Сергей Вавилов - Глаз и Солнце

Арабский геометр Альгазен в XII в. собрал все известные ему материалы по оптике, добавил собственные изыскания и написал ценное произведение, где впервые подробно рассматривался вопрос о зрении и зрительном аппарате и где была создана первая теория процесса зрения; Альгазен также углубился дальше своих предшественников в вопросе рефракции, в частности об атмосферной рефракции. Связь между преломлением и увеличением прозрачных тел, ограниченных выпуклыми поверхностями, для него вполне ясна; можно предположить, что его высказывания на этот счет вызвали появление первых очковых линз. Во всяком случае несомненно, что труды Альгазена создали новую эпоху в развитии оптики, эпоху, прославленную работами Витело, Пеккама, Бэкона (XIII в.), углубивших теорию преломления, обнаруживших (Витело) потерю света при преломлении и отражении, улучшивших теорию радуги, объяснивших мерцание звезд, зажигательное действие зеркал, увеличивающие свойства зеркал и т. д. Бэкон высказал мысль о возможности с помощью зеркал и линз приблизить любые далекие предметы, вследствие чего ему иногда ошибочно приписывают изобретение телескопа.

Одновременно, под некоторым влиянием работ перечисленных оптиков, появляются первые очки (Алессандро Спина, Сальвино Армати и др.), действие которых ни для кого еще не ясно, хотя Мавролик посвятил много труда решению этого вопроса. Насколько ничтожны были успехи в развитии теории зрения, видно из того, что для Бэкона зрение еще не связывалось отчетливо со светом, и гипотеза древних об испускании глазом частиц, достигающих наблюдаемых предметов и возвращающихся обратно в глаз, казалась вполне приемлемой.

Однако если оптика медленно развивалась в области понимания природы света, то она удачно ответвилась в сторону изучения перспективы и применений прямолинейности распространения света. Мавролик дал первое правильное объяснение форм солнечных пятен (зайчиков), вызываемых алыми отверстиями произвольной формы. Джованни Баттиста делла Порта, современник Мавролика, изобретает камеру-обскуру, и последняя оказала ему большую помощь при объяснении роли глазного зрачка в работе глаза. От камеры-обскуры до проекционного фонаря – один шаг; он был пройден Кирхером. И делла Порта, и Кирхер увлекаются вопросом об оптических системах, сжигающих на расстоянии, посвящают ему трактаты, производят опыты. Соображения делла Порта на эту тему очень напоминают рассуждения многочисленных изобретателей сенсационных сжигающих приборов.

Конец XV и начало XVI в. являются переломной эпохой в истории оптики; она связана с распространением очковых линз, луп, призм, выпуклых и вогнутых зеркал, с появлением камеры-обскуры и проекционного фонаря. В руках физиков оказался ряд ценнейших оптических приборов или, точнее, деталей, элементов, из которых могут быть созданы самые сложные оптические системы. Не удивительно, что оптические теории стали развиваться со все возрастающей скоростью.

Около 1590 г. была построена первая зрительная труба (Янсен, Липперсгей); несколько позже, в начале XVII в., были построены первые сложные микроскопы (Фонтана). Открытие подзорной трубы и микроскопа приписывается случайности. Действительно, теория хода лучей через линзы не была еще построена, и понятие «изображения» только рождалось; сознательное построение сложных оптических систем оказалось под силу только такому выдающемуся физику, как Галилей, который построил понаслышке и тот и другой прибор, направил трубу на небо и открыл ряд небесных явлений, а именно: существование и вращение спутников вокруг Юпитера, фазы Венеры и пр. Это дало в его руки мощнейшие аргументы в пользу гипотезы Коперника о вращении Земли вокруг Солнца.

Однако даже Галилей не дал удовлетворительного объяснения действия микроскопа и астрономической трубы, не понял ни роли окуляра, ни основ работы глаза.

Теории оптических приборов и глазного аппарата были созданы гением Кеплера; он совершил в оптике тот переворот, который был совершен Ньютоном в астрономии законом всемирного тяготения и в математике введением дифференциального исчисления. Он собрал разрозненные элементы оптики у своих предшественников, очистил их от ненужного балласта, сам дал твердое обоснование всей теории – закон преломления – и последовательно развил теорию зрительной трубы, микроскопа и глаза. Его «Диоптрика» (1611) по форме и содержанию мало отличается от современных учебников по геометрической оптике и являет поразительный контраст с аналогичными трактатами его предшественников, а иногда даже и последователей.

Хотя Кеплер не нашел точной формулировки закона преломления и после некоторых неудачных попыток остановился на законе пропорциональности между углом преломления и углом падения, он вывел из него правильные следствия и впервые указал, как найти изображения, даваемые линзами. Он правильно объяснил работу окуляра в зрительной трубе и в микроскопе, понял роль хрусталика и сетчатки в глазу, не смутившись, как большинство его предшественников, обратным изображением предметов на сетчатке; он обратил внимание на аккомодацию и адаптацию глаза, на иррадиацию и т. д. Вопросы, связанные с энергетикой оптических лучей, т. е. с поведением световых пучков при преломлении через оптические системы, впервые, хотя и в очень завуалированной форме, затрагиваются им. Он показывает ошибку в рассуждениях Порта относительно сжигания на расстоянии.

Неточная формулировка закона преломления не помешала Кеплеру получить правильное объяснение действия линз. Однако вся теория аберраций оптических систем может быть обоснована только на строгой формулировке этого закона, она была дана Снеллом и Декартом независимо друг от друга в начале XVII в. Первый из них получил ее на основании опыта, второй – на основании общих соображений о природе света, в настоящее время забытых. Декарт на основании открытого им закона дал впервые правильное объяснение радуги (внутренней и внешней) и не смог только объяснить цвета ее; он указал ту форму, которую следовало давать линзам для устранения сферической аберрации, которую считали причиной нерезкости изображений, даваемых линзами, и даже спроектировал станок для шлифовки несферических поверхностей. Только после Декарта стала возможной строгая теория оптических приборов, по крайней мере в области геометрической оптики, т. е. без учета явления дифракции. Великий математик Ферма показал, что закон Декарта может быть получен как следствие его принципа кратчайшего пути.

Можно отметить в течение XVII в. развитие техники изготовления зрительных и астрономических труб, которые в руках астрономов дали ряд важнейших результатов, в частности позволили Рёмеру определить скорость света по наблюдениям спутников Юпитера. Но указанные успехи не носят принципиального характера и касаются лишь постепенного увеличения диаметра объективов. Микроскопы оставались на довольно низком уровне.

Читать дальше