Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
Оптика, наука о свете, в те времена быстрыми темпами набирала научную значимость. С древних времен мыслители накапливали фундаментальные сведения относительно отражения и рефракции (преломления лучей при прохождении прозрачных материалов) света. Но до семнадцатого столетия зеркала и линзы были очень низкого качества. Более того, исследованиям в этой сфере мешал распространенный предрассудок, что оптические явления не заслуживают серьезного изучения, так как они эфемерны. Могут ли столь искаженные и обманчивые образы представлять какой-либо научный интерес?
Однако как раз в это время изобретение телескопа и микроскопа создало спрос на зеркала и линзы более высокого качества. Это повысило заинтересованность промышленников в их производстве, что, в свою очередь, поощряло исследования в данной области. Новая европейская наука, со своей стороны,
Оказавшись в изоляции в поместье матери, пока эпидемия свирепствовала в городах, Ньютон превратил одну из комнат в оптическую лабораторию, закрыв туда доступ свету, за исключением одного крошечного отверстия. Там он проводил целые дни напролет, погрузившись в экспериментальные исследования. Как писал один из его ассистентов, «дабы усилить восприимчивость органов чувств и сконцентрировать внимание, [он] на все это время ограничил себя самым небольшим количеством хлеба и хереса, разбавленного водой, которые он употреблял без какой-либо регулярности, как только ощущал острую потребность в еде или ослабление сил». Главным инструментом Ньютона стала призма. В те времена она вызывала всеобщее любопытство своей способностью преобразовывать белый цвет в различные цвета. Однако Ньютон превратил популярную игрушку в важный инструмент научного исследования.
Распространенный стереотип, навязываемый целым поколениям школьников, заключается в том, что научный метод есть некое механическое действие: формулировка, проверка и корректировка гипотезы. Гораздо точнее, хотя и несколько более неопределенно характеризует работу ученых метафора «взгляда» на явление: ведь они и в самом деле «разглядывают» его под разным углом зрения, пытаются его понять, поворачивая то так, то этак. В своей импровизированной лаборатории Ньютон «смотрел» на свет, пользуясь различными конфигурациями призм и линз, и спустя какое-то время пришел к выводу, что так называемый «белый» свет не является чистым, а представляет собой смешение света различных цветов. Позднее Ньютон напишет:
«Самый лучший и надежный метод философского исследования, как представляется, заключается в том, чтобы поначалу внимательно изучить свойства вещей и, установив названные свойства путем экспериментов, затем без излишней торопливости перейти к гипотезам для их объяснения»51.
Тем не менее на протяжении нескольких лет Ньютон делился своими изысканиями с очень немногими. Вернувшись в Тринити-колледж после того, как университет вновь открылся в 1667 году, Ньютон стал посещать лекции по оптике Исаака Барроу, первым занявшего Лукасовскую кафедру математики в Кембриджском университете (прославленную кафедру, которую в более поздние времена занимали Поль Дирак и Стивен Хокинг), вычитывал корректуру лекций Барроу и в 1670 году наследовал последнему в качестве лукасовского профессора. Положение требовало, чтобы он носил алую мантию, подчеркивавшую его превосходство над остальными преподавателями. Кроме того, он был обязан читать студентам по крайней мере одну лекцию в неделю на латыни по теме, имеющей отношение к математике. Ньютон выбрал оптику, которая позволила ему соединить математику и экспериментальную науку и «подвергнуть принципы этой науки более пристальному рассмотрению». Правда, посещались его лекции не слишком активно. Один из помощников Ньютона вспоминал:
«Очень немногие приходили послушать его, еще меньше было тех, кто понимал его, так что часто ему приходилось из-за недостатка в слушателях свои лекции „читать стенам“. Причем в самом буквальном смысле – на его вторую лекцию не пришел ни один слушатель»52.
В 1671 году Ньютон представил членам Лондонского королевского общества телескоп, который он изобрел в результате
Общество собиралось еженедельно для обсуждения и анализа работ своих членов. Данный формат имел решающее значение для стимулирования исследований и профессионализации науки, так как Лондонское королевское общество фактически направляло процесс распространения и защиты научной информации. Можно было сосредоточиться на исследовании какой-либо определенной темы, а результаты сообщать в письмах обществу. Эти письма публиковались в издании, которое первоначально именовалось «Перепиской» общества, а позднее стало называться Philosophical Transactions («Философскими сообщениями»), сделавшись предтечей современного толстого научного журнала. Очень немногие из членов Лондонского королевского общества прежде слышали о Ньютоне, однако его телескоп стал сенсацией. Всего лишь шести футов в длину, он был очень хитроумно сконструирован и изготовлен с величайшей тщательностью. По своим характеристикам он не уступал многим телескопам гораздо большего размера. Несколько членов общества уже пытались изготавливать собственные телескопы, и потому они почти сразу же пригласили Ньютона в свои ряды.
Первым официальным материалом, направленным Ньютоном в общество, как раз и стало письмо, в котором содержалось самонадеянное обещание Ольденбургу сообщить новости о «самом странном философском открытии, которое до сей поры совершалось в сфере действий природы». Это послание часто цитируют в качестве шедевра научной литературы и образца научного текста. В нем дается не только великолепное описание самого «решающего эксперимента», но и того мыслительного процесса, который к нему привел. А от проницательного читателя, умеющего читать между строк, не ускользнет и то наслаждение, которое Ньютон испытывал в ходе исследований и которое сумел передать в письме. Послание начинается так:
«Чтобы исполнить свое обещание Вам, я без дальнейшей церемонии ставлю Вас в известность, что в году 1666… я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ее помощью исследовать прославленные „явления цвета“. С этим намерением я погрузил свою комнату в полную темноту, а в оконных ставнях проделал крошечную дырочку, дабы через нее проникало нужное количество солнечного света; я поместил свою призму у самого отверстия, чтобы лучи света преломлялись на противоположную стену. Поначалу для меня было довольно приятным развлечением разглядывать яркие и насыщенные краски, полученные таким образом»53.
Другие на месте Ньютона, несомненно, поддались бы искушению основное внимание уделить обманчивой игре радужных красок. Ньютон же взирал на происходящее под целым рядом разнообразных углов зрения. Помимо самих цветов, он обращал внимание также и на форму, которую они принимали. «Меня удивило то, что они имеют продолговатую форму, в то время как, с точки зрения известных законов рефракции света, они должны были быть округлыми ».
Но что же так удивило Ньютона? Согласно господствовавшей в то время точке зрения Декарта и других авторов, считалось, что призмы каким-то образом модифицируют или окрашивают чистый солнечный свет и тем самым создают спектр. Если это действительно так, то луч, выходящий из призмы, должен иметь то же округлое сечение, с которым он в нее и вошел. Однако, как заметил Ньютон, на деле отсвет луча «имел форму скакового круга с полукруглыми изгибами наверху и внизу, связанными между собой прямыми линиями» (рис. 9). Цвета располагались горизонтальными полосами, с синим цветом на одном краю и красным – на противоположном. Кроме того, Ньютон обратил внимание и на еще одну странную особенность. Если прямые вертикальные линии были достаточно четко очерчены, то горизонтальные изгибы, как верхний, так и нижний, синий и красный, представлялись довольно размытыми. Это плюс «необычайное» несоответствие между длиной и шириной – первая была почти в пять раз больше второй – «пробудило во мне исключительное любопытство и стремление узнать, по какой причине подобное могло воспоследовать».