«Шесть лекций о свете»

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.