ОПТИКА

6. АХРОМАТИЗМ ЛИНЗ

Триумф корпускулярной теории света в XVIII веке обычно приписывается авторитету Ньютона, и причиненный этим науке вред подчас сопоставляется с вредом двухтысячелетнего господства авторитета Аристотеля. Такое историческое толкование, пожалуй, чересчур упрощено. Конечно, авторитет Ньютона оказал определенное влияние, но сомнительно, чтобы он был определяющим в успехе корпускулярной теории.

В XVIII веке не имелось решающих научных аргументов в пользу той или иной теории. Явление дифракции, которое теперь приводится как experimentum crucis (решающий эксперимент) в пользу волновой теории, оставалось таинственным даже для Гюйгенса. Обе теории объясняли - плохо ли, хорошо ли - наиболее общеизвестные явления. Обе теории были достаточно сложными. И потом, после целого ряда усложнений стоило уж придерживаться корпускулярной теории, которая представлялась оптикой здравого смысла, поскольку она непосредственно объясняла простейшее оптическое явление - прямолинейное распространение света.

Фигуры Хладни для одной и той же колеблющейся квадратной пластины, полученные экспериментально Саваром. (М. Pouillet, Elements de physique experimental et de meteorologie, 1853.) На рисунках изображены линии узлов

Хотя большинство физиков XVIII века придерживалось корпускулярной теории, которая, будучи лишена всех волновых элементов, даже не была ньютоновской теорией света, все же традиции волновой теории тогда поддерживались рядом таких выдающихся физиков и математиков, как Лейбниц, Бенджамин Франклин, Иоганн Бернулли-сын (1710-1790) и Эйлер.

Труды Эйлера заслуживают специального упоминания. В докладе, представленном в 1747 г., он дал применяемую и сейчас формулу для фокусного расстояния двояковыпуклой линзы, а в более позднем докладе (176В г.) нашел метод расчета показателя преломления вещества по хорошо известной сейчас формуле, устанавливающей соотношение ^между [показателем преломления, преломляющим углом призмы и отклонением светового луча при ее прохождении.

Значительно важнее работа Эйлера «Nova theoria lucis et colorum» («Новая теория света и цветов»), опубликованная в 1746 г. Здесь Эйлер придерживается волновой теории и считает различную длину волн физической причиной различия цветов. Это фундаментальное положение теории вместе с дополнительным утверждением того же Эйлера (1752 г.) о том, что максимальная длина волны соответствует красным лучам, а минимальная - фиолетовым, сохранилось в науке до наших дней. Из своей теории Эйлер вывел возможность исключения хроматической аберрации линз и предложил целый ряд приспособлений для достижения этой цели, однако ему не удалось осуществить ни одного. Труды Эйлера заставили профессора Уппсальского университета Самуэля Клингенстерна (1698-1765) повторить опыты Ньютона по дисперсии (см. гл. 6, § 11). Клингенстерн обнаружил неточность результатов Ньютона. Эти выводы были подтверждены английским оптиком Джоном Доллондом (1706-1761), которому после многолетнего упорного труда в 1758 г. удалось, соединив линзу из кронгласа с линзой из флинтгласа, сконструировать ахроматическую линзу.

Ахроматические линзы были немедленно применены в телескопах, а потом, после многократных неудач, и в микроскопах. Это значительно улучшило качество оптических инструментов, создав новые большие возможности для наблюдательных наук, в частности астрономии. Создание этих инструментов было первым веским опровержением положений ньютоновской оптики. Однако никакого пересмотра теории это, по-видимому, не вызвало, быть может потому, что рассматривалось как изолированный факт чисто технического характера.

7. ФОТОМЕТРИЯ

Понятие интенсивности света в XVIII веке приобрело ясность. Началось исследование приборов, которые могли бы помочь глазу сравнивать силу света. Уже в 1698 г. Гюйгенс пытался сравнивать силу света Солнца и Сириуса, а двумя годами позже Франческо Мариа пытался установить силу света, считая ее пропорциональной числу пластин стекла одинаковой толщины, необходимых для полного подавления света. Однако первое систематическое наблюдение было проведено французом Пьером Бугером (1698-1758), который опубликовал в 1729 г. «Essai doptique sur la gradation de la lumiere» (Есть русский перевод: П. Бугер, Оптический трактат о градации света, М. - Л., 1950), посмертно включенные в его трактат «Traite d'Optique» («Трактат по оптике») издания 1760 г. Бугер исследовал уменьшение интенсивности света при отражении, замеченное ранее еще Герике, а затем Ньютоном. Он направлял под одинаковым углом свет от свечи на два зеркала и наблюдал одно изображение непосредственно, а другое после еще одного отражения от третьего зеркала. Свеча смещалась до тех пор, пока интенсивность обоих изображений не начинала казаться одинаковой. С помощью такого прибора и других, в которых использовался солнечный свет, Бугер изучил отражающую способность различных веществ и влияние на отражение угла падения лучей, определил потерю интенсивности при прохождении лучей через среду, заметил также избирательное поглощение различных цветов в воздухе. Это последнее исследование было повторено в том же веке ван Мушенбреком, Кантоном и Пристли.

Солнечный проекционный микроскоп, представленный Лондонскому Королевскому обществу в 1740 г. (Saveriеn, Dictionnaire universel de mathematique et de physique, 1753.) Зеркало G посылает пучок солнечных лучей на микроскоп М, помещенный внутри темной камеры, На противоположной стенке образуется изображение

Решающим шагом было появление в 1760 г. труда немецкого математика и физика Иоганна Ламберта (1728-1777) «Photometria, sive de mensura et gradibus luminis colorum et umbrae» («Фотометрия, или об измерениях и сравнениях света, цветов и тени»). Новый термин в заглавии, дошедший до нашего времени и давший много производных слов, вполне соответствует новизне понятий и методов, содержащихся в этой работе. Ламберт различает яркость (claritas visa) - величину, характеризующую источник, и освещенность (illuminatio) - величину, характеризующую освещенные тела. Он начинает теоретическое и экспериментальное исследования с освещенности, доказав четыре теоремы: освещенность пропорциональна поверхности освещающего тела, обратно пропорциональна квадрату расстояния от освещающего тела до освещенного, прямо пропорциональна синусу угла падения лучей на освещенную поверхность и прямо пропорциональна синусу угла, образуемого падающими лучами с освещающей поверхностью. Если учесть, что теперь углами падения называют углы, образуемые лучами с нормалью к поверхности, то последние два закона, очевидно, сведутся к «законам косинуса», или, как мы их иначе называем, законам Ламберта.

Затем Ламберт перешел к исследованию яркости, детально описывая поглощение в воздухе и вслед за Бугером формулируя логарифмический закон поглощения (интенсивность света убывает в геометрической прогрессии по мере увеличения толщины проходимого лучом слоя воздуха в арифметической прогрессии).

Бугеру мы обязаны фотометром (1740 г.), который теперь в школьных учебниках приписывается Румфорду. Этот фотометр представляет собой экран, на который проецируются тени от двух металлических стержней, образуемые сравниваемыми источниками света. В 1795 г. Румфорд продолжил разработку этого прибора, сконструировал его с большой тщательностью и ввел некоторые усложнения. Он счел также необходимым применять «нормальный свет» для точного сравнения различных интенсивностей. Для этого он выбрал масляную лампу, сконструированную в 1783 г. швейцарцем Армандом Арганом (1755-1803), которая ничем, кроме применяемого горючего, не отличалась от дедовских керосиновых ламп с круглым фитилем и ламповым стеклом - эти два новшества, введенные Арганом, совершили переворот в технике освещения. В 1800 г. французский часовщик Гийом Карсель (1750-1812) добавил сюда часовой механизм для сохранения постоянства высоты фитиля. Такая лампа, носящая имя своего автора, и сейчас упоминается в учебниках по физике.

С несколько усовершенствованной лампой Аргана и фотометром собственной конструкции Румфорд определил значения коэффициента поглощения для большого числа материалов, имея целью главным образом экономию освещения.