Читати книгу - "Пояснюючи світ"

Трохи раніше, одразу після реставрації монархічної влади Стюартів у 1660 році, кілька лондонців, включно з Бойлем, Гуком, а також астрономом та архітектором Крістофером Реном, організували наукове товариство, на зборах якого планували обговорювати питання натурфілософії та спостерігати за експериментами. Спочатку там був лише один іноземний член – Христіан Гюйґенс. У 1662 році товариство отримало королівську хартію як Лондонське королівське товариство, а нині існує як Британська національна академія наук. У 1672 році Ньютон був обраний членом цього товариства, де пізніше дослужився до посади президента.

У 1675 році Ньютон зіткнувся з проблемою. Після восьми років його членства в товаристві він досяг етапу, на якому члени ради Кембриджського коледжу були зобов’язані прийняти духовний сан в Англіканській церкві. Це вимагало заприсягнути у вірі в доктрину Святої Трійці, але було неможливим для Ньютона, який заперечував рішення Нікейського собору, що Бог-отець і Бог-син походять від однієї субстанції. На щастя, документ про заснування Лукасівської професорської посади містив пункт про те, що такий професор не повинен брати активної участі у справах Церкви, і на цій підставі король Карл II мусив видати указ, що від Лукасівського професора з того часу ніколи не вимагатимуть прийняття духовного сану. Так Ньютон отримав змогу продовжити свою роботу в Кембриджі.

Тепер розгляньмо велику роботу, яку Ньютон розпочав у Кембриджі 1664 року. Основними темами цього дослідження були оптика, математика, а також те, що пізніше назвуть динамікою. Робота Ньютона в кожній із цих галузей дає підстави називати його одним із найвидатніших учених в історії.

Головні експериментальні досягнення Ньютона були пов’язані з вивченням оптики[57]. Його студентські нотатки в «Запитальнику» свідчать, що він ще тоді цікавився природою світла. Усупереч ідеям Декарта, Ньютон зробив висновок, що світло – це не тиск на очі, бо якби це було так, то небо здавалося б нам яскравішим, коли ми біжимо. У 1665 році у Вулсторпі він розробив теорію кольору, яка стала його найбільшим внеском у розвиток оптики. Ще з часів античності було відомо, що кольори виникають, коли світло проходить крізь вигнутий шматочок скла, але загалом вважали, що ці кольори якось породжуються самим склом. Натомість Ньютон припустив, що біле світло містить усі кольори і що кут заломлення у склі чи воді трохи залежить від кольору, червоне світло викривляється дещо менше за синє, тому кольори й розділяються під час проходження світла крізь призму або дощову краплину[58]. Це пояснило б те, чого не розумів Декарт, тобто механізм виникнення кольорів райдуги. Щоб перевірити цю ідею, Ньютон провів два вирішальні експерименти. Використавши спочатку призми для отримання окремих променів синього та червоного світла, він спрямував ці промені окремо на інші призми й не виявив дальшого розкладання на різні кольори. Потім за допомогою хитромудрого розташування призм він зміг знову поєднати всі різні кольори, породжені заломленням білого світла, і виявив, що зібрані разом ці кольори утворюють біле світло.

Залежність кута заломлення від кольору має один незручний наслідок: скляні лінзи таких телескопів, як у Ґалілея, Кеплера та Гюйґенса, фокусують різні кольори в біле світло по-різному, розмиваючи зображення віддалених об’єктів. Щоб уникнути такої хроматичної аберації, у 1669 році Ньютон винайшов телескоп, у якому світло спочатку фокусується кривим дзеркалом, а не скляною лінзою (після цього промені світла спрямовувалися пласким дзеркалом з телескопа до скляного окуляра, тому усувалася не вся хроматична аберація). За допомогою рефле´кторного телескопа завдовжки лише якихось шість дюймів він зумів досягти збільшення в 40 разів. Сьогодні всі основні астрономічні світлозбиральні телескопи є саме рефле´кторними, нащадками того, який винайшов Ньютон. Під час мого першого візиту до нинішньої штаб-квартири Лондонського королівського товариства в Карлтон-Хаус-Террас мене на знак поваги провели до підвалу, щоб показати маленький телескоп Ньютона, другий із тих, які він виготовив.

У 1671 році Генрі Олденбурґ, секретар і натхненник Королівського товариства, запропонував Ньютону опублікувати опис його телескопа. На початку 1672 року Ньютон подав листа з описом цього пристрою та свої роботи з вивчення кольорів до журналу «Філософські праці Королівського товариства». З цього почалася суперечка щодо оригінальності та важливості роботи Ньютона, особливо з Робертом Гуком, який із 1662 року був куратором експериментів у Королівському товаристві, а з 1664 року отримував пожертву на проведення лекцій від сера Джона Катлера. Гук був не зі слабких опонентів, зробивши суттєвий внесок у розвиток астрономії, мікроскопії, виготовлення годинників, механіки та містопланування. Він заявив, що провів такі самі експерименти з вивчення світла, що й Ньютон, і що вони нічого не довели – просто призма додавала кольори до білого світла.

У 1675 році Ньютон виступив у Лондоні з лекцією про свою теорію світла. Він припускав, що світло, подібно до матерії, містить багато дрібних частинок – усупереч погляду, який запропонували приблизно в той самий час Гук та Гюйґенс, що світло – це хвиля. Це був той випадок, коли наукове чуття підвело Ньютона. Є багато спостережень, деякі навіть часів Ньютона, що свідчать про хвильову природу світла. Справді, у сучасній квантовій механіці світло описують як сукупність безмасових частинок під назвою фотони, але у світлі, яке ми бачимо в повсякденному житті, фотонів безліч, унаслідок чого світло все-таки поводить себе як хвиля.

У «Трактаті про світло» 1678 року Гюйґенс описував світло як хвилю збурення в якомусь середовищі – ефірі, що містить величезну кількість крихітних матеріальних частинок, які перебувають дуже близько одна від одної. Так само, як в океанській хвилі на глибині вздовж поверхні океану рухається не вода, а збурення води, так і в теорії Гюйґенса у промені світла рухається хвиля збурення частинок ефіру, а не самі частинки. Кожна збурена частинка діє як нове джерело збурення, що робить свій внесок до загальної амплітуди хвилі. Сьогодні завдяки роботі Джеймса Клерка Максвелла в XIX столітті ми знаємо, що (навіть якщо не брати до уваги квантові ефекти) Гюйґенс лише наполовину мав рацію – світло справді є хвилею, але хвилею збурень електричних та магнітних полів, а не хвилею збурення матеріальних частинок.

Використовуючи таку хвильову теорію світла, Гюйґенс зумів вивести результат, що світло в однорідному середовищі (або в порожнечі) поводить себе там, немов воно рухається по прямих лініях, неначе хвилі, породжені всіма збуреними частинками, складаються разом лише вздовж цих ліній. Він надав нове пояснення правила рівності кутів падіння й відбиття, а також закону заломлення Снелліуса, не спираючись на апріорне припущення Ферма, що промені світла йдуть шляхом, на який потрібен найменший час (див. технічну примітку 30). У теорії