Ньютон. Оптика

Произведения мировой классики никогда не устаревают. Все это знают, но никто и пальцем не почешется, чтобы претворить это знание в жизнь. Особенно, когда это касается науки. Почему-то думается о ее беспрерывном прогрессе: новые достижения невозможны без опоры на предшествующие -- пусть так; но буде они достигнуты, они как бы дезавуируют старые, оставляя за ними чисто исторический интерес. Какое гнусное и неумное заблуждение.

"Призматические опыты Ньютона еще в XVIII в. стали необходимым предметом школьного преподавания и считаются общеизвестными. К сожалению, это не так: вместо фактов и выводов из них в большинстве случаев распространяются упрощенные и просто неверные рассказы. Ньютон, например, вовсе не открывал призматических цветов, как это нередко пишут и особенно говорят: они были известны задолго до него, о них знали Леонардо да Винчи, Галилей и многие другие; стеклянные призмы продавались в XVII в. именно из-за призматических цветов. Опыты Ньютона много тоньше и остроумнее, чем обычно принято излагать, а выводы из них гораздо шире и важнее, чем пишут в учебниках". (Н. Вавилов)

ИЗДАНИЕ

Еще в 1672 г на заседании Королевского общества 6 февраля Ньютон прочитал мемуар о своих научных опытах. В этом мемуаре он сообщал и о своих исследованиях по оптике. Мемуар получил широкую известность. Однако он не был напечатан в Трудах Общества (Philosophical Transactions). Свои мысли Ньютон изложил в "Лекциях по оптике".

Несмотря на предложение ученого Коллинса, бывшего тогда добровольным посредником между учеными и выполнявшим своеобразную роль научной газеты, в том же 1672 году издать "Лекции по оптике", Ньютон в письме от 25 мая 1672 г. к Коллинсу решительно отказался от этого, указывая, что он занят другим и хочет сохранить спокойную свободу, которая иначе может исчезнуть, как он убедился даже из небольшого знакомства с печатью.

И только в 1704 г., т. е. спустя почти 30 лет, Ньютон собрал все свои изыскания в области света в "Оптике". Эта книга, по-видимому, давно была готова у Ньютона: некоторые ее места были написаны еще в восьмидесятых годах. Составлялась она частью из "Лекций", частью из только что рассмотренного мемуара; в нее включены опыты с цветами тонких пластинок, и, наконец, она содержала много существенно нового, о чем будет речь дальше.

Причина такой задержки с публикацией малопонятна: книга вышла аккурат через год после смерти Гука, и многие полагают, что Ньютон не опубликовывал книги, не желая еще раз входить в неизбежные препирательства с Гуком. Тем более, что сам ученый в предисловии к первому изданию пишет, что он намеренно задерживал печатание книги, чтобы не вступать в споры.

Полное заглавие книги: "Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света". Книга написана по-английски и имела при жизни Ньютона три английских издания -- в 1704, 1717 и 1721 гг. В 1706 г. Клэрк издал латинский перевод "Оптики", сделанный под непосредственным наблюдением Ньютона. Этот перевод пользовался наибольшей известностью в Европе, так как за пределами Англии в XVIII в. часто знали латинский язык и редко английский.

В 1720 г. появился французский перевод Коста. Позднее "Оптика" была переведена на французский язык еще раз знаменитым революционером Маратом. Обилие изданий при жизни автора показывает, какую широкую славу приобрело ньютоновское учение о цветах к началу XVIII в.

ПРЕДМЕТ "ОПТИКИ"

Основное содержание "Оптики" -- это подробное описание экспериментов и сделанные из них выводы, относящихся к широкому кругу явлений известных в науке под названием "физическая оптика". То есть Ньютон не занимался такими традиционными для геометрической оптики проблемами как преломление или отражение светового потока при переходе из одной среды в другую. "Оптика" -- это исследование природы света и цвета и различные проблемы дифракции (inflexion по определению Ньютона) света.

В книге Ньютон полностью прослеживает весь цикл опытов, связанных с выбранной им тематикой: дисперсия или разложение света в спектр различных цветов. Он показывает как появление этих цветов возникает вследствие разницы в поглощающей способности разных веществ, отражения или прохода разных цветовых лучей, содержавшихся в исходном световом потоке через разные предметы, например, треугольную призму.

Ньютон в "Оптике" использовал совершенно не практиковавшийся до того учеными метод изложения. Вслед за Эвклидом было принято сначала обозначить основные термины, затем выложить аксиомы, на которых базировалось исследование, и только потом приступать к изложению самого предмета исследования. Ньютон сразу двинулся in medias res. "Моим намерением в этой книге было не объяснять свойства света через гипотезы, а показать их и подтвердить через размышление и эксперимент". При этом книга не представляется запутанной, а ее выводы необоснованными и противоречивыми. Просто Ньютон вводит основные термины и гипотезы по ходу дела, когда доходит необходимость вести о них речь.

В главе experimentum crux ("решительный эксперимент") Ньютон показывает, что цвет света зависит от его степени разбивки (degree of refrangibility), или что на русском научном языке звучит как "угол преломления", и что этот угол не может быть изменен при повторном отражении или преломлении или при прохождении света через цветной фильтр.

Книга построена по выражению статьи в одной из "Энциклопедий" как vade mecum искусства экспериментатора ("делай как я"). Ньютон на многих примерах показывает как производить эксперименты и как наблюдения трансформировать в научные истины. При этом он много внимания уделяет добавочным специфическим опытам, которые должны устранить возможную двузначность при истолковании результатов experimenta cruces.

Любопытно, что вопреки своему пижонскому "гипотез не измышляю", в "Оптике" автор как раз делает, как заметили уже давно все читатели, положения намного выходящие за границы непосредственно проводимых им экспериментов, особенно касающиеся любимой им корпускулярной теории света. При этом, как замечает Н. Вавилов, в полемическом задоре против волновой теории света, отстаивавшейся Гюйгенсом, английский ученый даже прет против очевидности, что для него вообще-то не было свойственно.

Итак, книга важна даже не самыми описанными в "Оптике" научными достижениями, сколько тем, что в ней Ньютон формулирует и на конкретных исследованиях подробно показывает принципы и последовательность научной работы, выработанные задолго до него и используемые до сих пор, но впервые ясно и четко сформулированные именно английским ученым.:

1. Сначала на основе наблюдений и экспериментов устанавливаются четкие и несомненные, не подлежащие сомнению свойства вещей.

"Лучшим и наиболее безопасным методом философствования, как мне кажется, должно быть сначала прилежное исследование свойств вещей и установление этих свойств с помощью экспериментов, а затем постепенное продвижение к гипотезам, объясняющим эти свойства. Гипотезы могут быть полезны лишь при объяснении свойств вещей, но нет необходимости взваливать на них обязанности определять эти свойства вне пределов, выявленных экспериментом: ведь можно изобрести множество гипотез, объясняющих любые новые трудности"

2. Далее выдвигаются положения, которые бы объясняли эти свойства]

"Как в математике, так и при испытании природы, при исследовании трудных вопросов, аналитический метод должен предшествовать синтетическому. Этот анализ заключается в том, что из экспериментов и наблюдений посредством индукции выводят общие заключения и не допускают против них никаких возражений, которые не исходили бы из опытов или других надёжных истин"

3. И наконец продумывается и осуществляется "решительный эксперимент" (experimentum crux), который должен доказать или опровергнуть выдвинутое положение.

Я бы добавил еще один пункт, не упомянутый Ньютоном, но постоянно присутствующий как необходимый элемент в его исследованиях.

4. Устанавливаются четкие количественные соотношения этих свойств -- формулы, которые позволяли бы однозначно определять при заданных условиях наблюдаемое или воспроизводимое явление.

Проиллюстрируем пошагово ньютоновы идеи на конкретном примере. Но возьмем его не из "Оптики", а из более близкого нам времени, в частности из истории открытия электрона. Уж очень показателен этот пример.

ОПЫТ ТОМСОНА ПО ОТКРЫТИЮ ЭЛЕКТРОНА

1. На основе наблюдений и экспериментов было установлено, что катод (заряженный отрицательным электричеством электрод) испускает какие-то лучи. Даже изобрели специальные трубки, в которых эти лучи делались видимыми благодаря тому, что катод размещали на одном конце трубки, а положительно заряженный электрод (анод) на другом. И когда электроны вырывались из катода, как мужики из дома, они гурьбой устремлялись к пивному ларьку -- аноду. Это четкое, несомненное свойство вещей, отрицать которое может разве лишь слепой.

2. Вопрос, какова природа этих лучей? Выдвигаются разные положения для объяснения этого свойства. Одни полагают, что это плазма, то есть поток вещества наподобие жидкости, другие, что это поток отрицательно заряженных частиц.

3. Придумывается опыт, тот самый experimentum crux, чтобы подтвердить или опровергнуть какое-то из этих, а также некоторых других мнений. (Мы назовем их гипотезами, ибо куда же без гипотез, если не понимать слишком буквально ньютоновское "гипотез не измышляю"). Лучи пропускают через магнитное поле (оно показано на рисунке двумя парами лепестков под цифрой 3, см. рисунок к статье "Катодные лучи"
http://proza.ru/2022/09/06/908
Интенсивность лучей то увеличивают, то уменьшают, то есть поток то делают более полноводным, то менее.

Ясно, что если бы лучи были какой-то жидкостью (плазмой), то при одном и том же магнитном поле, они отклонялись бы при этом на разную величину: попробуйте отклонить мощный поток и тоненькую струйку: первое не в пример труднее. Однако интенсивность лучевого потока никак не сказывается на величине его отклонения магнитным полем. Это значит, что поток состоит из отдельных частиц и каждая из них притягивается магнитным полем самостоятельно, независимо от других. Эти частицы назвали электронами.

4. Первым такой опыт проделал Крукс, а потом Ленард и многие другие. И все они давали "правильное", по крайней мере считающее в наше время таковым, объяснение явлению. А вот установить точные соотношения никак не получалось. При одном и том же магнитном поле поток отклонялся то на одну величину, то на другую. Причем никакой закономерности не наблюдалось. Первым четкую и однозначную зависимость между отклонением потока и величиной магнитного поля (от величины электрического тока в самой трубке = интенсивность потока, напомним, отклонение не зависит) вывел Дж. Дж. Томсон. Ему и приписали открытие электрона. Ньютон и предшественники. Ньютон и читатели

"Оптика" была во многом новаторской работой: она была написана целиком на английском языке, что при тогдашнем использовании латинского как единственного языка науки, было необычно. Но книга была именно рассчитана на широкие читательские круги, и Ньютон приложил все усилия к тому, чтобы сделать ее понятной образованному читателю, что увы самому Ньютону было несвойственно. Книга написана настолько доступным и ясным языком, что несмотря на отдельные архаизмы, свободно читается и современным англоязычным читателем.

ПАРА СЛОВ ПО ОДНОМУ ЩЕКОТЛИВОМУ ВОПРОСУ

"Чтение 'Оптики' могло бы навести на мысль о том, что всё, что в ней содержится, открыто Ньютоном. Но это вовсе не так. У Ньютона была манера не цитировать предшественников, исключая разве что совсем уж неизбежные случаи. Он 'позабыл' или не захотел упомянуть, например, 'Микрографию' Гука, оказавшую громадное влияние на его исследования по цветам в тонких плёнках и пластинках. Он не вспомнил и Гримальди, открывшего дифракцию света. То же можно сказать и о многих других исследователях. А ведь он тщательнейшим образом изучал оптиков прошлого и многое у них взял. В его библиотеке были все главные труды по оптике. Многие идеи подсказаны ему чтением" (В. Карцев).

Что и говорить, сэр Исаак был еще тем фруктом, и субъективности, и струя непризнания заслуг предшественников или современников била в нем через край. Но с "Оптикой" хочется его даже не оправдать, а показать разумность такого подхода. Мы знаем, что любое произведение "это коллективные письма в будущее". Исследователи много и продуктивно доказывают, как много позаимствовали и Сервантес, и Лев Толстой и любой иной писатель. Представьте, что после каждого заимствования стояла бы сноска с исторической справкой. Да и "Дон Кихот" и "Война и мир" были бы тогда просто нечитабельны. Никакого единства впечатления. Почему с научной классикой должно быть иначе? "Оптика", хоть это и не детектив, но читается на одном дыхании.

Поэтому мне кажется, нужно оставить историкам их комментарии, а читателю дать возможность вникать в содержание книги, не отвлекаясь на посторонние ответвления.

МИНИАТЮРЫ О НАУКЕ
http://proza.ru/2023/03/21/327