David Laserna - Гюйгенс Волновая теория света. В погоне за лучом

В наиболее плодотворный для Гюйгенса период, с 1652 по 1674 год, между Великобританией и Нидерландами прошли три войны за морское превосходство. В 1672 году, когда к войне присоединилась Франция, Оранская династия вернулась к власти. Вместе с ней вернулись и оба Константина — отец и сын. Брат Гюйгенса наконец смог занять место, к которому готовился более 20 лет, и был назначен секретарем нового штатгальтера Вильгельма III. Константин-старший в 72 года вернул себе прежнее влияние. Решение Людовика XIV объявить войну Нидерландам поставило Гюйгенса в крайне затруднительное положение. Получалось, что он жил во вражеской стране, и французы могли рассматривать его как выдающегося ученого, гражданина мира, — но и как шпиона, ведь его родственники были главными советниками их врага. Эту дилемму во Франции решили легко.

Научная работа Гюйгенса, которую мы проанализировали в предыдущих главах, была проделана за одно пятилетие, с 1651 по 1656 год. Но в этот плодотворный период он занимался и другими задачами, помимо описанных выше. Особенно насыщенным стал 1652 год. За 12 месяцев Гюйгенс внес новые поправки в теорию Декарта, разработал свою собственную теорию по механике столкновений тел и обнаружил принцип сохранения энергии, изучил солнечное гало, начал исследования в области диоптрики и получил важные результаты в алгебре и геометрии. Кажется, что он шутит, когда жалуется ван Схотену на сильные головные боли и пишет: «Сейчас, однако, я вынужден отказаться от занятий, если только моя сила воли не победит боль».

Из-за холерического темперамента Гюйгенс часто не доводил начинания до конца. Он мог переходить от одной темы к другой в зависимости от своих интересов или внешних обстоятельств. Его исследования продвигались, внезапно останавливались, накладывались друг на друга или мешали друг другу. Этому способствовали две противоположные причины: с одной стороны, Гюйгенс с трудом признавал работу законченной, а с другой — он легко увлекался новыми проектами. Ученый испытывал что-то вроде охотничьего азарта. Как только радость открытия проходила, написание трактата с изложением результатов казалось ему гораздо менее привлекательным, чем новое исследование. Из всего этого плотного переплетения направлений, которые Гюйгенс то быстро развивал, то резко останавливал, мы проследим его интерес к свету. Эта тема дольше всего занимала внимание ученого.

После издания Systema Satumium Гюйгенс все еще мечтал спроектировать идеальный телескоп. С 1665 года он посвятил много сил устранению сферической аберрации. Напомним, что в том же году он нашел такую конфигурацию линз, при которой вогнутый окуляр исправлял аберрацию выпуклого объектива. Это сочетание соответствовало очкам или земному телескопу. Гюйгенс же искал подходящее решение для астрономического инструмента. Он использовал технику парных сферических линз, которые устраняли аберрации друг друга.

Портрет Исаака Ньютона.

Гюйгенс вел с английским ученым горячие споры.

Мозаика, изображающая голландского ученого, на улице Лейдсеештраат в Амстердаме.

«Кольбер представляет членов Королевской академии наук Людовику XIV», Анри Тестелен. Холст, масло. Некоторые узнают Гюйгенса в девятой фигуре слева.

Его усилия увенчались успехом 1 февраля 1669 года. Вместо того чтобы изменять окуляр, ученый решил удвоить линзы объектива. Система с одной двояковогнутой линзой и одной плоско-вогнутой (см. рисунок 1) ведет себя как гиперболическая линза объектива и не дает сферической аберрации. Ключ к решению надо искать в соотношении радиусов кривых, которые Гюйгенс сумел точно определить.

В этом проекте ясно виден стиль Гюйгенса: изящное соединение физики и геометрии, в котором материя исправляла свои недостатки, следуя математическим уравнениям. Решив проблему аберрации, Гюйгенс наконец завершил монументальный труд по диоптрике. Даже с учетом его требовательности, он теперь был в состоянии написать большой трактат о свете, который коллеги ждали больше десяти лет. Однако Гюйгенс опять отвлекся на новые исследования.

РИС. 1

В октябре 1669 года Исаак Барроу, первый профессор, возглавивший кафедру математики Кембриджского университета, отправлял в печать свои Lectiones XVIII, где объяснял закон Снелля, чтобы показать, как ведут себя сферические линзы. Гюйгенс достиг тех же результатов на 15 лет раньше, но так долго продержал их в ящике стола, что они устарели. Он утешал себя, говоря, что потеря первенства не так уж и важна. Только что ученый решил гораздо более амбициозную задачу, показав, что результаты, опубликованные Барроу, имели абсолютное значение. Гюйгенс решил вновь заняться диоптрикой и написать новый трактат, дополнив его перечнем способов, позволяющих избавиться от аберрации.

На полях своей работы 1669 года Гюйгенс записал: «Эврика!» Так он обычно помечал особо важные открытия. Спустя пять лет ученый зачеркнул это слово. Почему? Причиной был Исаак Ньютон. В первых лекциях, которые Ньютон прочитал, заняв место Барроу на математической кафедре, он признавал огромный прогресс в области диоптрики, но указывал на небольшие трещины в фундаменте здания, возведенного его предшественниками, из-за которых оно могло разрушиться:

«И тем не менее они оставили кое-что, имеющее большую важность, что должны открыть те, кто идет по их стопам; так, я нахожу в преломлениях некоторую неправильность, которая мешает всему [...]. По этой причине я и занимаюсь диоптрикой — не для того, чтобы предложить новый подход к ней, но чтобы сразу же до конца исследовать это свойство света и показать, до какой степени оно подрывает совершенство диоптрики и как можно избежать этого препятствия до той степени, до которой позволяет природа. Я опишу здесь различные аспекты, связанные с теорией и практикой телескопов и микроскопов, чтобы доказать, что окончательное усовершенствование оптики, в отличие от принятого мнения, должно состоять в сочетании диоптрики и катоптрики».

Свойство природы, о котором говорил Ньютон, было знаменитым разложением солнечного света, проходящего через призму. Геометрическая оптика не учитывала неизбежный оптический эффект: белый свет объединяет лучи разных цветов, которые, проходя через прозрачный предмет, отклоняются под разными углами. Таким образом, линза трансформирует каждую точку предмета в многоцветное пятно, формируя искаженное изображение. Это явление называется хроматической аберрацией. Ньютон считал, что она оказывает гораздо большее влияние на формирование изображений, чем сферическая, и что из-за нее создание любого телескопа, состоящего только из линз, невозможно (диоптрика). Решение следовало искать в создании нового, отражающего телескопа, в котором использовались зеркала (катоптрика). Если Ньютон был прав, то намерение Гюйгенса усовершенствовать телескоп посредством тонкой шлифовки линз было обречено на неудачу. Со временем голландец понял, что в науке должна произойти настоящая революция. Сначала он прочитал статью, которую Ньютон опубликовал в феврале 1672 года в журнале «Философские труды». Его первая реакция была осторожной: