы или их составляющие атомы вибрировать; особенность же заключается в том, что возникающие таким образом колебания имеют более медленный период, чем возбуждающие волны. Благодаря этому понижению частоты колебаний посредством посредничества сульфата хинина невидимые лучи попадают в диапазон зрения. Впоследствии у нас будет много возможностей убедиться в том, что прозрачность для видимых лучей отнюдь не предполагает прозрачности для невидимых лучей. Наш сероуглерод, например, который, будучи использован в призмах, чрезвычайно подходит для экспериментов с видимыми лучами, совсем не так хорошо подходит для этих ультрафиолетовых лучей. Флинта стекло лучше, а горный хрусталь лучше флинтового стекла. Однако стеклянная призма вполне подойдет для наших текущих целей. Проецируя с помощью такой призмы спектр не на белую поверхность нашего экрана, а на лист бумаги, который был смочен насыщенным раствором сульфата хинина, а затем высушен, обнаруживается явное продолжение спектра. Прежде всего мы видим часть фиолетового света, ставшую более белой и яркой; но помимо этого мы наблюдаем свечение цвета там, где в случае неподготовленной бумаги ничего не видно. Другие вещества производят аналогичный эффект. Вещество, например, недавно открытое президентом Мортоном и названное им талленом, вызывает весьма поразительное удлинение спектра, причем генерируемый новый свет обладает особой яркостью. Флюорит и некоторые другие вещества при нагревании до температуры, все еще не достигающей красноты, испускают свет. За те эпохи, которые прошли с момента их образования, эта способность приводить эфир в состояние зрительного трепета, по-видимому, сохранялась этими веществами. Свет оставался потенциальным внутри них все это время; и, как хорошо объяснил Дрейпер, теплота, хотя сама по себе не обладающая зрительной интенсивностью, может разблокировать молекулы так, чтобы позволить им проявить свою долго скрытую способность к вибрации. Это поведение флюорита определило выбор Стоуксом названия для его великого открытия: он назвал это проявление видимости ультрафиолетовых лучей флуоресценцией. С помощью глубоко окрашенного фиолетового стекла мы отсекаем почти весь свет нашего электрического пучка; но это стекло исключительно прозрачно для фиолетовых и ультрафиолетовых лучей. Фиолетовый пучок теперь пересекает большой сосуд, наполненный водой, в который я вливаю раствор сульфата хинина. Облака, кажущиеся непрозрачными, мгновенно падают вниз. Обломки коры конского каштана, брошенные в воду, также посылают вниз красивые облакоподобные полосы. Но это не облака: здесь ничего не осаждается; наблюдаемое действие является действием молекул, а не частиц. Среда перед вами не является мутной средой, ибо при взгляде сквозь нее на светящуюся поверхность она совершенно прозрачна. Если мы нарисуем на листе бумаги цветок или букет сульфатом хинина и выставим его под полный пучок света, почти ничего не будет видно. Но при введении фиолетового стекла рисунок мгновенно вспыхивает в резком контрасте с глубоким окружающим фиолетовым светом. Президент Мортон подготовил для меня прекраснейший пример такого рисунка, который при помещении в фиолетовый свет демонстрирует исключительно яркую флуоресценцию. Судя по экспериментам докторов Бенса Джонса и Дюпре, в человеческом теле присутствует какое-то вещество, напоминающее сульфат хинина, которое обуславливает большую или меньшую флуоресценцию всех тканей тела. Все животные настои показывают эту флуоресценцию. Хрусталик глаза демонстрирует этот эффект самым поразительным образом. Когда, например, я погружаю свой глаз в этот фиолетовый пучок, я ощущаю белесовато-голубое мерцание, заполняющее пространство передо мной. Это вызвано флуоресцентным светом, генерируемым в самом глазу. При взгляде извне видно, как хрусталик глаза одновременно ярко светится. Задолго до того, как было понято его физическое происхождение, этот флуоресцентный свет привлекал к себе внимание. Бойль описывает его с большой полнотой и точностью. «Мы иногда, — говорит он, — находили в лавках наших аптекарей определенное дерево, которое там называют Lignum Nephriticum, потому что жители страны, где оно растет, обычно используют настой его, приготовленный на чистой воде, против камней в почках. Это дерево может дать нам эксперимент, который, помимо своей необычности, может оказать немалую помощь внимательному наблюдателю в раскрытии природы цветов. Возьмите Lignum Nephriticum и ножом нарежьте его на тонкие ломтики: положите около горсти этих ломтиков в два, три или четыре фунта чистейшей родниковой воды. Слейте эту насыщенную воду в стеклянный флакон; и если вы поднесете его прямо между светом и вашим глазом, вы увидите, что он полностью окрашен в почти золотистый цвет. Но если вы отвещете этот флакон от света так, чтобы ваш глаз располагался между окном и флаконом, жидкость покажется глубокого и прекрасного небесно-голубого цвета». «Эти, — продолжает он, — и другие явления, которые я наблюдал в этом восхитительном эксперименте, мои друзья рассматривали не без некоторого удивления; и я помню, как отличный окулист, случайно обнаружив в комнате друга флакон с этой жидкостью, который я подарил этому другу, и ничего не слышав об эксперименте, не имея рядом никого, кто мог бы сказать ему, что это за странная жидкость, долгое время опасался, как он рассказал мне вскоре после этого, что какая-то странная новая болезнь поражает его глаза. И я признаюсь, что необычность явления заставила меня весьма ревностно искать причину этого эксперимента; и хотя я далек от того, чтобы претендовать на ее обнаружение, мои изыскания, полагаю, позволили мне дать такие намеки, которые могут привести вашу большую проницательность к открытию причины этого чуда» [21]. Гете в своем труде «Учение о цвете» так описывает флуоресценцию коры конского каштана: «Если взять полоску свежей коры конского каштана и опустить ее в стакан с водой, немедленно образуется совершеннейшая небесная синева» [22]. Сэр Джон Гершель впервые заметил и описал флуоресценцию сульфата хинина и показал, что свет исходит от тонкого слоя раствора, прилегающего к поверхности, через которую свет проникает в него. Более того, он показал, что падающий пучок, хотя и не ослабевает заметно по световой интенсивности, теряет при своем прохождении через раствор сульфата хинина способность производить синий флуоресцентный свет. Сэр Дэвид Брюстер также работал над этой темой; но профессору Стоуксу мы обязаны не только ее расширением, но и полным и окончательным объяснением. § 3.\nТеплота электрического пучка. Воспламенение с помощью ледяной линзы. Возможная температура комет. Но волны от наших раскаленных угольных стержней воздействуют на другое чувство, отличное от зрения. Они производят не только свет, но и тепло как ощущение. Увеличенное изображение угольных стержней находится сейчас на экране; и с помощью подходящего прибора нагревающая способность лучей, образующих это изображение, может быть легко продемонстрирована. Однако в данном случае тепло распределяется по слишком большой площади, чтобы быть очень интенсивным. Выдвигая линзу камеры и заставляя подвижный экран приближаться к лампе, мы видим, как изображение становится все меньше и меньше; лучи при этом концентрируются все сильнее, пока, наконец, они не получают возможность прожечь черную бумагу жгучим кольцом. Отодвигая линзу назад так, чтобы лучи стали параллельными, и принимая их на вогнутое зеркало, мы собираем их в фокус; бумага, помещенная в этот фокус, начинает дымиться и гореть. Тепло такой интенсивности может быть получено с помощью нашей обычной камеры и линзы, а также вогнутого зеркала весьма умеренной силы. Fig. 48. Теперь мы примем более серьезные меры в отношении излучения. В этой большой камере из почерненной жести помещена лампа, во всех деталях похожая на те, что использовались ранее. Но вместо того, чтобы собирать лучи от угольных стержней с помощью собирающей линзы, мы собираем их вогнутым зеркалом (m m', рис. 48), посеребренным спереди и расположенным позади углеродов (P). С помощью этого зеркала мы можем заставить лучи выходить через отверстие в передней части камеры либо параллельными, либо сходящимися. Теперь они параллельны и поэтому в определенной степени рассеяны. Мы помещаем выпуклую линзу (L) на пути пучка; свет сходится в фокус (C), и в этом фокусе бумага не только протыкается, но и мгновенно воспламеняется. Многие металлы могут сгорать точно так же. В нашей первой лекции упоминалась горючесть цинка. Если поместить полоску листового цинка в этот фокус, она мгновенно воспламеняется, горя характерным пурпурным пламенем. А теперь я заменю нашу стеклянную линзу (L) другой, более необычной природы. В гладкой железной форме была отлита линза из прозрачного льда. Поместив ее в положение, которое мгновенно занимала стеклянная линза, я вижу, как пучок собирается в резкий фокус. В фокус я помещаю кусочек черной бумаги с завернутым в него небольшим количеством пироксилина. Бумага немедленно воспламеняется, и хлопья взрываются. Странно, не правда ли, что пучок обладает столь сильной нагревающей способностью после прохождения через столь холодное вещество? В своих арктических экспедициях доктор Скорсби преуспел во взрыве пороха с помощью солнечных лучей, собранных большими ледяными линзами; здесь нам удалось достичь этого эффекта с помощью маленькой линзы и земного источника тепла. В этом эксперименте вы замечаете, что перед тем, как пучок достигает ледяной линзы, он проходит через стеклянную кювету с водой. Таким образом, пучок очищается от компонентов, которые при падении на линзу повредили бы ее поверхность и размыли фокус. И это приводит меня к тому, чтобы сказать предварительное слово относительно прозрачности. В нашей первой лекции мы подробно остановились на образовании цветов посредством поглощения и неоднократно говорили о гашении световых лучей. Значило ли это, что свет уничтожается полностью? Отнюдь нет. Его рефракция была просто понижена настолько, чтобы избежать зрительного диапазона. Он превратился в тепло. Наша красная лента в зеленой части спектра гасила зеленый цвет, но при надлежащем исследовании ее температура оказалась бы повышенной. Наша зеленая лента в красной части спектра гасила красный цвет, но ее температура при этом возрастала до степени, точно эквивалентной погашенному свету. Наша черная лента при прохождении через спектр оказывалась способной гасить все его цвета; но на каждом этапе ее продвижения в ленте генерировалось количество тепла, в точности эквивалентное потерянному свету. Тепло выделяется таким образом только тогда, когда происходит поглощение: и тепло всегда является результатом поглощения. Исследуйте воду перед лампой после того, как через нее прошел пучок: она заметно теплая, и если позволить ей оставаться там достаточно долго, ее можно довести до кипения. Это происходит из-за поглощения водой определенной части электрического пучка. Но часть проходит сквозь нее без поглощения и совершенно не участвует в нагревании воды. Теперь, лед также в значительной степени прозрачен для этих последних лучей и потому мало плавится ими. Следовательно, используя ту часть пучка, которая пропускается водой, мы можем сохранить нашу линзу в целости и создать с ее помощью четко определенный фокус. Белая бумага, помещенная в этот фокус, не воспламеняется, поскольку она не способна поглотить лучи, выходящие из ледяной линзы. Однако в том же месте черная бумага мгновенно горит, потому что она поглощает прошедший свет. И здесь может оказаться полезным обратиться к оценке Ньютона, основанной на сомнительных данных, но повторявшейся впоследствии различными выдающимися астрономами. Комета 1680 года при наибольшем сближении с солнцем находилась всего в одной шестой диаметра солнца от его поверхности. Ньютон оценил ее температуру в этом положении как превышающую более чем в две тысячи раза температуру расплавленного железа. Теперь из вышеописанных экспериментов очевидно, что температуру кометы нельзя было выводить из ее близости к солнцу. Если бы ее способность к поглощению была достаточно низкой, комета могла бы принести холод звездного пространства в окрестности солнца. § 4.\nГорение алмаза под действием лучистого тепла\n. Опыт по сжиганию алмаза в кислороде с помощью сосредоточенных солнечных лучей был повторен во Флоренции в присутствии сэра Хамфри Дэви во вторник, 27 марта 1814 года. Фарадей описывает его так: «Сегодня мы провели грандиозный опыт сжигания алмаза, и, безусловно, наблюдавшееся явление было чрезвычайно прекрасным и интересным. Из стеклянного шара емкостью около 22 кубических дюймов был откачан воздух, после чего он был наполнен чистым кислородом. Алмаз был закреплен в центре этого шара. Инструментом для подвода тепла к алмазу служило зажигательное стекло герцога. Оно состоит из двух двойных выпуклых линз, удаленных друг от друга примерно на 3½ фута; большая линза имеет в диаметре около 14 или 15 дюймов, меньшая — около 3 дюймов. С помощью второй линзы фокус значительно уменьшается, и при ярком солнечном свете тепло становится очень интенсивным. Алмаз был помещен в фокус, и за ним следили с замиранием сердца. Внезапно сир Х. Дэви заметил, что алмаз начинает заметно гореть, а когда его извлекли из фокуса, обнаружилось, что он находится в состоянии активного и быстрого горения». Горение алмаза никогда ранее не удавалось вызвать с помощью лучистого тепла из земного источника. Я попытался осуществить это перед пересечением Атлантики и преуспел в этом. Небольшой алмаз, который я сейчас держу в руке, удерживается петлей платиновой проволоки. Чтобы по возможности защитить его от воздушных потоков, а также сконцентрировать на нем тепло, он окружен колпачком из листовой платины. Подведя снизу сосуд с кислородом, я направляю фокус электрического пучка на алмаз. Небольшой доли времени, затраченного в эксперименте, описанном Фарадеем, оказывается достаточно, чтобы раскалить алмаз до ярко-красного цвета. Погружая его затем в кислород, мы видим, как он начинает светиться подобно маленькой белой звездочке; и он продолжал бы гореть и светиться до полного сгорания. Фокус можно навести на алмаз и в кислороде, как в флорентийском опыте: результат тот же. К описанному здесь методу эксперимента прибегли исключительно для того, чтобы обеспечить более полный контроль над положением фокуса и точно направить его на алмаз. § 5.\nУльтракрасные лучи: калоресценция\n. На пути пучка, выходящего из нашей лампы, я теперь помещаю кювету с стеклянными стенками, содержащую раствор квасцов. Весь свет этого пучка проходит через данный раствор. Этот свет принимается зеркалом с сильной вогнутостью и серебрением спереди, после чего фокусируется этим зеркалом. Вы можете видеть, как конический пучок отраженного света прочерчивает свой путь сквозь пыль в комнате. Клочок белой бумаги, помещенный в фокус, сидит там с ослепительной яркостью, но он даже не обугливается. Однако при удалении кюветы с квасцами бумага мгновенно воспламеняется. Следовательно, в этом пучке должно быть что-то помимо его света. Свет не поглощается белой бумагой и поэтому не сжигает ее; но помимо света имеется нечто такое, что поглощается и вызывает горение. Что это за нечто? В 1800 году сэр Уильям Гершель провел термометр через различные цвета солнечного спектра и отметил повышение температуры, соответствующее каждому цвету. Он обнаружил, что тепловой эффект возрастает от фиолетового к красному; однако он не остановился на красном, а продвинул свой термометр в темную область за ним. Здесь он обнаружил, что температура фактически выше, чем в любой части видимого спектра. Благодаря этому важному наблюдению он доказал, что солнце испускает тепловые лучи, которые совершенно непригодны для зрения. Впоследствии эту тему разрабатывали Зебек, Меллони, Мюллер и другие, а за последние несколько лет выяснилось, что она способна к неожиданным расширениям и применениям. Я разработал метод, позволяющий так отфильтровать солнечный или электрический пучок, чтобы выделить из него и сохранить в неизменном виде это невидимое ультракрасное излучение, в то время как видимое и ультрафиолетовое излучения полностью задерживаются. Таким образом, мы получаем возможность по своему усмотрению работать с чисто ультракрасными волнами. При нагревании твердых тел до каления это не визуальное излучение служит необходимой основой визуального. Перед столом натянута платиновая проволока, через которую течет электрический ток. Она нагревается током, и ее тепло можно ощутить рукой. Она испускает тепловые волны, но не испускает света. При увеличении силы тока проволока становится горячее; наконец, она начинает светиться спокойным красным светом. В этот момент доктор Дрейпер много лет назад начал интересное исследование. Он использовал вольтов ток для нагревания своей платины и с помощью призмы изучал последовательное появление цветов спектра. Его первым цветом, как и здесь, был красный; затем шел оранжевый, потом желтый, затем зеленый и, наконец, все оттенки синего. По мере того как температура платины постепенно повышалась, атомы начинали колебаться быстрее; таким образом возникали более короткие волны, пока наконец не получались волны, соответствующие всему спектру. По мере появления каждого последующего цвета предшествующие ему цвета становились более насыщенными. Но насыщенность или интенсивность света, подобно интенсивности звука, зависит не от длины волны, а от амплитуды колебания. Следовательно, поскольку менее преломляемые цвета становились интенсивнее при появлении более преломляемых, мы вынуждены заключить, что одновременно с появлением более коротких волн происходило увеличение амплитуды более длинных. Эти замечания относятся не только к видимому излучению, исследованному доктором Дрейпером, но и к невидимому излучению, которое предшествует появлению любого света. В излучении раскаленной добела платиновой проволоки, находящейся перед вами, присутствуют те же бесцветовые волны, с которых мы начали, только их интенсивность возросла в тысячу раз благодаря увеличению температуры, необходимому для получения этого белого света. Оба эффекта неразрывно связаны друг с другом: в раскаленном твердом теле или в расплавленном твердом теле нельзя получить более короткие волны без такого усиления более длинных. Солнце возможно только при этих условиях; отсюда и открытие сэром Уильямом Гершелем невидимого ультракрасного солнечного излучения. Невидимое тепло, испускаемое как темными телами, так и светящимися, проносится сквозь пространство со скоростью света и называется лучистым теплом. Теперь лучистое тепло может послужить тонким и мощным исследователем молекулярного состояния, и в последние годы оно придало новый смысл акту химического соединения. Возьмем, к примеру, воздух, которым мы дышим. Он представляет собой смесь кислорода и азота и ведет себя по отношению к лучистому теплу подобно вакууму, будучи неспособным поглощать его в какой-либо заметной степени. Но позвольте этим же двум газам соединиться химически; тогда без какого-либо увеличения количества вещества, без изменения газообразного состояния и без какого-либо вмешательства в прозрачность газа акт химического соединения сопровождается колоссальным уменьшением его диатермантности, то есть проницаемости для лучистого тепла. Исследования, установившие этот результат, также доказали, что элементарные газы в целом весьма прозрачны для лучистого тепла. Это, в свою очередь, привело к доказательству диатермантности элементарных жидкостей, таких как бром, и растворов твердых элементов: серы, фосфора и йода. Перед вами находится спектр, и вы замечаете, что прозрачный сероуглерод не оказывает никакого влияния на цвета. Если бросить в эту жидкость несколько чешуек йода, вы увидите, как средняя часть спектра вырезается. Увеличивая количество йода, мы вторгаемся во весь спектр и в конце концов полностью его перекрываем. При этом йод, который оказывается столь враждебным по отношению к свету, абсолютно прозрачен для ультракрасного излучения, с которым нам предстоит иметь дело. Следовательно, он и послужит нашим фильтром лучей. Вновь поместив кювету с квасцами перед электрической лампой, мы убеждаемся, как и прежде, в полной неспособности сосредоточенного света поджечь белую бумагу. При введении кюветы с раствором йода свет полностью перекрывается; и тогда, при удалении кюветы с квасцами, белая бумага в темном фокусе мгновенно воспламеняется. Черная бумага обладает большей поглощательной способностью по отношению к этим лучам, чем белая; как следствие, с ней внезапность и сила горения возрастают. Цинк сгорает в том же месте, магний вспыхивает ярким пламенем, тогда как лист платинированной платины, помещенный в фокус, нагревается добела. При рассмотрении через призму раскаленная добела платина дает все цвета спектра. До падения на платину волны возвращались слишком медленно, чтобы пробудить зрение; под действием атомов платины эти длинные и вялые волны расщепляются на более короткие, оказываясь тем самым в пределах видимого диапазона. На другом конце спектра путем введения подходящих веществ профессор Стоукс понизил преломляющую способность так, чтобы сделать невидимые лучи видимыми, и этому изменению он дал название флуоресценция. Здесь же посредством вмешательства платины преломляющая способность повышается, чтобы сделать невидимое видимым, и этому изменению я дал название калоресценция. В совершенно невидимом фокусе, где производятся эти эффекты, воздух может быть холодным как лед. Воздух, как уже говорилось, не поглощает лучистое тепло и поэтому не нагревается им. Ничто не может столь убедительно проиллюстрировать обособленность, если можно так выразиться, светоносного эфира от воздуха. Волнечное движение одного нагромождается до чрезвычайной степени интенсивности, не производя никакого заметного эффекта на другое. Могу добавить, что при соблюдении надлежащих мер предосторожности глаз можно поместить в фокус, способный раскалить платину до ярко-красного цвета, без каких-либо повреждений или малейшего ощущения света или тепла. Важную роль, которую играют эти ультракрасные лучи в природе, можно проиллюстрировать следующим образом: я убираю йодный фильтр и концентрирую весь пучок на пробирке с водой. Она немедленно начинает фырчать и через минуту-две закипает. Что ее кипятит? Если поместить раствор квасцов перед лампой, кипение мгновенно прекращается. Но квасцы пропускают все световые лучи; следовательно, не эти лучи вызвали кипение. Я ввожу йод и убираю квасцы: в невидимом фокусе немедленно возобновляется бурное кипение. Таким образом, мы возлагаем ответственность за нагревание воды именно на невидимые ультракрасные лучи. Мы получаем возможность понять важнейшую роль, которую эти лучи играют в природе. Именно им мы обязаны нагреванием и последующим испарением тропического океана; следовательно, именно им мы обязаны нашими дождями и снегами. Они поглощаются вблизи поверхности океана и нагревают поверхностную воду, тогда как световые лучи проникают на большую глубину, не производя никакого заметного эффекта. Но мы можем пойти дальше. Вот большая колба со смесью для замораживания, которая настолько охладила колбу, что водяной пар воздуха в этой комнате сконденсировался и замерз на ней в виде белого пушистого налета. При введении кюветы с квасцами и размещении слоя изморози в интенсивно светящемся фокусе электрической лампы не тает ни единая иголочка ослепительного инея. При введении кюветы с йодом и удалении квасцов широкий участок замерзшего покрытия мгновенно тает. Отсюда мы заключаем, что снег и лед, питающие Рону, Рейн и другие реки, берущие начало из ледников, освобождаются от своего плена на горах невидимыми ультракрасными лучами солнца. § 6.\nТождественность света и лучистого тепла. Отражение от плоских и кривых поверхностей. Полное отражение тепла\n. Развитие науки носит органический характер. То, что сегодня является целью, завтра становится средством для достижения более отдаленной цели. Каждое новое открытие в науке немедленно становится основой для других открытий или новых методов исследования. Так, около пятидесяти лет назад Эрстед из Копенгагена обнаружил отклонение магнитной стрелки электрическим током, и примерно в то же время Томас Зебек из Берлина открыл термоэлектричество. Эти великие открытия вскоре были использованы Нобили и Меллони при создании прибора, который колоссально расширил наши знания о лучистом тепле. Этот прибор, называемый термоэлектрической батареей, или, короче, термостолбиком, состоит из тонких полосок висмута и сурьмы, спаянных концами поочередно друг с другом, но в остальной части отделенных друг от друга. От концов этого «термостолбика» провода идут к гальванометру, представляющему собой катушку из изолированной проволоки, внутри и над которой подвешены две магнитные стрелки, соединенные в жесткую систему и тщательно защищенные от воздушных потоков. Действие этого устройства таково: тепло, падая на столбик, создает электрический ток; ток, проходя через катушку, отклоняет стрелки, и величина отклонения может служить мерой тепла. Верхняя стрелка перемещается по шкале с делениями, слишком мелкой для непосредственного наблюдения. Однако теперь она ярко освещена; а над ней расположена линза, которая при возможности образовала бы изображение стрелки и шкалы на потолке. Однако там его было бы неудобно рассматривать. Поэтому пучок принимается зеркалом, установленным под нужным углом, которое проецирует изображение на экран. Таким образом, движения этой маленькой стрелки могут стать видимыми для всех вас. Чуткость этого прибора такова, что в комнате, заполненной, как эта комната сейчас, физически теплыми зрителями, работать с ним чрезвычайно трудно. Мой ассистент стоит в нескольких футах. Я поворачиваю столбик к нему: тепло, излучаемое его лицом, даже на таком расстоянии вызывает отклонение на 90°. Я поворачиваю прибор к удаленной стене, температура которой немного ниже средней температуры комнаты. Стрелка опускается и переходит на другую сторону нуля, заявляя этим отрицательным отклонением, что столбик потерял свое тепло в результате излучения на холодную стену. Обладая этим прибором, нашим лучевым фильтром и нашими большими николями, мы получаем возможность исследовать предмет огромного философского интереса — предмет, который долго привлекал внимание некоторых из наших ведущих научных деятелей, а именно принципиальную тождественность света и лучистого тепла. То, что они идентичны во всех отношениях, конечно, не может быть, ибо в таком случае они одинаково действовали бы на все приборы, включая глаз. Имеющаяся в виду тождественность заключается в том сходстве, которое существует между одним цветом и другим и заставляет их вести себя одинаково в отношении отражения, преломления, двойного преломления и поляризации. Давайте бегло перечислим сходства света и тепла. Что касается отражения от плоских поверхностей, мы можем использовать зеркало для отражения света. Отметив любую точку на пути отраженного пучка, перекрыв свет растворенным йодом и поместив столбик в отмеченную точку, мы увидим, как стрелка немедленно отклоняется в сторону, показывая, что тепло отражается в том же направлении, что и свет. Это справедливо для любого положения зеркала. Обращаясь, например, к простому прибору, использованному в нашей первой лекции (рис. 3, стр. 11); перемещая указатель, прикрепленный к зеркалу, вдоль делений нашей градуированной дуги (mn) и определяя с помощью столбика положения невидимого отраженного пучка, мы доказываем, что угловая скорость теплового пучка, как и светового, вдвое превосходит скорость зеркала. FIG 49. Что касается отражения от криволинейных поверхностей, то здесь эта тождественность также сохраняется. Принимая пучок от нашей электрической лампы вогнутым зеркалом (mm, рис. 49), мы собираем его в конус отраженного света, делающийся видимым благодаря висящей в воздухе пыли; отметив вершину конуса указателем и перекрыв свет раствором йода (T), мы подвергаем столбик (P) кратковременному воздействию в отмеченной точке, что вызывает резкое отклонение стрелки. Обычное отражение и полное отражение пучка лучистого тепла можно продемонстрировать одновременно. Из патрубка лампы (L, рис. 50) пучок падает на плоское зеркало (MN), отражается вверх и попадает в прямоугольную призму, сечением которой служит abc. Он встречается с гипотенузой под углом наклона, большим предельного угла, и потому полностью отражается. Погасив свет с помощью лучевого фильтра на F и поместив столбик в P, мы ощущаем полностью отраженный тепловой пучок с помощью столбика, о чем свидетельствует отклонение гальванометра. Fig. 50. § 7.\nНевидимые изображения, формируемые лучистым теплом\n. Пожалуй, ни один опыт не доказывает столь убедительно принципиальную тождественность света и лучистого тепла, как формирование невидимых тепловых изображений. Используя зеркало, уже примененное для достижения наивысшей степени концентрации пучка, мы получаем, как известно, перевернутое изображение угольных стержней, образованное световыми лучами в фокусе. Перекрыв свет лучевым фильтром и поместив в фокус тонкий лист платинированной платины, невидимые лучи заявляют о своем присутствии и распределении, запечатлевая на платине раскаленное добела изображение углеродов. (См. рис. 51.) Fig. 51. § 8.\nПоляризация тепла\n. Способность лучистого тепла к поляризации долгое время была предметом дискуссий. Берар объявил о положительных результатах, однако Пауэлл и Ллойд не смогли их подтвердить. Возникшие в связи с этим сомнения были развеяны опытами Форбса, который впервые установил поляризацию и «деполяризацию» тепла. Впоследствии эту тему продолжил Меллони, исследователь высочайшего мастерства, который с большим умом воспользовался собственным открытием: невидимые лучи светящихся источников частично пропускаются черным стеклом. Задержав пластиной этого стекла свет масляного пламени и работая с прошедшим невидимым теплом, он получил эффекты поляризации, значительно превосходящие по величине те, которые можно было получить с помощью не светящихся источников. В настоящее время обладание более совершенным лучевым фильтром и более мощным источником тепла позволяет нам довести этот вопрос о тождественности до самых предельных практических границ. Fig. 52. Установив наши два Николя (B и C, рис. 52) перед электрической лампой так, чтобы их главные сечения пересекались, мы не получаем света на экране. Поместив наш термоэлектрический столбик (D) позади призмы лицевой стороной к источнику, мы не наблюдаем отклонения гальванометра. Внеся между лампой (A) и первой призмой (B) наш лучевой фильтр, мы гасим свет, ранее прошедший через первый Николь; и теперь малейший поворот любого Николя открывает путь для прохождения тепла, причем очень небольшого вращения достаточно, чтобы стрелка отклонилась до 90°. Когда Николь возвращают в его первоначальное положение, стрелка снова опускается до нуля, наглядно демонстрируя поляризацию тепла. Когда Николи скрещены и поле темно, вы видели на примере света эффект от введения пластинки слюды между поляризатором и анализатором. В двух положениях слюда не оказывает заметного влияния; во всех остальных — оказывает. Точно такое же поведение наблюдается и в отношении лучистого тепла. Вводя наш лучевой фильтр, термостолбик, выполняющий роль глаза в отношении невидимого излучения, не получает тепла, когда глаз не видит света; но когда слюда повернута так, что ее плоскости колебаний наклонены относительно плоскостей поляризатора и анализатора, тепло немедленно проходит сквозь нее. Действие становится настолько сильным, что кратковременное погружение пленки слюды в темное пространство между Николями заставляет стрелку отклониться до 90°. Именно этот эффект называют «деполяризацией»; опыт же на самом деле доказывает, что как для света, так и для тепла пластинка слюды производит одинаковое разложение эфирных колебаний, а анализатор — их воссоединение. Удалив слюду и снова вернув стрелку к 0°, я помещаю между Николями пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно оси; немедленное отклонение стрелки заявляет о прохождении тепла, и при надлежащем исследовании прошедшего пучка оказывается, что он поляризован по кругу — точно так же, как пучок света при тех же условиях. § 9.\nДвойное преломление тепла\n. Теперь я откажусь от Николей и пропущу через кусок исландского шпата (B, рис. 53), уже использованный (в лекции III) для иллюстрации двойного преломления света, наш отфильтрованный пучок невидимого тепла. Чтобы определить положения двух изображений, давайте сначала поработаем со световым пучком. Отметив места световых изображений, мы вводим между N и L наш лучевой фильтр (на рисунке отсутствует) и гасим свет. Заставляя столбик приближаться к одному из отмеченных мест, мы видим, что стрелка остается неподвижной до тех пор, пока место не достигнуто; здесь столбик сразу обнаруживает тепло. Передвигая столбик через промежуток, разделяющий две отметки, мы замечаем, что стрелка сначала падает до 0°, а затем во втором положении снова поднимается до 90°. Это доказывает двойное преломление тепла. Fig. 53. Теперь я поворачиваю исландский шпат: стрелка остается неподвижной, изменения отклонения нет. Быстро перемещая столбик к другой отметке, мы поддерживаем отклонение. Я снова поворачиваю шпат, но теперь стрелка падает до 0°, однако снова поднимается до 90° после поворота на 360°. Мы знаем, что в случае света необыкновенный пучок вращается вокруг обыкновенного; и здесь мы имели дело с необыкновенным тепловым пучком, который в отношении двойного преломления ведет себя абсолютно так же, как световой пучок. § 10.\nНамагничивание тепла\n. Чтобы сделать нашу серию сравнений полной, мы должны продемонстрировать намагничивание тепла. Но здесь потребуется небольшая модификация нашего устройства. При повторении опыта Фарадея по намагничиванию света у нас в первом случае Николи были скрещены, а поле — затемнено, причем при возбуждении магнита на экране появлялась вспышка света. При этом количество пропускаемого света на самом деле весьма мало, а его эффект кажется поразительным на контрасте с предшествующей темнотой. Когда мы располагаем Николи так, что их главные сечения образуют угол в 45°, возбуждение магнита вызывает гораздо более сильное положительное увеличение света, хотя это увеличение не так хорошо заметно из-за отсутствия контраста, поскольку здесь с самого начала поле освещено. Пытаясь намагнитить наш пучок тепла, мы применим эту схему. Однако здесь с самого начала значительное количество тепла падает на одну из граней столбика. Его необходимо нейтрализовать, позволив лучам от другого источника упасть на противоположную грань столбика. Таким образом стрелка приводится к нулю. Перекрыв свет нашим лучевым фильтром и возбудив магнит, мы замечаем, что стрелка мгновенно отклоняется, доказывая, что магнит открыл дверь для тепла точно так же, как в эксперименте Фарадея он открыл дверь для света. Таким образом, во всех рассмотренных нами случаях была продемонстрирована принципиальная тождественность света и лучистого тепла. Тончайшими опытами Кноблауха, который долго и успешно работал над этим вопросом, впервые было продемонстрировано двойное преломление тепла исландским шпатом; однако, хотя он использовал световое тепло солнца, наблюдаемые отклонения были чрезвычайно малы. Точно так же выдающиеся исследователи Де ла Провостэ и Дезен преуспели в намагничивании пучка тепла; но хотя и в их случае применялось световое солнечное тепло, полученное отклонение не превышало двух-трех градусов. С невидимым лучистым теплом этот эффект до представленных вашему вниманию опытов не получался; однако при описанной здесь схеме мы получаем отклонения от чисто невидимого тепла, равные 150 нижним делениям гальванометра. § 11.\nРаспределение тепла в электрическом спектре\n. Нам осталось определить положение и величину невидимого излучения, которое производит эти результаты. Для этого мы используем термостолбик особой формы. Его рабочая поверхность представляет собой прямоугольник, который с помощью подвижных боковых пластинок можно сделать столь узким, сколь это необходимо. Проецируя малый и сосредоточенный спектр на экран, мы с помощью бесконечного винта перемещаем прямоугольный столбик по всему спектру и последовательно определяем тепловую мощность всех его цветов. SPECTRUM OF ELECTRIC LIGHT. Когда этот прибор подносят к фиолетовому концу спектра, тепло оказывается практически незаметным. По мере того как столбик постепенно перемещается от фиолетового к красному, он сталкивается с возрастающим теплом. Сам красный обладает наибольшей тепловой мощностью среди всех цветов спектра. При продвижении столбика в темную область за красным теплό резко возрастает по интенсивности и на некотором расстоянии за красным достигает максимума. Из этой точки тепло убывает несколько быстрее, чем росло, а затем постепенно затухает. Проведя горизонтальную линию, представляющую длину спектра, и восстановив на ней в различных точках перпендикуляры, пропорциональные по длине теплу в этих точках, мы получаем кривую, которая показывает распределение тепла в призматическом спектре. Она изображена на соседнем рисунке. Начинаясь у синего цвета, кривая поднимается сначала очень плавно; по направлению к красному она поднимается быстрее, причем линия CD (рис. 54, на противоположной странице) отражает силу излучения самого крайнего красного цвета. За красным цветом она устремляется вверх крутым и массивным пиком до точки B, откуда сначала резко падает, а затем постепенно исчезает из восприятия столбика. Этот график является результатом более чем двенадцати тщательных серий измерений, по каждой из которых строилась кривая. При наложении всех этих кривых было обнаружено их удовлетворительное совпадение. Так что можно с уверенностью заключить: площади темной и белой областей соответствуют относительным энергиям видимого и невидимого излучения. Первая превосходит вторую в 7,7 раза. Но в проверке, как уже говорилось, заключается сила науки. Определив сначала суммарное излучение электрической лампы, а затем с помощью йодного фильтра — ультракрасное излучение, мы по их разности получаем световое излучение. Таким образом обнаруживается, что энергия невидимого излучения в восемь раз превосходит энергию видимого. Трудно вообразить два более противоположных метода и едва ли можно найти два более гармонирующих результата. Полагаю, поэтому вы можете доверять точности распределения тепла в призматическом спектре электрического света, которое здесь приводится. В методе исследования нет ничего туманного, а в его выводах — сомнительного. Тем не менее спектры образуются также посредством дифракции, причем распределение как тепла, так и света в них отличается от производимого призмой. Эти дифракционные спектры с большим мастерством исследовались Дрейпером и Лэнгли. В призматическом спектре менее преломляемые лучи сжаты в гораздо меньшем пространстве, чем в дифракционном спектре. ЛЕКЦИЯ VI. ПРИНЦИПЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ПРИЗМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЕТА РАСКАЛЕННЫХ ПАРОВ ДИСКРЕТНЫЕ СПЕКТРЫ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПОЛОСЫ, ДОКАЗАННЫЕ БУНЗЕНОМ И КИРХГОФОМ КАК ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ ПАРА ОТКРЫТИЕ РУБИДИЯ, ЦЕЗИЯ И ТАЛЛИЯ ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ФРАНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ ИХ ОБЪЯСНЕНИЕ КИРХГОФОМ СОЛНЕЧНАЯ ХИМИЯ, ЗАТРАГИВАЕМАЯ В ЭТОМ ОБЪЯСНЕНИИ ОПЫТ ФУКО ПРИНЦИПЫ ПОГЛОЩЕНИЯ АНАЛОГИЯ ЗВУКА И СВЕТА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭТОЙ АНАЛОГИИ НЕДАВНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕКТРОСКОПА РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В качестве источника света в этих лекциях мы использовали концы двух угольных стержней, раскаленных электричеством. Кокс особенно подходит для этой цели, так как он может выдерживать сильный нагрев без плавления или испарения. Он также черного цвета, что способствует свету; ибо, при прочих равных условиях, как экспериментально показал профессор Бальфур Стюарт, чем чернее тело, тем ярче будет его свет при раскалении. И все же, сколь бы тугоплавким ни был углерод, если мы пристально рассмотрим нашу вольтову дугу или струю света между угольными точками, мы обнаружим там раскаленный углеродный пар. И если бы мы смогли отделить свет этого пара от более ослепительного света твердых точек, мы обнаружили бы, что его спектр не только менее ярок, но и совершенно отличен по характеру от тех спектров, которые мы уже видели. Вместо непрерывной череды цветов от красного до фиолетового пар углерода дал бы несколько цветных полос с темными промежутками между ними. То, что справедливо для углерода, в еще большей степени справедливо для металлов, самые тугоплавкие из которых можно плавить, кипятить и превращать в пар с помощью электрического тока. От раскаленного пара свет, как правило, вспыхивает группами лучей определенной степени преломляемости, причем между группами существуют пространства, не заполненные никакими лучами. Но созерцание фактов сделает этот предмет более понятным, чем это могут сделать слова. В камеру помещен угольный цилиндр с углублением наверху; в это углубление помещен фрагмент металла таллия. Мы опускаем на него верхнюю угольную точку, а затем раздвигаем их. Между ними проходит поток раскаленного таллиевого пара, увеличенное изображение которого теперь видно на экране. Оно имеет красивый зеленый цвет. Что означает этот зеленый цвет? Мы отвечаем на этот вопрос, подвергая свет призматическому анализу. Пропущенный через призму, его спектр состоит из одной преломленной полосы. Свет одной степени преломляемости — соответствующий этому конкретному зеленому цвету — испускается паром таллия. Теперь мы удалим таллий и на его место положим кусочек серебра. Серебряная дуга неотличима от таллиевой; она не только зеленая, но и того же оттенка зеленого. Похожи ли они тогда? Призматический анализ позволяет нам ответить на этот вопрос. Как бы ни было невозможно отличить один цвет от другого, точно так же невозможно спутать спектр раскаленного серебряного пара со спектром таллия. В случае серебра вместо одной мы имеем две зеленые полосы. Если мы добавим к серебру в нашей камере кусочек таллия, мы получим свет обоих металлов. Погодив немного, мы увидим, что зеленый цвет таллия располагается посередине между двумя зелеными цветами серебра. Отсюда и такое сходство цветов. Но почему нам нужно «погодить немного», прежде чем мы увидим этот эффект? Полоса таллия сначала почти маскирует серебряные полосы своей превосходящей яркостью. Действительно, серебряные полосы удивительно поблекли после добавления кусочка таллия, и на то есть веская причина. Именно сопротивление, оказываемое прохождению электрического тока от углерода к углероду, вызывает способность тока производить тепло. Если бы сопротивление существенно уменьшилось, существенно уменьшилось бы и тепло; а если бы всякое сопротивление было устранено, тепла не было бы вовсе. Но таллий — гораздо более легкоплавкий и испаряемый металл, чем серебро; и его пар облегчает прохождение электричества до такой степени, что ток становится почти неспособным испарить более тугоплавкое серебро. Но таллий постепенно расходуется, его пар уменьшается, сопротивление возрастает, пока наконец вы не увидите две серебряные полосы такими же яркими, какими они были вначале. Мы имеем в этих полосах абсолютно неизменную характеристику обоих металлов. Вы никогда не получите от серебра иных полос, кроме этих двух зеленых, никогда не получите от таллия ничего, кроме одной зеленой полосы, никогда не получите от смеси обоих металлов ничего, кроме трех зеленых полос. Каждый известный металл имеет свои собственные определенные полосы, и ни в одном известном случае полосы двух разных металлов не совпадают по преломляемости. Отсюда следует, что эти спектры можно использовать как надежный тест на присутствие или отсутствие любого конкретного металла. Переходя от металлов к их сплавам, мы не обнаруживаем никакой путаницы. Медь дает зеленые полосы; цинк дает синие и красные полосы; латунь — сплав меди и цинка — дает полосы обоих металлов, совершенно неизменные по положению и характеру. Но мы не ограничены самими металлами; соли этих металлов дают полосы металлов. Химическое соединение разрушается при достаточно сильном нагреве; пар металла высвобождается и дает свои характерные полосы. Хлориды металлов особенно подходят для экспериментов такого рода. Поваренная соль, например, представляет собой соединение хлора и натрия; в электрической лампе она дает спектр металла натрия. Хлориды меди, лития и стронция дают аналогичным образом полосы этих металлов. Поэтому, когда Бунзен и Кирхгоф, прославленные основоположники спектрального анализа, установив в ходе исчерпывающего исследования спектры всех известных веществ, открыли спектр, содержащий полосы, отличные от любых известных полос, они немедленно сделали вывод о существовании нового металла. В то время они работали с осадком, полученным при выпаривании одной из минеральных воды Германии. Они знали, что в этой воде скрывается неизвестный металл, но для получения осадка, достаточно крупного, чтобы обычная химия могла справиться с металлом, пришлось выпарить огромные его количества. Тем не менее они выследили его, и теперь он занимает место среди химических веществ как металл рубидий. Впоследствии они открыли второй металл, который назвали цезием. Таким образом, сначала заложив спектральный анализ на прочный фундамент, они продемонстрировали его возможности как средства открытий. Вскоре после этого мистер Крукс, следуя тому же методу, открыл ярко-зеленую полосу таллия и получил соли металла, которые ее давали. Сам металл в слитках впервые выделил французский химик г-н Лами. Все это относится к химическим открытиям на Земле, где материалы находятся в наших собственных руках. Но вскоре было показано, как спектральный анализ можно применить к исследованию солнца и звезд; и этот результат был достигнут благодаря решению проблемы, которая долгое время оставалась загадкой для естествоиспытателей. Область применения и триумф этой проблемы мы должны теперь попытаться осознать. Спектр является чистым, в котором цвета не накладываются друг на друга. Мы очищаем спектр, делая наш пучок узким и увеличивая количество наших призмов. Когда таким способом получается чистый спектр солнца, обнаруживается, что он изрезан бесчисленными темными линиями. Четыре из них впервые увидел доктор Волластон, но впоследствии они были умножены и измерены Фраунгофером с таким мастерским умением, что теперь они всемирно известны как фраунгоферовы линии. Дать объяснение этим линиям, как я уже говорил, было задачей, которая долго привлекала внимание философов, и профессору Кирхгофу принадлежит честь первым разрешить эту проблему. (Положения основных линий, обозначенных буквами по Фраунгоферу, показаны на прилагаемом эскизе (рис. 55) солнечного спектра. Предполагается, что A находится вблизи крайнего красного, а J — вблизи крайнего фиолетового.) Fig. 55. Краткая двухстраничная записка, в которой зафиксировано это бессмертное открытие, была представлена в Берлинскую академию 27 октября 1859 года. Фраунгофер отметил в спектре пламени свечи две яркие линии, которые точно совпадают по положению с двойной темной линией D солнечного спектра. Эти яркие линии производятся с особой интенсивностью желтым пламенем, получаемым из смеси соли и спирта. По сути, это линии натриевого пара. Кирхгоф получал спектр, пропуская солнечный свет в свой телескоп через щель и призму, причем перед щелью он помещал желтое натриевое пламя. Пока спектр оставался слабым, на месте двух темных линий D спектра неизменно появлялись две яркие линии, испускаемые пламенем. В этом случае то поглощение, которое пламя оказывало на солнечный свет, с лихвой компенсировалось излучением самого пламени. Однако, когда солнечный спектр становился достаточно интенсивным, яркие полосы исчезали, и две темные фраунгоферовы линии появлялись со значительно большей четкостью и отчетливостью, чем когда пламя не использовалось. Следует отметить, что этот результат объяснялся не каким-либо реальным затуханием ярких линий пламени, а увеличением интенсивности соседнего спектра. Опыт наглядно доказал, что когда белый свет, направляемый через пламя, был достаточно интенсивным, количество света, поглощаемого пламенем, значительно превосходило то количество, которое оно излучало. Итак, перед нами результат высочайшего значения. Кирхгоф немедленно сделал из него вывод о том, что соляное пламя, столь заметно усиливающее темные линии Фраунгофера, должно быть способно и порождать их. Известно, что спектр друммондова света демонстрирует две яркие линии натрия, которые, однако, постепенно исчезают по мере исчерпания крупицы натрия, содержащегося в качестве примеси в раскаленной извести. Кирхгоф сформировал спектр известкового света, и после того как две яркие линии исчезли, он поместил свое соляное пламя перед щелью. Две темные линии немедленно проступили. Таким образом, в непрерывном спектре известкового света он искусственно вызвал линии D Фраунгофера. Кирхгоф знал, что это действие не является особенностью одного лишь натриевого пламени, и немедленно распространил свое обобщение на все цветные пламена, дающие в своих спектрах резко очерченные яркие полосы. Он пришел к выводу, что если пропустить через такие пламена белый свет со всеми его составляющими, то произойдет поглощение именно тех составляющих, чьи преломляемости равны преломляемости ярких полос; так что после прохождения через подобные пламена спектр белого света, если он достаточно интенсивен, окажется изрезан темными полосами. В упомянутом случае Кирхгофу также удалось обратить яркую полосу лития. Давно стоявшая проблема фраунгоферовых линий разрешилась перед лицом подобных фактов и размышлений, которые также несли с собой неизмеримое расширение возможностей химика. Кирхгоф понял, что на основе совпадения линий в спектрах земных веществ с фраунгоферовыми линиями можно сразу заключить о присутствии этих веществ на солнце и в неподвижных звездах. Так, темные линии D в солнечном спектре доказали существование натрия в солнечной атмосфере; в то же время яркие линии, открытые Брюстером в пламени селитры, которые, как было доказано, точно совпадают с определенными темными линиями между A и B в солнечном спектре, доказали присутствие калия на солнце. Все последующие исследования подтвердили точность этих первых дерзновенных выводов. В своей второй работе, представленной в Берлинскую академию до конца 1859 года, Кирхгоф доказал присутствие железа на солнце. Яркие линии спектра паров железа чрезвычайно многочисленны, и впоследствии Кирхгоф доказал абсолютное совпадение 65 из них по положению с 65 темными фраунгоферовыми линиями. Онгстрем и Тален довели количество совпадений для железа до 450, в то время как, по мнению тех же превосходных исследователей, следующие числа выражают количество совпадений в случае соответствующих металлов, к которым они относятся:— Calcium 75 Barium 11 Magnesium 4 Manganese 57 Titanium 118 Chromium 18 Nickel 33 Cobalt 19 Hydrogen 4 Aluminium 2 Zinc 2 Copper 7 Вероятность того, что все эти вещества существуют в атмосфере солнца, является подавляющей. Открытие Кирхгофа глубоко изменило прежние представления о строении солнца, приведя его к взглядам, которые, хотя и могут претерпеть изменения в деталях, останутся, я полагаю, в своей основе верными до скончания веков. Солнце, согласно Кирхгофу, состоит из расплавленного ядра, окруженного пламенеющей атмосферой более низкой температуры. Ядро может частично состоять из облаков, перемешанных с истинным паром или лежащих под ним. Свет ядра давал бы нам сплошной спектр, подобный спектру друммондова света; но поскольку ему приходится проходить через фотосферу, подобно тому как пучок Кирхгофа проходил через натриевое пламя, те лучи ядра, которые испускает фотосфера, поглощаются, и в спектре появляются затененные линии, соответствующие поглощенным лучам. Устраните солнечное ядро, и мы получим спектр, показывающий яркую линию на месте каждой темной линии Фраунгофера, точно так же как в случае второго опыта Кирхгофа мы получили бы яркие натриевые линии пламени, если бы убрать известковый свет. Следовательно, эти фраунгоферовы линии не абсолютно темны, а темны на величину, соответствующую разности между светом, задержанным фотосферой, и светом, испускаемым ею. К почти каждому великому научному открытию подходят одновременно многие умы, причем тот факт, что один ум обычно придает ему отчетливость доказательства, служит иллюстрацией не изолированного гения, а гения опережающего. Так, Фуко в 1849 году вплотную подошел к открытию Кирхгофа. Спроецировав изображение солнца на вольтову дугу и получив тем самым наложенные друг на друга спектры как солнца, так и дуги, он обнаружил, что две яркие линии, видимые в спектре дуги из-за присутствия небольшого количества натрия в углях или в воздухе, совпадают с темными линиями D солнечного спектра. Он выяснил, что линии D значительно усиливаются при прохождении солнечного света через вольтову дугу. Вместо изображения солнца Фуко затем спроецировал на дугу изображение одной из твердых раскаленных угольных точек, которая сама по себе давала бы непрерывный спектр; и он обнаружил, что таким образом в этом спектре генерируются линии D. Вывод Фуко из этого восхитительного опыта состоял в том, «что дуга является средой, которая сама по себе испускает лучи D и в то же время поглощает их, когда они приходят с другой стороны». На этом он остановился. Он не стал расширять свои наблюдения за пределы вольтовой дуги; он не предложил никакого объяснения фраунгоферовым линиям; он не пришел ни к какому представлению о солнечной химии или о строении солнца. Его прекрасный опыт оставался бесплодным зародышем до тех пор, пока осмысление десять лет спустя всего класса явлений, к которым он принадлежит, не позволило Кирхгофу решить эти великие проблемы. Вскоре после публикации открытия Кирхгофа профессор Стоукс, который также, за десять лет до этого открытия, почти предвосхитил его, привлек аналогию из области звука, чтобы объяснить взаимность излучения и поглощения. Натянутая струна отзывается на воздушные колебания, которые синхронны с ее собственными колебаниями. Большое количество таких струн, натянутых в пространстве, могло бы грубо представлять собой среду; и если бы нота, общая для них всех, зазвучала на расстоянии, они восприняли бы или поглотили ее колебания. Когда смычок скрипки проводят по этому камертону, комната немедленно наполняется музыкальным звуком, который можно рассматривать как излучение или испускание звука камертоном. Несколько дней назад, звуча этим камертоном, я заметил, что когда его колебания затухали, звук казался продолжающимся, хотя и более слабым. Кроме того, казалось, что он доносится из-под удаленного стола, где стояло несколько камертонов разного размера и с разной частотой колебаний. Один из них, и только один, был приведен в действие звучащим камертоном, и это был тот камертон, частота колебаний которого совпадала с частотой вызвавшего его камертона. Это пример поглощения звука одного камертона другим. Поместив два унисонных камертона близко друг к другу, проведя смычком по одному из них, а затем заглушив потревоженный камертон, мы услышим, как другой продолжает звучать; этот второй может вновь возбудить первый, и таким образом между двумя камертонами можно осуществить несколько передач звука. Положив по монетке в один цент на каждый зубец одного из камертонов, мы нарушаем его идеальный синхронизм с другим, и после этого такая передача звука от одного к другому становится невозможной. Теперь мне предстоит продемонстрировать вам в подходящем масштабе, что с помощью света можно сделать то же самое, что было сделано здесь со звуком. В течение нескольких дней в 1861 году я пытался осуществить это лишь с частичным успехом. В железные чашки наливали смесь разбавленного спирта и соли и подогревали для ускорения испарения. Пар поджигали, и сквозь полученное таким образом желтое пламя пропускали пучок лучей от электрической лампы; но удалось получить лишь слабое потемнение желтой полосы проецируемого спектра. Затем был изготовлен желоб, который при заполнении солью и спиртом давал пламя толщиной в десять футов; однако результат пропускания света через такую толщу пламени по-прежнему оставался неудовлетворительным. Помнив о том, что прямое горение натрия в пламени Бунзена дает желтый цвет, гораздо более интенсивный, чем пламя солевого раствора, и заключив, что интенсивность цвета свидетельствует об обилии раскаленного пара, я пропустил через пламя металлического натрия пучок лучей электрической лампы. Успех был полным; и этот эксперимент я хочу повторить сейчас в вашем присутствии. [25] Во-первых, вы замечаете, что когда кусочек натрия помещают в платиновую ложечку и вносят в пламя Бунзена, возникает интенсивно-желтый свет. Он совпадает по преломляемости с желтой полосой спектра. Подобно нашему камертону, он испускает волны определенного периода. Когда белый свет от электрической лампы пропускается сквозь это пламя, вы получаете наглядное доказательство того, что желтое пламя задерживает желтую часть спектра; иными словами, оно поглощает волны того же периода, что и его собственные, создавая тем самым — во всех существенных отношениях — темную фраунгоферову линию на месте желтой. Перед щелью (в точке L, рис. 56), из которой выходит пучок лучей, помещается горелка Бунзена (b), защищенная цилиндром (C). Этот пучок, пройдя через линзу, пересекает призму (P) (в реальном эксперименте была пара призмы), разлагается в ней и образует яркий непрерывный спектр (S S) на экране. При введении платиновой ложечки с комочком натрия в пламя Бунзена комочек сначала плавление, окрашивает пламя в интенсивно-желтый цвет и, наконец, вспыхивает бурным горением. В тот же момент спектр прорезается интенсивно темной полосой (D) шириной в два дюйма и длиной в два фута. При быстром попеременном введении и извлечении натриевого пламени внезапное появление и исчезновение темной полосы демонстрируется самым поразительным образом. На контрасте с окружающей яркостью эта полоса кажется абсолютно черной, столь сильным является поглощение. Однако чернота эта носит лишь относительный характер, ибо на темное пространство падает часть света натриевого пламени. Fig. 56. Я уже упоминал об эксперименте Фуко, но другие исследователи также занимались этой темой до того, как за нее взялись Бунзен и Кирхгоф. С некоторыми изменениями я уже использовал ранее следующие слова, касающиеся предшественников открытия спектрального анализа и солнечной химии: «Мистер Талбот наблюдал яркие линии в спектрах цветных пламен, и как он, так и сэр Джон Гершель указали на возможность сделать призматический анализ химическим тестом чрезвычайной чувствительности, хотя и не абсолютной достоверности. Более четверти века назад доктор Миллер дал рисунки и описания спектров различных цветных пламен. Уитстон с присущей ему проницательностью проанализировал свет электрической искры и доказал, что металлы, между которыми проскакивала искра, определяют яркие линии в ее спектре. В исследовании, охарактеризованном Кирхгофом как «классическое», Сван показал, что 1/2 500 000 грана натрия в пламени Бунзена может быть обнаружена по ее спектру. Он также доказал постоянство ярких линий в спектрах углеводородных пламен. Массон опубликовал премиальное эссе о полосах индукционной искры; в то время как Ван дер Виллиген и, позднее, Плюккер также представили нам прекрасные рисунки спектров, полученных из того же источника». «Но ни один из этих выдающихся людей не выказал ни малейшего понимания связи между яркими линиями металлов и темными линиями солнечного спектра; нельзя было также сказать, что спектральный анализ опирался на сколько-нибудь надежный фундамент до исследований Бунзена и Кирхгофа. Человек, который в опубликованной статье ближе всего подошел к философии этого вопроса, — Онгстрем. В этой статье, переведенной мной и опубликованной в журнале „Philosophical Magazine“ за 1855 год, он указывает, что лучи, которые тело поглощает, суть в точности те, которые оно же, будучи светящимся, способно испускать. В другом месте он говорит, что один из его спектров производит общее впечатление обращения солнечного спектра. Но его мемуар, сколь бы философским он ни был, отчетливо отмечен печатью неуверенности его эпохи. Фуко, Томсон и Бальфур Стюарт — все они были близки к открытию, в то время как, о чем уже говорилось, оно было почти угадано проницательным, но неопубликованным предположением Стоукса». Как в духовном, так и в физическом отношении каждый год возраста мира является побегом и порождением всех предшествующих лет. Наука доказывает, что она — подлинное порождение природы, развиваясь по этому закону. Здесь нет разрыва непрерывности. Все великие открытия должным образом подготовлены двумя путями: во-первых, другими открытиями, которые служат их прелюдией; и, во-вторых, изощрением пытливого интеллекта. Так Птолемей вырос из Гиппарха, Коперник — из обоих, Кеплер — из всех троих, а Ньютон — из всех четырех. Ньютон не поднялся внезапно с уровня моря интеллекта на свою поразительную высоту. К моменту его появления плоскогорье знания было уже высоким. Он возвышается, это правда, над плоскогорьем в виде мощной вершины; тем не менее он опирается на плато, и значительная часть его абсолютной высоты — это высота человечества его эпохи. То же самое происходит и с открытиями Кирхгофа. Многое было сделано ранее; он освоил это, а затем силой индивидуального гения пошел дальше. Он заменил неопределенность определенностью, расплывчатость точностью, хаос порядком; и я не думаю, что у Ньютона есть более прочные права на открытия, обессмертившие его имя, чем у Кирхгофа на заслугу сбора разрозненных знаний своего времени, их колоссального расширения и вдыхания в них жизни великих принципов. Еще одним дополнительным моментом мы завершим наши иллюстрации принципов солнечной химии. Вследствие рассеяния света веществом, плавающим в виде взвеси в атмосфере Земли, солнце видится не с резкими очертаниями, а окруженным светящимся ореолом. Но громкий звук заглушает шепот, интенсивный свет подавляет слабый, и этот околосолнечный ореол мешает нам видеть множество поразительных явлений вокруг солнечного лимба. Ореол исчезает во время полных затмений, когда луна оказывается между Землей и Солнцем, и тогда становятся видны серии розоватых протуберанцев, простирающихся иногда на десятки тысяч миль за темный край луны. Они описаны Вассениусом в «Философских трудах» за 1733 год и, вероятно, наблюдались еще раньше. В 1842 году они привлекли к себе большое внимание, и тогда их сравнили с альпийскими снежными пиками, окрашенными в красный цвет вечерним солнцем. То, что эти протуберанцы представляют собой пылающий газ, главным образом газообразный водород, было впервые доказано господином Янсеном во время затмения, наблюдавшегося в Индии 18 августа 1868 года. Но протуберанцы можно сделать видимыми и при солнечном свете; и по причине, которую легко понять. В этих лекциях вы видели, как для получения спектра использовалась одна призма, и вы видели применение пары призмы. В последнем случае диспергированный белый свет, будучи рассредоточен примерно по удвоенной площади, имел все свои цвета пропорционально ослабленными. Вы также видели применение одной призмы и пары призм для получения полос раскаленных паров; но здесь свет каждой полосы, будучи абсолютно монохроматичным, не был способен к дальнейшей дисперсии второй призмой и потому не мог быть ослаблен такой дисперсией. Примените эти соображения к околосолнечной области. Ореол белого света вокруг солнца может быть диспергирован и ослаблен в любой степени путем увеличения числа призм; в то время как монохроматический свет, смешанный с этим ореолом и замаскированный им, сохранял бы свою интенсивность, не ослабленной дисперсией. На этом соображении был основан метод наблюдений, независимо примененный господином Янсеном в Индии и мистером Локьером в Англии, с помощью которого монохроматические полосы протуберанцев заставляют одержать верх и появляться средь бела дня. Тщательно и искусно исследуя окрестности солнечного лимба, мистер Локьер доказал, что эти протуберанцы являются не более чем местными выступами из огненной оболочки, которая полностью охватывает солнце и которую он назвал хромосферой. Было бы далеко за рамками цели этих лекций останавливаться на многочисленных интересных и важных результатах, полученных Секки, Респиги, Юнгом и другими выдающимися деятелями, занимавшимися химией Солнца и его окружения. Не могу я в настоящее время сказать больше и о мимолетном упоминании выдающихся трудов доктора Хаггинса, связанных с неподвижными звездами, туманностями и кометами. Они ярче любых других иллюстрируют буквальную истину утверждения о том, что установление спектрального анализа и объяснение линий Фраунгофера повлекли за собой неизмеримое расширение кругозора химика. Поистине мощные эксперименты профессора Дьюара ежедневно пополняют наши знания, в то время как утонченные исследования капитана Абни и других открывают новые области для изысканий. Но моя цель здесь — прояснить принципы, а не следовать за деталями их иллюстрации. РЕЗЮМЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Моим желанием в этих лекциях было показать вам, с минимально возможным нарушением непрерывности, нечто из прошлого развития и современного облика той отрасли науки, в которой трудились одни из величайших умов, когда-либо виденных миром. Я стремился придать каждому эксперименту четкую интеллектуальную ценность, ибо эксперименты должны быть представителями и истолкователями мысли — языком, обращенным к глазу, подобно тому как произносимые слова обращены к уху. В связи со своим контекстом ничто не является столь выразительным или поучительным, как подходящий эксперимент; но вне контекста он скорее служит цели фокусника по удивлению, нежели цели просвещения, которая должна быть руководящим мотивом ученого. И теперь краткое резюме нашей работы будет вполне уместно. Наше нынешнее господство над законами и явлениями света берет свое начало в стремлении человека к познанию. Мы видели древних, занятых этой проблемой, но, подобно ребенку, который бесцельно машет руками из-за отсутствия необходимой мышечной тренировки, эти ранние мыслители спекулировали смутно и хаотично в отношении природных явлений, не обладая дисциплиной, необходимой для придания ясности своему прозрению и твердости своему овладению принципами. Они убедились в прямолинейном распространении света и в том, что угол падения равен углу отражения. Более тысячи лет — я мог бы сказать, пожалуй, более полутора тысяч лет — научный интеллект казался пораженным параличом; дело в том, что в течение этого времени умственная энергия, которая могла бы течь в направлении науки, направлялась в другие русла. Ход исследований в отношении света был возобновлен в 1100 году арабским философом по имени Альхазен. Затем его последовательно подхватили Роджер Бэкон, Вителлий и Кеплер. Эти люди, хотя и не сумевшие выявить принципы, управляющие фактами, поддерживали огонь исследований неугасимым. Затем последовало фундаментальное открытие Снелла, краеугольный камень оптики, как я его уже назвал, и сразу за ним — применение Декартом открытия Снелла для объяснения радуги. Вслед за этим мы наблюдаем опровержение Рёмером мнения Декарта о том, что свет распространяется в пространстве мгновенно. Затем последовали венец экспериментов Ньютона по анализу и синтезу белого света, которыми было доказано, что он состоит из различных видов света различной степени преломляемости. Вплоть до своей демонстрации состава белого света Ньютон везде одерживал победу — победу на небесах, победу на земле, и его последующая экспериментальная работа по большей части имеет непреходящую ценность. Но непогрешимость не является свойством человека, и вскоре после своего открытия природы белого света Ньютон доказал свою человеческую природу. Он предполагал, что преломление и хроматическая дисперсия идут рука об руку и что невозможно устранить одно без одновременного уничтожения другого. Здесь его исправил Доллонд. Но Ньютон совершил более серьезную ошибку. Наука, как я старался прояснить для вас в нашей второй лекции, лишь отчасти является делом чувств. Корни явлений залегают в области, недоступной для чувств, и меньшее, чем корень дела, никогда не удовлетворит научный ум. Соответственно, мы находим в этом пути оптики величайшие умы, постоянно стремящиеся прорвать границы чувств и проследить явления до их подосновы. Побуждаемые этим, они вступали в область теории, и здесь Ньютон, хотя время от времени и склонялся к истине, еще сильнее склонялся к заблуждению; и он сделал заблуждение своим осознанным выбором. Его эксперименты непреходящи, но его теория канула в Лету. Целое столетие она стояла подобно плотине на пути открытий; но, как и со всеми барьерами, которые покоятся на авторитете, а не на истине, давление изнутри возрастало и в конце концов снесло этот барьер. В 1808 году Малюс, глядя через исландский шпат на солнце, отраженное от окна Люксембургского дворца в Париже, открыл поляризацию света путем отражения. Как было заявлено в то время, это открытие возвестило самый темный час в судьбе волновой теории. Но темнота не продолжалась долго. В 1811 году Араго открыл великолепные хроматические явления, проиллюстрированные нами на примере поведения пластинок гипса в поляризованном свете; он также открыл вращение плоскости поляризации кристаллами кварца. В 1813 году Зебек открыл поляризацию света турмалином. В том же году Брюстер открыл те великолепные цветные полосы, которые окружают осями двухосные кристаллы. В 1814 году Волластон открыл кольца исландского шпата. Все эти эффекты, которые без теоретической нити оставили бы человеческий ум в дебрях явлений без гармонии и связи, были органично связаны воедино волновой теорией. Волновая теория применялась и проверялась во всех направлениях, причем Эри особенно выделялся строгостью и убедительностью своих доказательств. Самая замечательная верификация выпала на долю покойного сэра Уильяма Гамильтона из Дублина, который, продолжив теорию там, где ее оставил Френель, пришел к выводу, что в четырех особых точках «волновой поверхности» в дважды преломляющих кристаллах луч разделяется не на две части, а на бесконечное число частей, образуя в этих точках непрерывную коническую оболочку вместо двух изображений. Ни один человеческий глаз никогда не видел этой оболочки, когда сэр Уильям Гамильтон вывел ее существование. Он попросил доктора Ллойда проверить экспериментально истинность своего теоретического заключения. Ллойд, взяв кристалл арагонита и следуя с самой скрупулезной точностью указаниям теории, разрезая кристалл там, где теория предписывала его резать, и наблюдая его там, где теория предписывала его наблюдать, открыл светящуюся оболочку, которая до того была лишь идеей в сознании математика. Тем не менее эта великая теория ундуляции, подобно многим другим истинам, которые в конечном счете оказались благом для человечества, должна была в ходе ожесточенной борьбы отвоевать свое право на существование. Против нее ополчились прославленные имена. Она была сформулирована Гуком, она была разъяснена и применена Гюйгенсом, она была защищена Эйлером. Но они не произвели никакого впечатления. И действительно, теория в их руках не обладала силой доказательства. Впервые она приняла форму доказанной истины в руках Томаса Юнга. Он заставил световые волны взаимодействовать друг с другом, заставляя их по своему желанию усиливать или гасить друг друга. Из их взаимных действий он определил их длину и применил свои знания во всех направлениях. В конце концов он показал, что трудность поляризации поддается постижению теории. После него появился Френель, чьи выдающиеся математические способности позволили ему придать теории такую степень всеобщности, которой не достиг Юнг. Он охватил ее целиком; проследил эфир в сердцевину кристаллов сложнейшей структуры и в тела, подвергнутые деформации и давлению. Он показал, что факты, открытые Малюсом, Араго, Брюстером и Био, представляют собой своего рода ганглии его теоретического организма, черпающие из него питательные вещества и объяснение. Обладая умом, слишком мощным для тела, с которым он был связан, это тело превратилось в руины задолго до наступления старости, и Френель умер, оставив тем не менее после себя имя, обессмерченное в анналах науки. Еще одно слово я хотел бы сказать относительно Френеля. Есть вещи даже лучше науки. Характер выше интеллекта, но особенно приятно тем, кто хочет думать о человеческой природе хорошо, когда высокий интеллект и честный характер сочетаются вместе. Они сочетались в этом молодом французе. В тех жарких столкновениях волновой теории он выступал как человек честный, не претендующий на большее, чем его право, и готовый уступить чужие права другим. Он сразу признал и оценил заслуги Томаса Юнга. Действительно, именно он и его соотечественник Араго первыми потрясли Англию осознанием несправедливости, причиненной Юнгу в «Эдинбургском обозрении». Я хотел бы прочитать вам небольшую выдержку из письма, написанного Френелем Юнгу в 1824 году, поскольку оно бросает приятный свет на характер французского философа. «Долгое время, — говорит Френель, — та чувствительность, или то тщеславие, которое люди называют любовью к славе, во мне сильно притупилось. Я тружусь гораздо меньше ради того, чтобы снискать одобрение публики, чем ради получения того внутреннего одобрения, которое всегда было сладостнейшей наградой моих усилий. Без сомнения, в моменты отвращения и уныния мне часто требовалось шпоры тщеславия, чтобы побудить себя продолжать исследования. Но все комплименты, полученные мной от Араго, Лапласа и Био, никогда не доставляли мне столько удовольствия, сколько открытие теоретической истины или подтверждение расчета экспериментом». Итак, в этом заключается суть всего дела, касающегося науки. Ее следует культивировать ради нее самой, ради чистой любви к истине, а не ради аплодисментов или выгоды, которую она приносит. И теперь моя деятельность в Америке подходит к концу. И все же я попрошу вашего снисхождения для нескольких заключительных замечаний, касающихся людей, завещавших нам тот огромный массив знаний, дать некоторое слабое представление о котором я стремился в этих лекциях. Каков был мотив, подгонявший их? Что побуждало их к тем сражениям и победам над скрытной природой, которые стали достоянием человеческого рода? Никогда нельзя забывать, что ни у одного из этих великих исследователей, от Аристотеля до Стоукса и Кирхгофа, не было никакой практической цели в виду, согласно обычному определению слова «практический». Они не ставили перед собой деньги в качестве цели, а знания — в качестве средства их достижения. По большей части они благородно переворачивали этот процесс, делая знание своей целью, а имевшиеся у них деньги — средством ее достижения. Сегодня мы видим результаты их труда в тысячах практических форм, и это может показаться достаточным для оправдания, если не облагораживания, их усилий. Но они работали не ради таких результатов; их награда была совершенно иного рода. В каком смысле иного? Мы любим одежду, мы любим роскошь, мы любим прекрасные экипажи, мы любим деньги, и любой человек, способный указать на это как на результат своих жизненных усилий, оправдывает такие результаты перед всем миром. В Америке и Англии, в особенности, он считается «практичным» человеком. Но я с уверенностью обращусь к этому собранию: исчерпывают ли подобные вещи запросы человеческой природы? Само присутствие здесь в течение шести ненастных вечеров этой огромной аудитории, воплощающей столько духовной силы и утонченности этого огромного города, [26] является ответом на мой вопрос. Мне не нужно говорить такому собранию, что существуют радости интеллекта наряду с радостями тела, или что именно эти духовные наслаждения составляли награду наших великих исследователей. Ведомые шепотом природной истины, сквозь боль и самоотречение они зачастую продолжали свой труд. С господствующей страстью, сильной даже перед лицом смерти, некоторые из них, будучи уже не в силах держать перо, диктовали своим друзьям последние результаты своих трудов, а затем упокоились от них навеки. Могли ли мы, увидев этих людей за работой без какого-либо знания о ее последствиях, что подумали бы о них? Для непосвященных в их дни они часто могли казаться большими детьми, играющими с мыльными пузырями и другими пустяками. Так обстоит дело и по сей день. Если бы вы понаблюдали за истинным исследователем — вашим Генри или вашим Дрейпером, например, — в его лаборатории, то, если вы не проникнуты его духом, вы вряд ли смогли бы понять, что удерживает его там. Многие предметы, приковывающие его внимание, могли показаться вам совершенно тривиальными; и если бы вы спросили его, в чем польза его работы, велики шансы, что вы поставили бы его в тупик. Он мог бы оказаться неспособным выразить ее пользу в понятных терминах. Он мог бы не суметь заверить вас, что это положит доллар в карман хоть какого-нибудь человека, живущего ныне или в будущем. То, что научное открытие может положить не только доллары в карманы отдельных людей, но и миллионы в казну наций, история науки доказывает с избытком; но надежда на это никогда не была и никогда не сможет быть движущей силой исследователя. Я знаю, что определенный риск сопряжен с тем, чтобы говорить подобное перед лицом практичных людей. Я знаю, что говорит о вас де Токвиль. «Человек Севера, — говорит он, — обладает не только опытом, но и знанием. Однако наука сама по себе как наслаждение его не интересует, и он охватывает ее с жаром лишь тогда, когда она ведет к полезным применениям». Но к чему, спросил бы я, сводятся надежды на полезные применения, заставлявшие вас столько раз заполнять это помещение вопреки сугробам и кусачему холоду? К чему, спрошу я, восходит исток той доброты, которая вывлекла меня из моей работы в Лондоне, чтобы обратиться к вам здесь, и которая, если бы я позволил, отправила бы меня домой миллионером? Не потому, что я научил вас зарабатывать наукой хоть один цент, я здесь сегодня вечером, а потому, что я старался изо всех сил представить науку миру как интеллектуальное благо. Поистине, никакие другие два термина не были столь искажены и превратности истолкованы в отношении человека в его высших связях, как эти термины — полезный и практичный. Давайте расширим наши определения настолько, чтобы они охватывали все потребности человека, включая его высшие интеллектуальные потребности. Именно на этом основании служения высшим потребностям интеллекта, главным образом потому, что я считаю науку благотворной не только как источник знаний, но и как средство дисциплины, я настаиваю на признании прав науки на ваше внимание. Но в том, что касается материальных нужд и радостей, чистой науке, конечно, тоже есть что сказать. Люди порой говорят так, будто пар не изучали до Джеймса Уатта, а электричество — до Уитстона и Морзе; тогда как на самом деле Уатт, Уитстон и Морзе со всей их практичностью были лишь порождением предшествующих сил, действовавших безотносительно к практическим целям. Это также, я полагаю, заслуживает мимолетного внимания. Вы восхищены, и вполне обоснованно, вашими электрическими телеграфами, гордитесь вашими паровыми машинами и фабриками и очарованы творениями фотографии. Вы ежедневно наблюдаете с законным ликованием создание новых форм промышленности — новых возможностей приумножать богатство и комфорт общества. Промышленная Англия содрогается от сил, стремящихся к этой цели; а пульс индустрии бьется еще сильнее в Соединенных Штатах. И все же, если подвергнуть их анализу, чем являются промышленная Америка и промышленная Англия? Если вы можете вынести свободу слова с моей стороны, я отвечу на этот вопрос наглядным примером. Обнажите сильную руку и посмотрите на узловатые мускулы, когда рука сжата в кулак, а предплечье согнуто. Является ли это проявление энергии делом одной лишь мышцы? Отнюдь нет. Мышца — это канал влияния, без которого она была бы столь же бессильна, как кусок пластичного теста. Именно невидимый тонкий нерв высвобождает силу мышцы. И без тех нитей гениальности, которые были пронизаны подобно нервам сквозь тело общества первооткрывателем, индустриальная Америка и индустриальная Англия находились бы в самом плачевном состоянии этого пластичного теста. В настоящее время в Англии раздается призыв к техническому образованию, и это призыв, к которому может присоединиться самый заурядный интеллект, настолько очевидна его необходимость. Но такого призыва к оригинальным исследованиям нет. И все же без них, столь же верно, сколь иссякает ручей при иссякании источника, «техническое образование» неизбежно утратит всю силу роста, всю способность к воспроизводству. Наши великие исследователи дали нам достаточный задел работы на время; но если их дух угаснет, мы в конечном счете окажемся в положении тех китайцев, о которых упоминает де Токвиль, которые, забыв научное происхождение того, что они делали, в конце концов были вынуждены без изменений копировать изобретения более мудрых предков, почерпнувших свое вдохновение прямо из природы. Как Англии, так и Америке есть смысл помнить об этом, ибо масштабность и близость материальных результатов слишком уж легко заставляют обе страны забыть о скромных духовных началах таких результатов в умах научных первооткрывателей. Вы приумножаете, но он созидает. И если вы заморите его голодом или иным образом уничтожите — более того, если вы не обеспечите ему простор и поощрение, — вы не только лишитесь движущей силы интеллектуального прогресса, но и безошибочно отрежете себя от родников индустриальной жизни. Все сказанное о технической деятельности в равной степени справедливо и для образования, ибо здесь первооткрыватель также представляет собой первоисточник знания. Учителю принадлежит задача придать этому знанию надлежащую форму — задача почтенная и зачастую трудная. Но эта задача обретает свое окончательное освящение тогда, когда сам учитель искренне пытается добавить ручеек к великому потоку научных открытий. Действительно, можно усомниться в том, может ли подлинная жизнь науки ощущаться в полной мере и передаваться тем человеком, который сам не был обучен прямому общению с природой. Мы можем, по правде говоря, иметь хорошие и поучительные лекции от способных людей, чьи знания целиком получены из вторых рук, точно так же, как мы можем иметь хорошие и поучительные проповеди от интеллектуально одаренных и невозрожденных людей. Но для той силы науки, которая соответствует тому, что пуританские отцы назвали бы экспериментальной религией в сердце, вам необходимо обратиться к первооткрывателю. Для поддержания здорового функционирования общества в отношении науки необходимы три класса работников: во-первых, исследователь природной истины, чье призвание состоит в том, чтобы преследовать эту истину и расширять поле открытий ради самой истины и без отсылки к практическим целям. Во-вторых, преподаватель природной истины, чье призвание состоит в том, чтобы нести в массы уже добытые первооткрывателем знания. В-третьих, практический деятель от науки, чье призвание заключается в том, чтобы сделать научное знание доступным для нужд, удобств и роскоши цивилизованной жизни. Эти три класса должны сосуществовать и взаимодействовать. Но популярное представление о науке как в этой стране, так и в Англии часто относится не к науке в строгом смысле этого слова, а к ее применениям. Подобные приложения, особенно на этом континенте, столь поразительны — они столь широко и раскидисто простираются перед публичным взором, — что они часто заслоняют от глаз тех тружеников, которые заняты более тихим и глубоким делом первоначальных исследований. Возьмите в качестве примера электрический телеграф, который в последнее время неоднократно привлекал мое внимание. Я здесь не для того, чтобы хоть в малейшей степени умалить заслуги тех, кто в Англии и Америке придал телеграфу форму, столь удивительно приспособленную для общественного использования. Они заслужили великую награду, и они ее получили. Но я был бы неверен по отношению к вам и к самому себе, если бы не сказал вам, что, как бы ни были высоки в определенных отношениях их заслуги и качества, электрический телеграф открыли не ваши практичные люди. Открытие электрического телеграфа подразумевает открытие самого электричества, а также развитие его законов и явлений. Подобные открытия не делаются практичными людьми, и они никогда не будут ими сделаны, поскольку их умы обуреваемы идеями, которые, будучи высочайшей ценности с одной точки зрения, вовсе не те, что стимулируют первооткрывателя. Древние открыли электризацию янтаря, а Гилберт в 1600 году распространил это открытие на другие тела. За ними последовали Бойль, фон Герике, Грей, Кантон, Дюфе, Клейст, Кюнеус и ваш собственный Франклин. Но их форма электричества, хотя и опробованная, не вошла в употребление для телеграфных целей. Затем появился великий итальянец Вольта, открывший источник электричества, носящий его имя, и применивший глубочайшую проницательность и тончайшее экспериментальное мастерство к его разработке. Затем возник человек, который соединил со способностями своего интеллекта все изящество человеческого сердца, Майкл Фарадей, первооткрыватель обширной области магнитоэлектричества. Эрстед открыл отклонение магнитной стрелки, а Араго и Стерджен — намагничивание железа электрическим током. Вольтов столб в конце концов обрел своего теоретического Ньютона в лице Ома; в то время как Генри из Принстона, обладавший проницательностью распознать заслуги Ома, пока они еще порицались в его собственной стране, находился в то время в авангарде экспериментальных исследований. В трудах этих людей вы найдете все материалы, используемые в настоящее время во всех видах электрического телеграфа. Более того: Гаусс, прославленный астроном, и Вебер, прославленный естествоиспытатель, оба профессора Геттингенского университета, желая установить быструю связь между обсерваторией и физическим кабинетом университета, сделали это с помощью электрического телеграфа. Таким образом, еще до того, как на арене появились ваши практические деятели, сила была открыта, ее законы исследованы и установлены, было достигнуто полнейшее владение ее явлениями — более того, ее применимость к телеграфным целям была продемонстрирована людьми, чьей единственной наградой за труды было благородное волнение исследования и радость, сопутствующая открытию природной истины. Должны ли мы игнорировать все это? Мы делаем это на свой страх и риск. Ибо я повторяю вновь, что за всеми нашими практическими применениями стоит область интеллектуальной деятельности, к которой практические деятели обращались редко, но из которой они черпают все свои запасы. Отрежьте их от этой области, и в конце концов они окажутся беспомощными. Нигде афоризм «Другие трудились, а вы вошли в их труд» не является более справедливым, чем в случае исследователя и применителя природной истины. Но теперь скажем слово и о другой стороне. Хотя практические деятели не способны совершать необходимые предшествующие открытия, бывают случаи — хотя в наши дни они не редкость, — когда исследователь знает, как извлечь практическую пользу из своего труда. В этих двух случаях обычно требуются разные качества ума и привычки мышления; и хотя я хочу решительно высказаться в поддержку тех, чье положение в силу простого факта их интеллектуального превосходства часто оказывается непонятым, я здесь не для того, чтобы превозносить один класс тружеников за счет другого. Они являются необходимыми дополнениями друг друга. Но помните, что об одном классе непременно позаботятся. Все материальные блага общества уже у них в руках, в то время как это же общество привычно приписывает им интеллектуальные достижения, которых у них никогда не было. Это не может не действовать во вред тем научным дисциплинам, из которых проистекают не только наше знание природы, но и сами наши нынешние индустриальные искусства, и от которых неустанно отвлекают зарождающиеся таланты страны. Пастер, один из самых прославленных членов Французского института, объясняя катастрофическое поражение своей страны и преобладание Германии в недавней войне, выражается следующим образом: «Немногие понимают истинное происхождение чудес индустрии и богатства наций. Лучшим доказательством тому служит все более частое использование в официальном языке и в письменных трудах всякого рода ошибочного выражения прикладная наука. Недавно в присутствии министра величайшего таланта было выражено сожаление по поводу ухода людей, способных заниматься ими с отличием, из научной карьеры. Этот государственный деятель попытался показать, что нам не следует удивляться такому результату, поскольку в наши дни царство теоретической науки уступило место царству прикладной науки. Нет ничего более ошибочного, чем это мнение, и, осмелюсь сказать, нет ничего опаснее для практической жизни, чем те последствия, которые могли бы вытечь из этих слов. Они остались в моей памяти как доказательство настоятельной необходимости реформы нашего высшего образования. Не существует никакой категории наук, к которой можно было бы справедливо применить название прикладной науки. У нас есть наука и ее приложения, которые соединены вместе подобно дереву и его плодам». А Кювье, великий сравнительный анатоме, пишет на ту же тему следующее: «Эти грандиозные практические новации суть не что иное, как применение истин высшего порядка, которые искали не с практической целью, а преследовали ради них самих и исключительно из страсти к познанию. Те, кто применял их, не смогли бы их открыть; но те, кто их открывал, не имели склонности преследовать их до практического конца. Увлеченные теми высотами, куда уносили их мысли, они едва замечали эти практические результаты, хотя те и были порождены их собственными делами. Эти поднимающиеся мастерские, эти заселенные колонии, те корабли, что бороздит моря — это изобилие, эта роскошь, этот шум — все это проистекает из научных открытий, и все это остается чуждым для самих первооткрывателей. В точке, где наука сливается с практикой, они покидают ее; она их больше не волнует». Когда отцы-пилигримы высадились у Плимутской скалы и когда Пенн заключил свой договор с индейцами, пришельцам приходилось строить дома, возделывать землю и заботиться о своих душах. В таком обществе о науке в ее более абстрактных формах не могло быть и речи. И в настоящее время, когда ваши суровые западные пионеры стоят лицом к лицу с упрямой природой, пробивая горы и покоряя лес и прерию, занятия наукой ради нее самой ожидать не приходится. Первая потребность человека — еда и кров; но огромная часть этого континента уже поднята далеко над этой потребностью. Господа из Нью-Йорка, Бруклина, Бостона, Филадельфии, Балтимора и Вашингтона уже построили свои дома, и дома эти весьма прекрасны; они также обеспечили свои обеды, в превосходстве коих я тоже могу засвидетельствовать. Они, по сути, достигли того точного состояния благополучия и независимости, при котором от них можно справедливо требовать столь высокой культуры, какой только достигало человечество. Обладая богатством и досугом, они достигли той зрелости, когда исследователь природной истины ради самой истины должен находить среди них покровителей и защитников. Среди множества стоящих перед ними проблем им предстоит решить и такую: способна ли республика взращивать гениев высшего порядка? Вы знакомы с трудами Токвиля и не можете не знать о той глубокой симпатии, которую он питав к вашим институтам; и эта симпатия тем ценнее благодаря тому философскому беспристрастию, с которым он указывает не только на ваши достоинства, но и на ваши недостатки и опасности. Если я прихожу сюда, чтобы говорить о науке в Америке в критическом и придирчивом духе, незримое излучение моих слов и манеры позволит вам раскусить меня и определит ваше отношение ко мне этим вечером. Но если я без недружелюбия — напротив, в духе, совершенно противоположном недружелюбию — осмелюсь повторить перед вами то, что этот великий историк и аналитик демократических институтов говорил об Америке, я убежден, что вы дослушаете меня до конца. Он писал около двадцати трех лет назад и, пожалуй, не написал бы того же сегодня; но никому не повредит услышать его слова и, если нужно, принять их близко к сердцу. В труде, опубликованном в 1850 году, Токвиль говорит: «Следует признать, что среди цивилизованных народов нашей эпохи мало таких, в которых высшие науки добились бы столь малых успехов, как в Соединенных Штатах». Он выражает уверенность в том, что, будь вы одни во вселенной, вы вскоре обнаружили бы, что не можете долго преуспевать в практической науке, не развивая одновременно науку теоретическую. Но, по мнению Токвиля, вы не одиноки таким образом. Он отказывается отделять Америку от ее прародительского очага; и именно там, утверждает он, вы собираете плоды интеллекта, не утруждая себя их созданием. Токвиль явно сомневается в способности демократии взращивать гениев так, как они взращивались в древних аристократиях. «Будущее, — говорит он, — покажет, могут ли страсть к глубокому знанию, столь редкая и столь плодотворная, зарождаться и развиваться в демократических обществах так же легко, как в аристократиях. Что до меня, — продолжает он, — я едва ли могу в это поверить». Он говорит о беспокойной лихорадочности демократических общин не во времена великих потрясений, ибо такие времена могут дать необычайный импульс идеям, а во времена мира. Тогда, по его словам, наблюдается «мелкое и некомфортное брожение, некий непрерывный трение человека о человека, который тревожит и рассеивает ум, не придавая ему ни величия, ни одухотворения». От вас зависит доказать, обстоят ли дела именно так — не может ли научный гений найти среди вас спокойное пристанище. Я был бы против того, чтобы перечить столь проницательному наблюдателю и столь глубокому политическому писателю, однако с момента моего приезда в эту страну я не смог заметить ничего в общественном устройстве, что помешало бы исследователю, у которого в корне заложено это стремление, посвятить себя чистой науке с непоколебимой преданностью. Если в Америке не достигаются великие научные результаты, то я склонен приписывать этот изъян не мелким общественным трениям, а тому факту, что те из вас, кто обладает способностями, необходимыми для глубоких научных изысканий, обременены административными или преподавательскими обязанностями, столь тяжелыми, что они совершенно несовместимы с непрерывным и спокойным размышлением, которого требуют оригинальные исследования. Вполне можно задаться вопросом, превратился ли бы Генри в администратора или бросил бы Дрейпер науку ради написания истории, если бы первооткрыватель был в этой стране почитаем так, как того заслуживает. Едва ли я думаю, что это случилось бы. И все же я не предполагаю, что такое положение дел продлится долго. В Америке наблюдается готовность отдельных лиц жертвовать своими состояниями в деле образования на благо общества, которой, пожалуй, нет равных где-либо еще; и эта готовность требует лишь мудрого направления, чтобы позволить вам эффективно смыть упрек Токвиля. Вашей труднейшей задачей будет не создание институтов, а поиск людей. Вы можете возводить лаборатории и наделять их средствами; вы можете снабжать их всеми приборами, необходимыми для исследований; поступая так, вы лишь создаете возможности для проявления сил, источники которых лежат совершенно вне вашей досягаемости. Вы не можете сотворить гения, заказывая его. Говоря библейским языком, это дар Божий; и максимум того, что вы могли бы сделать — будь ваше богатство и ваша готовность применить его в миллион раз большими, — это обеспечить данному прекрасному растению свободу, свет и тепло, необходимые для его развития. Время от времени мы видим великолепное дерево, утянутое вниз паразитическими лианами. Садовник может удалить их, хотя сама жизненная сила дерева может лежать за пределами его возможностей; и точно так же во многих случаях вы, люди богатства, можете освободить гений от опутывающих пут, которые борьба за существование часто набрасывает вокруг него. Влекомый вашей добротой, я приехал сюда, чтобы прочитать эти лекции, и теперь, когда мой визит в Америку стал почти достоянием прошлого, я оглядываю его как воспоминание без единого пятнышка. Ни один лектор еще не был вознагражден так, как я. Однако с этой выгодной высоты позвольте мне напомнить вам, что труд лектора — не высочайший труд; что в науке лектор обычно является распределителем интеллектуального богатства, накопленного лучшими умами. И хотя лекции и преподавание в умеренных количествах в целом способствуют их нравственному здоровью, ваши лучшие умы должны быть заняты не исключительно или даже не главным образом в качестве лекторов, но в качестве исследователей. Среди вас есть научный гений — поверьте мне, он не рассеян щедро, он нигде так не рассеян, — но все же разбросан тут и там. Уберите с его пути все ненужные препятствия. Сохраняйте свой сочувственный взгляд на созидателя знания. Предоставьте ему свободу, необходимую для его изысканий, не перегружая его ни преподавательскими, ни административными обязанностями и не требуя от него так называемых практических результатов — превыше всего избегая того вопроса, который невежество столь часто задает гению: «Какая польза от вашей работы?» Пусть он делает истину своей целью, сколь бы непрактичной она ни казалась в данное время. Если вы так бросите свой хлеб по водам, будьте уверены, он вернется к вам, хотя бы и после многих дней. ПРИЛОЖЕНИЕ. О СПЕКТРАХ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА. Несколько лет назад господин Уильям Споттисвуд в весьма яркой форме представил членам Королевского института серию экспериментов со спектрами поляризованного света. С помощью своих больших призм Николя он сперва повторил и объяснил эксперименты Фуко и Физо, а впоследствии обогатил эту тему прекрасными дополнениями собственного авторства. Здесь я прилагаю часть изложения его выступления: «Хорошо известно, что если поместить пластинку селенита достаточной тонкости между двумя призмами Николя, или, выражаясь более технически, между поляризатором и анализатором, возникнет цвет. Возникает вопрос: какова природа этого цвета? Является ли он просто чистым цветом спектра или он составной, и если да, токовы его составные части? Ответ, даваемый волновой теорией, вкратце таков: при прохождении через селенитовую пластинку лучи разделяются по направлению их колебаний и скорости распространения так, что при их воссоединении с помощью анализатора они в некоторых случаях нейтрализуют друг друга. Если это так, данный факт должен быть виден, когда луч, выходящий из анализатора, разлагается призмой; ибо тогда мы имеем лучи всех различных цветов, расположенные бок о бок, и если какого-то не хватает, его отсутствие проявится в виде появления темной полосы на его месте в спектре. Но не только это; спектр также должен давать представление о других явлениях, демонстрируемых селенитом при повороте анализатора, а именно: что при повороте на угол 45° все следы цвета исчезают; а также что при повороте на угол 90° цвет появляется вновь, но уже не исходный, а дополнительный к нему. «В спектре красноватого света, производимого селенитом, вы видите широкую, но темную полосу в синей области; при повороте анализатора полоса становится все менее и менее темной, пока при угле поворота 45° она не исчезает полностью. На этой стадии каждая часть спектра обладает собственной пропорциональной интенсивностью, и все вместе образует бесцветное изображение, видимое без спектроскопа. Наконец, по мере продолжения поворота анализатора в красной части появляется темная полоса — та область спектра, которая дополняет область первой полосы; и темнота становится наиболее полной при повороте на 90°. Таким образом, мы получаем из спектроскопа полное представление о том, что произошло для порождения исходного цвета и его изменений. «Далее хорошо известно, что цвет, производимый пластинкой селенита или иной кристаллической пластинкой, зависит от толщины пластинки. И в самом деле, если взять серию пластинок, дающих разные цвета, оказывается, что их спектры показывают полосы, расположенные в разных положениях. Более тонкие пластинки показывают полосы в частях спектра, ближайших к фиолетовой, где волны короче и, следовательно, дают более красные цвета; в то время как более толстые показывают полосы ближе к красной, где волны длиннее и, следовательно, дают более синеватые оттенки. «Когда толщина пластинки непрерывно увеличивается так, что производимый цвет проходит полный цикл спектра, дальнейшее увеличение толщины приводит к воспроизведению цветов в том же порядке; но можно заметить, что при каждом повторении цикла оттенки становятся все бледнее, пока по прохождении ряда циклов и при значительной толщине пластинки все следы цвета не теряются. Возьмем теперь ряд пластинок, первые две из которых, как вы видите, дают цвета; у остальных, постепенно возрастающих по толщине, оттенки столь слабы, что их едва ли можно различить. Спектр первой показывает одну полосу; спектр второй — две, показывая, что вторая серия оттенков не идентична первой, а порождается исчезновением двух цветов из компонентов белого света. Спектры остальных показывают ряды полос, тем более многочисленные, чем больше толщина пластинки — ряд, который можно увеличивать до бесконечности. Следовательно, весь свет, которого лишается спектр в случае более толстых пластинок, забирается из большего числа его частей; или, иными словами, остающийся свет распределяется по спектру все более и более равномерно; и в той же пропорции его общая сумма все ближе и ближе приближается к белому свету. «Эти эксперименты были проделаны более тридцати лет назад французскими учеными месье Фуко и Физо. «Если вместо селенита, исландского шпата или других обычных кристаллов мы используем пластинки кварца, вырезанные перпендикулярно оси, и поворачиваем анализатор, как прежде, свет вместо демонстрации лишь одного цвета и его дополнения с промежуточной стадией отсутствия цвета меняет оттенок непрерывно; и порядок цвета зависит отчасти от направления вращения анализатора, а отчасти от характера кристалла, то есть от того, является ли он правовращающим или левовращающим. Если мы исследуем спектр в этом случае, то обнаружим, что темная полоса никогда не исчезает, но движется от одного конца спектра к другому или наоборот именно в таком направлении, которое порождает оттенки, видимые при прямой проекции. «Тот вид поляризации, который осуществляется кварцевыми пластинками, называется циркулярным, тогда как поляризация, осуществляемая другим классом кристаллов, называется плоской — из-за формы колебаний, совершаемых молекулами эфира; и это подводит нас к более детальному рассмотрению природы поляризации различных частей этих спектров поляризованного света. «Итак, две вещи ясны: во-первых, если свет плоскополяризован — то есть если все колебания по всему лучу прямолинейны и находятся в одной плоскости, — они должны во всех своих проотношениях соотноситься с определенным направлением в пространстве, так что на них будут по-разному влиять различные положения анализатора. Во-вторых, если колебания циркулярные, они будут подвергаться воздействию точно таким же образом (каким бы оно ни было) при любых положениях анализатора. Это утверждение лишь подводит итог фундаментальному положению о поляризации. Фактически плоскополяризованный свет попеременно пропускается и гасится анализатором при его повороте на 90°; в то время как циркулярно поляризованный свет [если бы мы могли получить единичный луч] остается по всем признакам неизменным. И если мы внимательно исследуем спектр света, прошедшего через селенит или другой обычный кристалл, то обнаружим, что, начиная с двух последовательных полос в определенном положении, части, занятые полосами, и части посредине между ними плоскополяризованы, поскольку они поочередно становятся темными и яркими; в то время как промежуточные части, то есть части на расстоянии одной четверти от одной полосы до следующей, остаются постоянно яркими. Фактически они циркулярно поляризованы. Но было бы неправильно заключать на основании одного лишь этого эксперимента, что дело обстоит именно так, поскольку та же картина наблюдалась бы, если бы эти части были неполяризованными, то есть находились бы в состоянии обычного света. И при таком предположении мы с тем же основанием заключили бы, что части по обе стороны от упомянутых ранее частей (например, части, разделенные восьмыми долями интервала между двумя полосами) частично поляризованы. Но существует инструмент очень простой конструкции, называемый "пластинкой в четверть волны" — обычно пластинка из слюды, толщина которой является нечетным кратным четверти длины волны, — который позволяет нам отличать неполяризованный свет от циркулярно поляризованного. Точное механическое действие, производимое на луч, едва ли может быть объяснено в деталях в рамках наших текущих временных ограничений; но довольно будет сказать пока, что при надлежащем положении пластинка превращает плоскую поляризацию в циркулярную, а циркулярную — в плоскую. При этом те части, которые изначально были полосатыми, должны оставаться яркими, а те, что изначально оставались яркими, должны стать полосатыми во время вращения анализатора. Следовательно, общим зрительным эффектом будет общее смещение полос на одну четверть пространства, разделяющего каждую пару. «Циркулярная поляризация, как и круговое движение вообще, может, разумеется, быть двух видов, которые различаются лишь направлением движения. И фактически, чтобы преобразовать циркулярную поляризацию, создаваемую этой пластинкой, из одного вида в другой (скажем, из правовращающей в левовращающую или наоборот), нам нужно лишь повернуть пластинку на 90°. И наоборот, правовращающая циркулярная поляризация будет изменена пластинкой в плоскую поляризацию в одном направлении, в то время как левовращающая будет изменена в плоскую под прямым углом к первой. Следовательно, если повернуть пластинку на 90°, мы увидим, что полосы смещаются в направлении, противоположном тому, в котором они двигались сначала. В этом мы получаем свидетельство не только того, что поляризация непосредственно по обе стороны от полосы является циркулярной; но также и того, что поляризация по одну сторону является правовращающей, а по другую — левовращающей. «Если бы позволяло время, я мог бы углубиться в детали еще больше и показать, что поляризация между плоской и циркулярной является эллиптической, а также указать положения большей и меньшей осей и направление движения в каждом случае. Но для нашей текущей цели, пожалуй, сказано достаточно. «Прежде чем перейти к более разнообразным формам спектральных полос, которые я надеюсь вскоре представить вашему вниманию, я хотел бы на несколько минут привлечь ваше внимание к тем особым явлениям, которые наблюдаются при использовании двух пластинок селенита, дающих дополнительные цвета. Внешний вид спектра варьируется в зависимости от относительного положения пластинок. Если они расположены одинаково — то есть так, как будто они представляют собой одну пластинку кристалла, — они будут вести себя как единая пластинка, толщина которой равна сумме толщин каждой из них, и дадут вдвое большее количество полос, чем дала бы одна; и при повороте анализатора полосы будут исчезнуть и вновь появляться в своих дополнительных положениях, как обычно в случае плоской поляризации. Если одну из них повернуть на 45°, в определенном месте спектра будет видна одна полоса. Она расщепляется на две, которые удаляются друг от друга в сторону красного и фиолетового концов соответственно или сближаются друг с другом в зависимости от направления вращения анализатора. Если повернуть пластинку на 45° в противоположном направлении, эффекты будут обратными. Темнота полос, однако, неодинаково полна на всем протяжении их прохождения. Наконец, если повернуть одну из пластинок на 90°, полосы не будут видны, и спектр будет попеременно светлым и темным, как если бы пластинки не использовались вовсе, за исключением лишь того, что сама поляризация повернута на 90°. «Если использовать клиновидный кристалл, полосы вместо того, чтобы быть прямыми, пересекут спектр по диагонали, причем направление диагонали (правой или левой) определяется положением более толстого конца клина. Если использовать два одинаковых клина самыми толстыми концами вместе, они будут действовать как клин, угол и толщина которого вдвое больше первого. Если расположить их в обратном положении, они будут действовать как плоская пластинка, и полосы снова пересекут спектр прямыми линиями под прямым углом к его длине. «Если использовать вогнутую пластинку, полосы расположатся веерообразно, причем их расхождение будет зависеть от расстояния щели от центра вогнутости. «Если применить два кварцевых клина, у одного из которых оптическая ось параллельна ребру преломляющего угла, а у другого перпендикулярна ему, но находится в одной из плоскостей, содержащих угол (компенсатор Бабине), внешний вид полос оказывается весьма разнообразным. «Диагональные полосы, помимо того, что иногда удваиваются, как при обычных клиньях, иногда объединяются, образуя продольные (вместо поперечных) полосы; а иногда пересекают друг друга, образуя узор в виде ромбов с яркими ячейками в темном обрамлении и наоборот, в зависимости от положения пластинок. «Эффекты от различного расположения промежуточных кристаллов можно было бы варьировать до бесконечности; но, пожалуй, сказано достаточно, чтобы показать всю тонкость метода спектрального анализа применительно к исследованию поляризованного света». Своеобразный и прекрасный эффект, получаемый с круглой пластинкой селенита, тонкой в центре и постепенно утолщающейся к окружности, легко связать с аналогичным эффектом, получаемым с кольцами Ньютона. Пусть тонкий пучок света падает на стекла, показывающие кольца, так, чтобы покрыть узкую центральную вертикальную зону, проходящую через них все. Изображение этой зоны на экране пересекается частями радужных колец. Подвергая отраженный луч призматическому анализу, результирующий спектр можно рассматривать как бесконечное число изображений зоны, расположенных бок о бок. На изображении до дисперсии мы имеем радужные кольца, причем угасание света нигде не является полным; но когда различные цвета разделяются посредством дисперсии, каждый цвет поперечно пересекается собственной системой темных интерференционных полос, которые постепенно сближаются по мере возрастания преломляемости света. Следовательно, весь спектр кажется исчерченным системой непрерывных темных полос, пересекающих цвета в поперечном направлении и сближающихся по мере перехода от красного к синему. В случае пластинки селенита перед поляризатором помещается щель, и пленочка селенита удерживается вплотную к щели так, чтобы свет проходил через центральную зону пленки. Как и в случае колец Ньютона, изображение зоны перечерчено окрашенными в цвета радуги полосами; но при подвергании призматической дисперсии свет зоны дает спектр, исчерченный полосами полной темноты, точно так же, как в случае колец Ньютона, и по аналогичной причине. Это тот прекрасный эффект, описанный господином Споттисвудом как веерообразное расположение полос, причем веер раскрывается на красном конце спектра. ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛН СВЕТА. Дифракционные полосы, описанные в лекции II, вместо того чтобы формироваться на сетчатке, могут формироваться на экране или на матовом стекле, и тогда их можно рассматривать с помощью увеличительной линзы сзади, либо их можно наблюдать в воздухе при удалении матового стекла. Вместо того чтобы позволять им формироваться на сетчатке, мы предположим, что они сформированы на экране. Это ставит нас в положение, позволяющее понять — даже без тригонометрии — решение важной проблемы измерения длины волны света. Fig. 57. Мы будем предполагать, что экран находится на таком расстоянии, при котором лучи, падающие на него с двух краев щели, заметно параллельны. Из лекции II мы узнали, что первая из темных полос соответствует разности краевого хода в одну волну; вторая темная полоса — разности хода в две волны; третья темная полоса — разности в три волны и так далее. Теперь угловое расстояние полос от центра поддается точному измерению; это расстояние зависит, как уже говорилось, от ширины щели. При ширине щели 1,35 миллиметра Шверд обнаружил, что угловое расстояние первой темной полосы от центра поля зрения составляет 1'38"; угловые расстояния второй, третьей и четвертой темных полос равны удвоенному, утроенному и усетеренному этому значению. Пусть А В (рис. 57) — пластинка, в которой прорезана щель, а C D — сильно преувеличенная ширина щели с пучком красного света, исходящим из нее под углом, соответствующим первой темной полосе. Опустим перпендикуляр из одного края D щели на краевой луч другого края в точке d. Расстояние C d между основанием этого перпендикуляра и другим краем представляет собой длину волны света. Угол C D d, кроме того, равный R C R', в рассматриваемом случае составляет 1'38". Из центра D радиусом, равным ширине D C, опишем полуокружность; поскольку ее радиус D C равен 1,35 миллиметра, длина этой полуокружности, согласно легкому расчету, оказывается равной 4,248 миллиметра. Длина C d столь мала, что она заметно совпадает с дугой окружности. Следовательно, длина полуокружности относится к длине волны C d как 180° к 1'38", или, переводя все в секунды, как 648 000" к 98". Таким образом, мы получаем пропорцию: 648,000 : 98 :: 4.248 to the wave-length C d. Произведя расчет, мы находим длину волны для данного конкретного вида света равной 0,000643 миллиметра, или 0,000026 дюйма. ПРИМЕЧАНИЯ: [1] Среди которых особо можно упомянуть покойного сэра Эдмунда Хеда, баронета, с которым у меня было много бесед на эту тему. [2] С чьей стороны, как мне приятно констатировать, я всегда испытывал благородное и либеральное отношение. [3] Одно из самых ранних поступило от господина Джона Эмори Лоуэлла из Бостона. [4] Впоследствии будет показано, как этот простой прибор можно использовать для определения «угла поляризации» жидкости. [5] Из этого принципа сэр Джон Гершель простым и изящным образом выводит фундаментальный закон отражения. — См. «Привычные лекции», стр. 236. [6] Низкая дисперсионная способность воды маскирует, как заметил Гельмгольц, несовершенную ахроматичность глаза. Невооруженным глазом я могу видеть далекий синий диск резко очерченным, но не красный. Я также могу видеть линии, отмечающие верхнюю и нижнюю границы горизонтально преломленного спектра, резкими на синем конце и расплывчатыми на красном конце. При проецировании светящегося диска на экран и закрывании одного полукруга отверстия красным, а другого — синим или зеленым стеклом разница между видимыми размерами двух полукругов в моем случае и в многочисленных других случаях является необычайной. Однако многие люди видят видимые размеры двух полукругов обратными. Если с помощью очкового стекла я исправлю дисперсию красного света по сетчатке, тогда синий перестает давать резко очерченное изображение. Исследованное таким образом отклонение глаза от ахроматизма кажется поистине вопиющим. [7] Как в листве, так и в цветах наблюдаются поразительные различия в поглощении. Медный бук и зеленый бук, например, поглощают разные лучи. Но самый рост дерева обусловлен некоторыми из поглощаемых таким образом лучей. Одинаковы ли тогда химические лучи у медного и зеленого бука? В двух таких цветках, как первоцвет и фиолет, где поглощения, судя по цветам, почти взаимодополняющие, одинаковы ли химически активные лучи? Общая связь цвета с химическим действием заслуживает применения метода, с помощью которого доктор Дрейпер столь убедительно доказал химическую потенцию желтых лучей солнца. [8] Юнг, Гельмгольц и Максвелл сводят все различия оттенков к комбинациям в различных пропорциях трех основных цветов. Экспериментально доказуемо, что из красного, зеленого и фиолетового могут быть получены все остальные цвета спектра. Несколько лет назад сэр Чарльз Уитстон обратил мое внимание на труд Христиана Эрнста Вюнша, Лейпциг, 1792 г., в котором автор провозглашает положение о том, что в белом свете нет ни пяти, ни семи, а только три простых цвета. Вюнш получил пять спектров с помощью пяти призмов и пяти малых отверстий и смешал цвета сначала попарно, а затем другими способами и в других пропорциях. Его результат состоит в том, что красный — это простой цвет, не поддающийся разложению; оранжевый составлен из интенсивного красного и слабого зеленого; желтый представляет собой смесь интенсивного красного и интенсивного зеленого; зеленый — простой цвет; синий составлен из насыщенного зеленого и насыщенного фиолетового; индиго представляет собой смесь насыщенного фиолетового и слабого зеленого, тогда как фиолетовый — чистый простой цвет. Он также обнаруживает, что желтый и индигово-синий при смешивании дают белый. Желтый в смеси с ярко-синим (Hochblau) также дает белый, который, однако, кажется имеющим зеленоватый оттенок, в то время как пигменты этих двух цветов при смешивании всегда дают более или менее красивый зеленый. Вюнш очень решительно отличает смесь пигментов от смеси световых лучей. Говоря о зарождении желтого, он отмечает: «Я говорю определенно красный и зеленый свет, поскольку я веду речь о световых цветах (Lichtfarben), а не о пигментах». Какими бы ошибочными ни были его теории, эксперименты Вюнша в основном представляются точными и убедительными. Почти десятью годами позже Юнг принял красный, зеленый и фиолетовый в качестве трех основных цветов, каждый из которых способен вызывать три ощущения, одно из которых, однако, преобладает над двумя другими. Гельмгольц принимает, поясняет и обогащает это понятие. («Популярные лекции», стр. 249. Статья Гельмгольца о смешении цветов в моем переводе опубликована в «Философском журнале» за 1852 г. Мемуар Максвелла о теории составных цветов опубликован в «Философских трудах», т. 150, стр. 67.) [9] Следующая очаровательная выписка, имеющая отношение к этому вопросу, была обнаружена и выписана для меня моим глубоко оплакиваемым другом доктором Бенсом Джонсом, когда он был почетным секретарем Королевского института: [10] «Во всяком роде величин существует такая степень или род, которым соразмерно наше чувство, восприятие и познание чего имеет величайшую пользу для человечества. Это же служит основой философии; ибо, хотя все роды и степени в равной мере являются объектом философских умозрений, именно с тех из них, которые соразмерны чувству, философ должен начинать свои изыскания, поднимаясь или опускаясь впоследствии по мере того, как того требуют его поиски. Он действительно поступает правильно, беря свои виды из многих точек зрения и восполняя недостатки чувств хорошо управляемым воображением; и он не должен ограничиваться никакими пределами в пространстве или времени; но, поскольку его познание Природы основано на наблюдении чувственных вещей, он должен начинать с них и должен часто возвращаться к ним, чтобы проверять по ним свой прогресс. В этом его надежная опора: и как он отправляется оттуда, так если он не будет также часто и с осторожностью прослеживать свои шаги назад, он рискует заблудиться в лабиринтах Природы». — (Маклорен: «Отчет о философских открытиях сэра И. Ньютона». Написано в 1728 г.; второе издание, 1750 г., стр. 18, 19.) [11] Я не хочу загромождать концепцию здесь деталями движения, но могу привлечь внимание к прекрасной модели проф. Лимана, в которой показано, что волны производятся круговым движением частиц. Это, как доказали братья Вебер, является реальным движением в случае водных волн. [12] Скопировано из «Wellenlehre» Вебера. [13] См. «Лекции о звуке», 1-е и 2-е изд., лекция VII; и 3-е изд., гл. VIII. «Лонгманс». [14] Труды Бойля, издание Бёрча, стр. 675. [15] Страница 743. [16] Прекрасные перистые образования, производимые кристаллизацией воды, были успешно сфотографированы профессором Локеттом. [17] В небольшом томе под названием «Формы воды» я упоминал, что холодное железо плавает на расплавленном железе. В компании с моим другом сэром Уильямом Армстронгом я неоднократно имел возможность наблюдать этот факт на его заводах в Эльсвике в 1863 году. Фарадей, я помню, говорил мне впоследствии, что совершенство чугунных отливок, вероятно, объясняется набуханием металла при затвердевании. Помимо этого, я не уделял данному вопросу особого внимания; и я знаю, что многие интеллигентные литейщики сомневаются в факте расширения. Вполне возможно, что твердое тело плавает потому, что оно не смачивается расплавленным железом, а его объем виртуально увеличивается за счет капиллярного отталкивания. Определенные мухи свободно ходят по воде благодаря действию такого рода. Однако с висмутом легко разрывать железные бутылки силой затвердевания. [18] Этот прекрасный закон обычно выражается так: показатель преломления любого вещества равен тангенсу его угла поляризации. С помощью этого закона и аппарата, аналогичного изображенному на странице 15, мы можем легко определить показатель преломления любой жидкости. Поскольку преломленный и отраженный лучи видны, им легко придать такое положение, чтобы они заключали прямой угол. Угол поляризации жидкости может быть найден таким образом с высочайшей точностью. Тогда остается лишь отыскать его натуральный тангенс, чтобы получить показатель преломления. [19] Хьюэлл. [20] Покинул нас после того, как были написаны эти слова. [21] Единственное известное мне эссе по волновой теории, написанное американским автором, — это превосходная работа президента Барнарда, опубликованная в «Отчете Смитсоновского института» за 1862 год. [21] Boyle's Works, Birch's edition, vol. i. pp, 729 and 730. [22] Werke, B. xxix. p. 24. [23] Определено в лекции I. [24] Это обстоятельство не следует упускать из виду при исследовании составных спектров. Можно привести и другие подобные примеры. [25] Темная полоса, образующаяся при помещении натрия внутрь лампы, наблюдалась тогда же. Тогда же впервые была замечена великолепная синяя полоса лития, которую пламя Бунсена выявить не в состоянии. [26] Нью-Йорк: более десятилетия не наблюдалось такой погоды. Снег был настолько глубоким, что обычные средства передвижения на время прекратили работу. [27] «Il faut reconnaître que parmi les peuples civilisés de nos jours il en est peu chez qui les hautes sciences aient fait moins de progrès qu'aux États-Unis, ou qui aient fourni moins de grands artistes, de poëtes illustres et de célèbres écrivains». (De la Démocratie en Amérique, etc. tome ii. p. 36.) [28] В этих точках два перпендикулярных колебания, на которые исходный поляризованный луч разлагается гипсовыми пластинками, действуют друг на друга подобно двум перпендикулярным импульсам, сообщенным нашему маятнику в лекции IV, причем один придается, когда маятник находится на пределе своего размаха. Таким образом, колебание преобразуется во вращение. [29] Миллиметр составляет около 1/25 дюйма. УКАЗАТЕЛЬ. Absorption, principles of, 199 Airy, Sir George, severity and conclusiveness of his proofs, 209 Alhazen, his inquiry respecting light, 14, 207 Analyzer, polarizer and, 127 ——recompounding of the two systems of waves by the analyzer, 129 Ångström, his paper on spectrum analysis, 202 Arago, François, and Dr. Young, 50 ——his discoveries respecting light, 208 Atomic polarity, 93-96 Bacon, Roger, his inquiry respecting light, 14, 207 Bartholinus, Erasmus, on Iceland spar, 112 Bérard on polarization of heat, 180 Blackness, meaning of, 32 Boyle, Robert, his observations on colours, 65, 66 ——his remarks on fluorescence, 163, 164 Bradley, James, discovers the aberration of light, 21, 22 Brewster, Sir David, his chief objection to the undulatory theory of light, 47 Brewster, Sir David, his discovery in biaxal crystals, 209 Brougham, Mr. (afterwards Lord), ridicules Dr. T. Young's speculations, 50, 51 Cæsium, discovery of, 193 Calorescence, 174 Clouds, actinic, 152-154 ——polarization of, 155 Colours of thin plates, 64 ——Boyle's observations on, 65, 66 ——Hooke on the colours of thin plates, 67 ——of striated surfaces, 89, 90 Comet of 1680, Newton's estimate of the temperature of, 168 Crookes, Mr., his discovery of thallium, 193 Crystals, action of, upon light, 98 ——built by polar force, 98 ——illustrations of crystallization, 99 ——architecture of, considered as an introduction to their action upon light, 98 ——bearings of crystallization upon optical phenomena, 106 Crystals, rings surrounding the axes of, uniaxal and biaxal, 145 Cuvier on ardour for knowledge, 220 De Tocqueville, writings of, 215, 222, 223 Descartes, his explanation of the rainbow, 24, 25 ——his ideas respecting the transmission of light, 43 ——his notion of light, 207 Diamond, ignition of a, in oxygen, 169 Diathermancy, 173 Diffraction of light, phenomena of, 78 ——bands, 78, 79 ——explanation of, 80 ——colours produced by, 89 Dollond, his experiments on achromatism, 28 Draper, Dr., his investigation on heat, 172 Drummond light, spectrum of, 195 Earth, daily orbit of, 74 Electric beam, heat of the, 168 Electricity, discoveries in, 217, 218 Emission theory of light, bases of the, 45 ——Newton espouses the theory, and the results of this espousal, 77 Ether, Huyghens and Euler advocate and defend the conception of an, 48, 58 ——objected to by Newton, 58 Euler espouses and defends the conception of an ether, 48, 58 Eusebius on the natural philosophers of his time, 13 Expansion by cold, 104 Experiment, uses of, 3 Eye, the, its imperfections, grown for ages towards perfection, 8 ——imperfect achromatism of the, 29, note Faraday, Michael, his discovery of magneto-electricity, 218 'Fits,' theory of, 73 ——its explanation of Newton's rings, 74 ——overthrow of the theory, 77 Fizeau determines the velocity of light, 22 Fluorescence, Stokes's discovery of, 161 ——the name, 174 Forbes, Professor, polarizes and depolarizes heat, 180 Foucault, determines the velocity of light, 22 ——his experiments on absorption, 197, 198 Fraunhofer, his theoretical calculations respecting diffraction, 87 ——his lines, 193 ———their explanation by Kirchhoff, 193 Fresnel, and Dr. Young, 50 ——his theoretical calculations respecting diffraction, 87 ——his mathematical abilities and immortal name, 210 Goethe on fluorescence, 165 Gravitation, origin of the notion of the attraction of, 92 ——strength of the theory of, 148 Grimaldi, his discovery with respect to light, 56 ——Young's generalizations of, 56 Hamilton, Sir William, of Dublin, his discovery of conical refraction, 209 Heat, generation of, 6 ——Dr. Draper's investigation respecting, 171 Helmholtz, his estimate of the genius of Young, 50 ——on the imperfect achromatism of the eye, 29, note, 31 ——reveals the cause of green in the case of pigments, 37 Henry, Professor Joseph, his invitation, 2 Herschel, Sir John, his theoretical calculations respecting diffraction, 87 ——first notices and describes the fluorescence of sulphate of quinine, 165 ——his experiments on spectra, 201 Herschel, Sir William, his experiments on the heat of the various colours of the solar spectrum, 171 Hooke, Robert, on the colours of thin plates, 67 ——his remarks on the idea that light and heat are modes of motion, 68 Horse-chestnut bark, fluorescence of, 165 Huggins, Dr., his labours, 205 Huyghens advocates the conception of ether, 48, 58 ——his celebrated principle, 83 Huyghens on the double refraction of Iceland spar, 112 Iceland spar, 109 ——double refraction caused by, 110 ——this double refraction first treated by Erasmus Bartholinus, 112 ——character of the beams emergent from, 114 ——tested by tourmaline, 116 ——Knoblauch's demonstration of the double refraction of, 185 Ice-lens, combustion through, 167 Imagination, scope of the, 42 ——note by Maclaurin on this point, 43 note Janssen, M., on the rose-coloured solar prominences, 204 Jupiter, Roemer's observations of the moons of, 20 Jupiter's distance from the sun, 20 Kepler, his investigations on the refraction of light, 14, 207 Kirchhoff, Professor, his explanation of Fraunhofer's lines, 193 ——his precursors, 201 ——his claims, 203 Knoblauch, his demonstration of the double refraction of heat of Iceland spar, 185 Lactantius, on the natural philosophers of his time, 13 Lamy, M., isolates thallium in ingots, 193 Lesley, Professor, his invitation, 2 Light familiar to the ancients, 5 ——generation of, 6, 7 ——spherical aberration of, 8 ——the rectilineal propagation of, and mode of producing it, 9 ——illustration showing that the angle of incidence is equal to the angle of reflection, 10, 11 ——sterility of the Middle Ages, 13 ——history of refraction, 14 ——demonstration of the fact of refraction, 14 ——partial and total reflection of, 16-20 ——velocity of, 20 ——Bradley's discovery of the aberration of light, 21, 22 ——principle of least time, 23 ——Descartes and the rainbow, 24 ——Newton's analysis of, 26, 27 ——synthesis of white light, 30 ——complementary colours, 31 ——yellow and blue lights produce white by their mixture, 31 ——what is the meaning of blackness? 32 ——analysis of the action of pigments upon, 33 ——absorption, 34 ——mixture of pigments contrasted with mixture of lights, 37 ——Wünsch on three simple colours in white light, 39 note ——Newton arrives at the emission theory, 45 ——Young's discovery of the undulatory theory, 49 ——illustrations of wave-motion, 58 ——interference of sound-waves, 58 ——velocity of, 60 ——principle of interference of waves of, 61 ——phenomena which first suggested the undulatory theory 62-69 ——soap-bubbles and their colours, 62-65 ——Newton's rings, 69-77 ——his espousal of the emission theory, and the results of this espousal, 77 ——transmitted light, 77 ——diffraction, 77, 89 ——origin of the notion of the attraction of gravitation, 92 ——polarity, how generated, 93 ——action of crystals upon, 98 ——refraction of, 106 ——elasticity and density, 108 ——double refraction, 109 ——chromatic phenomena produced by crystals in polarized, 121 ——the Nicol prism, 122 ——mechanism of, 125 ——vibrations, 125 ——composition and resolution of vibrations, 128 ——polarizer and analyzer, 127 ——recompounding the two systems of waves by the analyzer, 129 ——interference thus rendered possible, 131 ——chromatic phenomena produced by quartz, 139 ——magnetization, of, 141 ——rings surrounding the axes of crystals, 143 ——colour and polarization of sky, 149, 154 ——range of vision incommensurate with range of radiation, 159 ——effect of thallene on the spectrum, 162 ——fluorescence, 162 ——transparency, 167 ——the ultra-red rays, 170 ——part played in Nature by these rays, 175 ——conversion of heat-rays into light-rays, 176 ——identity of radiant heat and, 177 ——polarization of heat, 180 ——principles of spectrum analysis, 189 ——spectra of incandescent vapours, 190 ——Fraunhofer's lines, and Kirchhoff's explanation of them, 193 ——solar chemistry, 195-197 ——demonstration of analogy between sound and, 198, 199 ——Kirchhoff and his precursors, 201 ——rose-coloured solar prominences, 204 ——results obtained by various workers, 205 ——summary and conclusion, 206 ——polarized, the spectra of, 227 ——measurement of the waves of, 234 Lignum Nephriticum, fluorescence of, 164 Lloyd, Dr., on polarization of heat, 180, 209 Lockyer, Mr., on the rose-coloured solar prominences, 205 Lycopodium, diffraction effects caused by the spores of, 88 Magnetization of light, 141 Malus, his discovery respecting reflected light through Iceland spar, 115 ——discovers the polarization of light by reflection, 208 Masson, his essay on the bands of the induction spark, 202 Melloni, on the polarization of heat, 180 Metals, combustion of, 5, 6 ——spectrum analysis of, 190 ——spectrum bands proved by Bunsen and Kirchhoff to be characteristic of the vapour of, 192 Mill, John Stuart, his scepticism regarding the undulatory theory, 149 Miller, Dr., his drawings and descriptions of the spectra of various coloured flames, 201 Morton, Professor, his discovery of thallene, 162 Mother-of-pearl, colours of, 90 Nature, a savage's interpretation of, 4 Newton, Sir Isaac, his experiments on the composition of solar light, 26 ——his spectrum, 27 ——dispersion, 27 ——arrives at the emission theory of light, 45 ——his objection to the conception of an ether espoused and defended by Huyghens and Euler, 58 ——his optical career, 70 ——his rings, 69-77 ——his rings explained by the theory of 'fits,' 73 ——espouses the emission theory, 77 ——effects of this espousal, 77 ——his idea of gravitation, 92 ——his errors, 208 Nicol prism, the, 122 Ocean, colour of the, 35 Œrsted, discovers the deflection of a magnetic needle by an electric current, 176 Optics, science of, 4 Pasteur referred to, 219 Physical theories, origin of, 41-44 Pigments, analysis of the action of, upon light, 33 ——mixture of, contrasted with mixture of lights, 37 ——Helmholtz reveals the cause of the green in the case of mixed blue and yellow pigments, 37 ——impurity of natural colours, 37 Pitch of sound, 59 Plücker, his drawings of spectra, 202 Polariscope, stained glass in the, 130,131 ——unannealed glass in the, 136 Polarity, notion of, how generated, 93 ——atomic, 93-96 ——structural arrangements due to, 96 ——polarization of light, 112 ——tested by tourmaline, 116 ——and by reflection and refraction, 119 ——depolarization, 120 Polarization of light, 112 ——circular, 140 ——sky-light, 149, 157 ——of artificial sky, 156 ——of radiant heat, 180 Polarizer and analyzer, 127 Poles of a magnet, 93 Powell, Professor, on polarization of heat, 180 Prism, the Nicol, 122 Quartz, chromatic phenomena produced by, 139 Radiant heat, 172 ——diathermancy, or perviousness to radiant heat, 173 ——conversion of heat-rays into light rays, 174 ——formation of invisible heat-images, 179 ——polarization of, 180 ——double refraction, 182 ——magnetization of, 184 Rainbow, Descartes' explanation of the, 24 Refraction, demonstration of, 14 Refraction of light, 106 ——double, 109 Reflection, partial and total, 16-20 Respighi, results obtained by, 205 Ritter, his discovery of the ultraviolet rays of the sun, 159 Roemer, Olav, his observations of Jupiter's moons, 20 ——his determination of the velocity of light, 21 Rubidium, discovery of, 193 Rusting of iron, what it is, 5 Schwerd, his observations respecting diffraction, 87 Science, growth of, 176, 203 Scoresby, Dr., succeeds in exploding gunpowder by the sun's rays conveyed by large lenses of ice, 167 Secchi, results obtained by, 205 Seebeck, Thomas, discovers thermo-electricity, 176 ——discovers the polarization of light by tourmaline, 208 Selenite, experiments with thick and thin plates of, 124 Silver spectrum, analysis of, 190, 191 Sky-light, colour and polarization of, 149, 154 ——generation of artificial skies, 152 Snell, Willebrord, his discovery, 14 ——his law, 15, 24 Soap-bubbles and their colours, 63, 65 Sound, early notions of the ancients respecting, 51 ——interference of waves of, 58 ——pitch of, 59 ——analogies of light and, 56 ——demonstration of analogy between, and light, 198, 199 Sonorous vibrations, action of, 134 Spectrum analysis, principles of, 189 Spectra of incandescent vapours, 190 ——discontinuous, 191, 192 ——of polarized light, 227 Spectrum bands proved by Bunsen and Kirchhoff to be characteristic of the vapour, 192 ——its capacity as an agent of discovery, 193 ——analysis of the sun and stars, 193 Spottiswoode, Mr. William, 123, 227 Stewart, Professor Balfour, 202 Stokes, Professor, results of his examination of substances excited by the ultra-violet waves, 161 ——his discovery of fluorescence, 162 ——on fluorescence, 165 ——nearly anticipates Kirchhoff's discovery, 198, 202 Striated surfaces, colours of, 89 Sulphate of quinine first noticed and described by Sir John Herschel, 165 Sun, chemistry of the, 195 Sun, rose-coloured solar prominences, 204 Talbot, Mr., his experiments, 201 Tartaric acid, irregular crystallization of, and its effects, 131 Thallene, its effect on the spectrum, 162 Thallium, spectrum analysis of, 190, 191 ——discovery of, 193 ——isolated in ingots by M. Lamy, 193 Theory, relation of, to experience, 91 Thermo-electric pile, 176 Thermo-electricity, discovery of, 176 Tombeline, Mont, inverted image of, 19 Tourmaline, polarization of light by means of, 112 Transmitted light, reason for, 77 Transparency, remarks on, 167 Ultra-violet sun-rays, discovered by Ritter, 159 ——effects of, 160 Ultra-red rays of the solar spectrum, 171 ——part played by the, 173 Undulatory theory of light, bases of the, 47 ——Sir David Brewster's chief objection to the, 47 Undulatory theory of light, Young's foundation of the, 49 ——phenomena which first suggested the, 62, 69 ——Mr. Mill's scepticism regarding the, 143 ——a demonstrated verity in the hands of Young, 210 Vassenius describes the rose-coloured solar prominences in 1733, 204 Vitellio, his skill and conscientiousness, 14 ——his investigations respecting light, 207 Voltaic battery, use of, and its production of heat, 6, 7 Water, deportment of, considered and explained, 105, 106 Waves of water, 51 ——length of a wave, 52 ——interference of waves, 53-55 Wertheim, M., his instrument for the determination of strains and pressures by the colours of polarized light, 134 Wheatstone, Sir Charles, his analysis of the light of the electric spark, 202 Whirlpool Rapids, illustration of the principle of the interference of waves at the, 55 Willigen, Van der, his drawings of spectra, 202 Wollaston, Dr., first observes lines in solar spectrum, 193 ——discovers the rings of Iceland spar, 209 Woodbury, Mr., on the impurity of natural colours, 37 Wünsch, Christian Ernst, on the three simple colours in white lights, 39 note ——his experiments, 39 note Young, Dr. Thomas, his discovery of Egyptian hieroglyphics, 49 ——and the undulatory theory of light, 49 ——Helmholtz's estimate of him, 50 ——ridiculed by Brougham in the 'Edinburgh Review,' 50 ——generalizes Grimaldi's observation on light, 56, 57 ——photographs the ultra-violet rings of Newton, 160