«Шесть лекций о свете»

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.