Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Уже было известно, что, когда свет попадает на зеркало, угол падения равен углу отражения. Когда свет проходит через прозрачную среду и снова оказывается в воздухе, его луч либо отклоняется, либо преломляется. Именно поэтому, когда человек ступает в воду, кажется, что его ноги кто-то слегка поломал. Величину преломления можно рассчитать, используя способ, который в то время был известен как закон Снелла. Изучая радугу, французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт наблюдал за гигантской каплей — стеклянной сферой, заполненной водой, стараясь понять, как меняются цвета внутри ее. Примерно так же цвет меняется, если смотреть на предметы сквозь мыльные пузыри, осколки слюды, рыбью чешую и колеблющиеся в солнечном свете крылья насекомого. В 1637 году в эссе под названием «Диоптрика» Декарт пытался дать объяснение происхождению цвета, считая, что он возникает от вращения капелек эфира, — чем быстрее вращение, тем краснее свет.

Однако наверняка происхождения цветов не знал никто. Получалось, что чистый белый свет становился окрашенным при столкновении с веществом — при отражении от цветного предмета либо при прохождении через окрашенную жидкость или стекло- Представители следующего после Декарта поколения ученых, три светила европейской науки — Христиан Гюйгенс, Роберт Бойль и Роберт Гук, — продолжали выдвигать все новые теории. Никто из них не слыхал об Исааке Ньютоне — на то не было никаких причин. И по правде говоря, Гуку вообще лучше было бы никогда не слышать это имя.

Похожий на сутулого тролля Гук был настолько известен своими элегантными опытами, что удостоился чести стать первым куратором экспериментов в Лондонском королевском обществе, образование которого ознаменовало начало научной революции. Будучи одним из первых исследователей микромира, Гук делал точнейшие зарисовки увиденного: вошь и блоха, увеличенные до размеров монстра, плесень, которая казалась чудесными цветами из тропического влажного леса, — все это и многое другое стало иллюстрациями в его знаменитой книге «Микрография». Изучая под увеличительным стеклом кусок пробки, он исследовал лабиринты пустот, впервые назвав их клетками. Будучи выдающимся изобретателем, он создал воздушный насос и помог Бойлю сформулировать обратную зависимость между объемом и давлением газа. Так появился закон Бойля. Существует также и закон, носящий его, Гука, имя. Этот закон очень точно описывает природу упругости: твердое тело деформируется пропорционально прилагаемой к нему силе. Сам Гук называл его «ceiiinosssttuv», что расшифровывалось как «Ut tensio sic vis» (каково растяжение, такова и сила). (Чтобы утвердить за собой приоритет и предупредить кражу интеллектуальной собственности, он первоначально опубликовал результаты своих исследований в виде латинской анаграммы.)

Гук был уверен, что ему удалось разгадать загадку цвета и света. Белый — основной, а остальные цвета — это аберрации: «Синий — это воздействие на сетчатку глаза косого, рассеянного импульса света, который начинается со своей слабейшей части и завершается сильнейшей». Красный и синий можно смешать и, разбавив, получать различные смешанные цвета. У Гюйгенса и Бойля были свои собственные теории, которые, к сожалению, в основании имели все то же объяснение цвета как окрашенного света.

Начав с нуля, Ньютон тщательно проанализировал наблюдения, сделанные до него, и добавил к общей картине некоторые собственные. Кусочек золотой фольги, тонкий настолько, что кажется почти прозрачным, отражает желтый свет. Но если разместить его между «вашим глазом и свечой», отмечал Ньютон, то проходящий через фольгу свет становится синим. Если взять древесину под названием lignum nephriticum, которую аптекари продают как лекарство от печени, разрезать ее на тонкие пластины и настоять в воде, то «настой (помещенный в прозрачный фиал) отражает синие лучи и пропускает желтые». То же справедливо и в отношении некоторых плоских стекол: «…они кажутся одного цвета, когда на них глядишь сверху, и совсем другого цвета, когда глядишь сквозь них». Но это аберрации. «В целом же, тела, которые кажутся глазу одного цвета, такого же цвета и остаются в любом положении».

Вынужденный из-за чумы вести жизнь затворника, он изучал мир словно слепец, который неожиданно прозрел. Если растереть в порошок или настрогать темные или полупрозрачные вещества, то они становятся светлее, поскольку такое измельчение создает «множество отражающих поверхностей», которые до этого не существовали. И наоборот, вещества, смоченные в воде, становятся темнее, «ибо вода заполняет отражающие свет поры».

Он также поигрывал с плоскими стеклышкам», устанавливая плоскопараллельную пластину, а на нее — слегка изогнутую выпуклую линзу. Направляя луч света на поверхность, он наблюдал, как переливаются цветные круги, названные кольцами Ньютона. «В зависимости от плотности контакта между стеклами кольца становились то шире, то уже». Если такое устройство поместить в темной комнате под синий луч, излучаемый призмой, можно видеть чередующиеся темные и светлые круги. Красный луч давал такую же картинку.

К тому времени Гук уже описал явление интерференции в книге «Микрография», но Ньютону удалось намного глубже проникнуть в это явление и сделать так, чтобы оно ассоциировалось с его именем.

Оптические опыты превратились в настоящую его страсть. Он стал экспериментировать даже с собственными глазами: брал палочку с тупым концом, которую называл «шпилькой», и вдавливал ее «между глазом и костью, как можно ближе к боковой части глаза». Нажатие и потирание глазного яблока таким «инструментом» приводило к тому, что он начинал видеть «несколько белых, темных и цветных кругов». Когда он повторил свой эксперимент на свету, почти закрыв глаза, то «появилась большая, широкая, темная с синим отливом полоса» с меньшим по размерам светлым пятном посредине. При более сильном нажатии внутри этого светлого пятна возникал маленький синий кружок. Проведение эксперимента в темноте давало другие результаты: «появлялся круг красноватого цвета», а внутри него — темно-синий круг.

Иногда, нажимая на различные места в области глазной впадины, он получал более тонкое разрешение — видел целый ряд концентрических цветных колец, причем цвета их — от центра наружу — распределялись так: зеленый, синий, пурпурный, темно-пурпурный, синий, зеленый, желтый, красный, как пламя, желтый, зеленый, синий, широкий пурпурный, темный. Глядя на солнце или его отражение, Ньютон отметил, что оно красного цвета, когда же он «входил в темную комнату, то солнце становилось синим».

От физики он незаметно перешел к анатомии. Как ему удалось узнать из книг, в каждом глазу визуальные вибрации проходят через оптические нервы, представляющие собой огромное множество тонких трубочек, а потом достигают мозга. Иссекая ткани вокруг глаз — слава богу, не своих, а глаз различных животных, — он пытался понять механизм формирования изображения в глазу и природу вещества, с помощью которого это осуществляется. «Вода слишком груба для такого деликатного дела», — заключил ученый. Тут он мог бы принять теорию Галена и его сторонников, которые считали, что по нервной системе летают «животные духи», но Ньютон напрочь отверг ее, поставив следующий эксперимент: «…хотя я и привязал кусочек оптического нерва с одной стороны и стал нагревать его посредине, чтобы убедиться, не заявит ли о себе, например, в виде пузырьков хоть какая-нибудь сущность с другого конца, ничего подобного мне наблюдать не удалось — выделилось лишь немного влаги и сердцевина этого нерва».

Если бы все закончилось лишь ожиданием того, что «духи зрения», пузырясь, появятся на кончике зрительной колбочки, то Ньютон бы так и остался еще одним гением XVII века, которому оказалось не по силам разгадать загадку света. Но в разгар исследований его заинтересовало странное поведение призм.

Проведите на листе черной бумаги линию, которая была бы до половины синей, а остальная часть — темно-красной. Призма сделает так, что в месте изменения цвета линия отклонится от первоначального направления. То же самое происходит с синей и красной нитями: они смещаются на определенное расстояние друг от друга. Но почему стекло так по-разному относится к различным цветам?

Однажды, почувствовав особое любопытство, он вырезал небольшое отверстие, диаметром четверть дюйма, в оконном жалюзи. Поставив призму на пути узкого солнечного пучка, он на противоположной стене затемненной комнаты получил весь солнечный спектр.