Реферат: Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете
Оптикой увлекались еще философы классического периода, которые больше интересовались физиологическими, а не физическими проблемами. Они задавались вопросами: каким образом мы видим, каково соотношение между ощущением и видимым предметом? Дискуссия была, по-видимому, долгая и страстная, но дошедшие до нас документы весьма немногочисленны и толкования их сомнительны. Здесь будут упомянуты теории, развитые в классический период и вновь появлявшиеся в ходе позднейшей истории.
По-видимому, именно пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» как бы щупальцами предметы, давая их ощущение. Атомисты же были сторонниками испускания предметами «призраков» или «образов», которые, попадая в глаза приносят душе ощущение формы и цвета теория эта связывается с именем Платона. Согласно Платону, от предметов исходит специальный флюид, который встречается с «мягким светом дня», «ровно и сильно» бьющим из наших глаз. Если оба флюида подобны друг другу, то, встречаясь, они «крепко связываются» и глаз получает ощущение видимого. Если же «свет очей» встречается с несхожим флюидом, он гаснет и не дает глазам никаких ощущений.
Наиболее ранним из известных нам документов, касающихся работ, является трактат по оптике Евклида, великого геометра, расцвет творчества которого относится к 300 г. до н.э. Трактат состоит из двух частей – «Оптики» и «Катоптрики».
Как следует из первого положения, или постулата:
«Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути».
Евклид следует теории зрения Платона. От второго постулата до нас дошло понятие конуса зрения и «точки наблюдения»:
«Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета».
На этих и других десяти постулатах (по другим свидетельствам – двенадцати) Евклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В «Оптике» он исследует геометрические проблемы, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с отражением от плоских и сферических зеркал. Из постулатов «Катоптрики» замечателен второй постулат:
«Все, что видно, видно по прямой».
Это основной принцип физиологической оптики. Однако непонятно, как его можно было согласовать с третьим постулатом, дающим точный закон отражения света, известный грекам еще с древнейших времен. Если световой луч – это то же самое, что «свет очей», то как он может не отклоняться на зеркале в соответствии со вторым постулатом и менять свое направление в соответствии с третьим? В истории физики противоречия часты, и ученые преодолевали их почти всегда так же, как и Евклид, т.е. обходили молчанием.
2. ВЗГЛЯД НА СВЕТ В ПЕРИОД РАННЕГО СРЕДНЕВЕКОВЬЯ.
Наиболее ярким в арабской физике был, несомненно, период Ибн Аль-Хатайна, известного на Западе под именем Альхазена. Умер Альхазен в Каире в 1039 г. По всеобщему мнению, это был наиболее крупный физик средневековья. Кроме того, он был астрономом, математиком и комментатором Аристотеля и Галена.
В своем первом фундаментальном постулате он утверждает:
«Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза».
Этот постулат он подкрепляет наблюдением, что глаза испытывают боль при падении на них солнечного света, прямого или отраженного от зеркала, приводя также другие примеры ослепления. Под естественным светом Альхазен понимает белый солнечный свет, а под цветовыми лучами – свет отраженный от цветных предметов.
Затем с помощью ряда хорошо поставленных опытов физико-физиологического характера он показывает несостоятельность представления о свете, исходящем из глаз и ощупывающем тела. В главе IV своего труда он описывает анатомическое строение глаза, заимствовав его у Галена, и далее заявляет:
«Зрительный образ получается с помощью лучей, испускаемых видимыми телами и попадающих в глаз».
Здесь речь идет уже не о световых лучах Евклида, а, так сказать, об обращенных световых лучах, которые идут не от глаза к предмету, а от предмета к глазу. Но не это является главным открытием Альхазена. У Евклида, как и у всех греческих физиков, зрение рассматривалось как глобальное явление; считалось, что ощущение воспринимает разом, в едином процессе образ всего наблюдаемого тела, потому ли, что внешняя «оболочка» тела, отделившись, проникает в зрачок, или же потому, что «свет очей» ощупывает его одновременно со всех сторон. Альхазен же с гениальной интуицией разложил этот глобальный процесс на бесконечное множество элементарных процессов: он полагал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза. Но чтобы объяснить отсутствие избранных направлений наблюдения предмета, нужно предположить, что из каждой точки предмета выходит бесконечное число лучей. Но как же тогда одной точке предмета может соответствовать лишь одна воспринимающая точка? Альхазен преодолел эту трудность, приняв что из всех лучей, проникающих в глаз действенным является лишь луч, перпендикулярный всем глазным оболочкам, которые он считал концентрическими. Поэтому на переднюю поверхность хрусталика, который по Альхазену, и есть орган чувства, действуют те лучи, которые, исходя из любой точки наблюдаемого предмета, проходят через геометрический центр глаза. Таким образом, Альхазен устанавливает точное соответствие между точками восприятия на внешней поверхности хрусталика и приходит к выводу:
«Зрительный образ получается с помощью пирамиды, вершина которой находится в глазу, а основание – на видимом теле».
Насколько это положение отличается от евклидова! Это тот же классический закон перспективы, но физика явления здесь изменена. Поэтому, несмотря на серьезные недостатки этого положения, оно представляет собой громадный шаг вперед.
3. ОПЫТЫ ПО ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ СВЕТА.
Одним из первых пытался измерить скорость света Галилей - он предлагает эксперимент для решения спора о том, конечна или бесконечна скорость света. Два экспериментатора, вооруженные фонарями, становятся на некотором расстоянии друг от друга и, согласно предварительной договоренности, первый открывает свой фонарь, как только заметит свет открытого фонаря второго. Тогда сигнал первого экспериментатора вернется к нему через удвоенное время распространения света от одного наблюдателя ко второму.
Этот опыт не мог получиться из-за чрезвычайно большой скорости света. Но за Галилеем остается заслуга первой постановки этой проблемы в экспериментальном плане и проектирования эксперимента столь гениального, что этот проект был осуществлен Физо через 250 лет при первом измерении скорости света в земных условиях. Действительно, в принципе опыт Физо отличается от опыта Галилея лишь тем, что один из двух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедший световой сигнал.
4. ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ.
Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работы Ньютона. В 1669 г. в Кембридже Ньютон начал читать оптику. К этому периоду относятся его «Лекции по оптике», опубликованные посмертно в 1729 г. Научный мир узнал открытии Ньютона о природе цветов из доклада, опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы там, в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием «Оптика» в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук.) В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества для прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу. Еще при жизни Ньютона вышли второе издание «Оптики» в 1717 г. и третье в 1721 г.
«Оптика состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению. Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содержит краткое экспериментальное исследование дифракции и заканчивается 31 «вопросом» теоретического характера».
Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез:
«Мое намерение в этой книге, - предупреждает автор, - не объяснять свойства гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет и речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этого, поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит:
«Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям».
А что означает утверждение: «Луч света – это его мельчайшая часть»? Из этого утверждения ясно, что для Ньютона луч света – это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится в пояснении к этому определению, «наименьший свет или часть света … которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет».
Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, но одновременно основывает истолкование своих экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча – концепции корпускулярной, или если пользоваться современным термином, квантовой.
Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по существу осталась основой современной физической оптики. Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Сенеки.