Глаз и Солнце

Оценка расстояния зависит не от расположения тех или иных изображений предметов, а прежде всего от формы хрусталика; как уже говорилось, форма хрусталика должна быть несколько иной при рассматривании близких предметов, чем далеких, и по мере того, как мы ее меняем, чтобы приспособиться к расстояниям, отделяющим нас от предметов, одновременно меняется некая часть нашего мозга таким образом, который установлен природой для того, чтобы наша душа могла оценить данное расстояние; это обычно происходит без всякого размышления с нашей стороны; вместе с тем, когда мы держим в руке какое-нибудь тело, то придаем ей форму, соответствующую величине и фигуре тела, и ощущаем его подобным способом, причем нет надобности думать о каких бы то ни было движениях. Кроме того, мы оцениваем расстояние благодаря относительному расположению глаз; точно так же и наш слепой, держащий две палки АЕ и CE, о длине которых он не имеет представления, но знает только интервал, отделяющий его две руки А и С, и величину углов ACE и САЕ, может отсюда как бы с помощью естественной геометрии понять, где находится точка Е; таким же образом, если оба глаза RST и rst (рис. 46) повернуты к точке Х, величины отрезка Ss и двух углов XSs и XsS позволят нам понять, где помещается точка X. Мы можем это уяснить и с помощью лишь одного глаза, меняя его положение следующим образом: сначала ставим его в точку S и направляем в сторону X, а затем помещаем в s. Этого достаточно, чтобы величины отрезка Ss и двух углов XSs и XsS встретились вместе в нашем воображении и дали нам возможность оценить расстояние до точки X. Это достигается работой мысли, которая, представляя собой лишь простое воображение, тем не менее напоминает размышления, совершенно подобные рассуждениям, совершаемым землемерами, когда с помощью двух разных пунктов они измеряют расстояния до недоступных мест. Помимо того, существует другой способ определения расстояния, базирующийся на показаниях резкости или нерезкости изображения и вместе с тем силы или слабости света. Когда мы внимательно рассматриваем точку Х (рис. 47), то видим, что лучи, исходящие из предметов 10 и 12, не собираются столь точно в точках R и Т на дне нашего глаза, как если бы упомянутые предметы находились в точках V и Y; отсюда мы заключаем, что они дальше или ближе от нас, чем точка X. Далее, поскольку свет, устремляющийся к нашему глазу от предмета 10, более сильный, чем если бы он исходил от того же предмета, но помещенного в точку V, постольку можно установить, что предмет 10 располагается ближе; с другой стороны, так как свет, идущий из точки 12, более слабый, чем если бы он шел из точки Y, мы делаем вывод о том, что предмет 11 находится дальше. Наконец, если у нас уже создалось некоторое представление о величине предмета, его расположении, различиях в его форме и окраске или хотя бы о силе света, исходящего от него, то указанное обстоятельство может нам служить не столько для того, чтобы видеть, сколько для того, чтобы вообразить расстояние. Когда мы смотрим издали на различные тела, которые привыкли видеть вблизи и о размерах которых у нас, следовательно, имеется известное понятие, то судим гораздо лучше о расстоянии до них, чем если бы мы не представляли их величины; при обозрении горы, освещенной солнцем и находящейся за лесом в тени, только расположение леса позволяет судить о том, что он ближе; если мы наблюдаем на море два корабля, из которых один меньше другого, но находится соответственно ближе, так что они кажутся одинаковыми, то сможем, основываясь на различиях в их виде и раскраске, узнать, какой из них дальше.

Рис. 46

Впрочем, я ничего особенного не могу сказать относительно способов, позволяющих нам оценивать величину и форму предметов, тем более что все способы основаны на том, что мы определяем расстояние до предметов и расположение их частей; величина предметов оценивается на основании имеющихся у нас знаний о расстояниях, полученных при сравнении размеров изображений, создаваемых предметами на дне глаза, а отнюдь не на основании подлинных размеров изображений; данный вывод вытекает с достаточной очевидностью из того, что хотя изображения, скажем, в сто раз больше, когда предметы очень близко от нас, чем когда они в десять раз дальше, тем не менее мы видим их не увеличенными в сто раз, а почти равными, если только не ошибаемся в определении расстояний. Очевидно также, что форма предметов оценивается на основе приобретенных нами знаний и понятий о расположении отдельных частей предметов, а не на основании сходства изображений, находящихся в глазу, ибо последние обычно содержат только овалы и ромбы, тогда как мы видим окружности и квадраты.

Рис. 47

Чтобы не было никаких сомнений в том, что зрение совершается так, как я объяснил, вы должны, кроме того, рассмотреть причины, из-за которых иногда случается, что зрение нас обманывает; это происходит, во-первых, потому, что созерцает душа, а не глаз, и во-вторых, вследствие того, что она наблюдает только посредством мозга; отсюда вытекает, что слабоумные и спящие часто видят (или думают, что видят) разные предметы, которые не находятся перед их глазами: какие-то испарения, воздействуя на мозг, раздражают его части, обычно служащие для зрения, точно так же, как это делали бы предметы, если бы они существовали. Далее, ощущения, приходящие извне, проникают посредством нервов; следовательно, если нервы подвергаются некоторому возбуждению под действием необычной причины, то предметы можно видеть не в тех местах, где они находятся. Например, когда глаз rst (рис. 46), направленный на точку X, под воздействием пальца поворачивается к точке М, тогда части мозга, откуда идут нервы, располагаются не совсем так, как если бы мускулы глаза повернули его к точке М; в то же время они размещаются иначе, чем если бы глаз смотрел непосредственно в точку X; в результате глаз занимает среднее положение между двумя указанными состояниями, и все обстоит таким образом, как если бы он был устремлен на точку Y; следовательно, предмет М будет казаться расположенным на месте Y, Y – на месте Х и X – на месте V; эти предметы, рассматриваемые другим глазом RST, представляются находящимися на своих подлинных местах. В итоге они покажутся двойными. Подобным образом, если касаться маленького шарика G (рис. 48) двумя скрещенными пальцами А и D, то получается впечатление двух шариков, потому что, пока пальцы находятся в скрещенном положении, мускулы каждого из них стремятся их раздвинуть – А к С и D к F, вследствие чего части мозга, где начинаются нервы, прикрепленные к мускулам, располагаются так, как необходимо для того, чтобы показалось, что А находится в В, а D в Е; поэтому и появляется ощущение двух различных шариков H и I. Кроме того, издавна привыкли думать, что зрительные ощущения приходят из тех мест, по направлению к которым мы должны смотреть, чтобы их увидеть; если же случается, что они идут из других мест, мы можем легко быть введены в обман; все, кто болен желтухой или смотрит через желтое стекло, или закрыт в комнате, куда свет проходит только через желтые стекла, относят этот цвет за счет тел, на которые они смотрят. Тот, кто находится в темной комнате, недавно описанной мною, приписывает белому телу RST (рис. 47) цвета предметов VXY, так как он направляет свое зрение только на него. Глаза А, В, С, D, E, F (рис. 49), рассматривая предметы T, V, X, Y, Z, U через стекла N, О, Р и в зеркалах Q, R, S, относят их к точкам G, H, I, K, L, М; V и Z кажутся им меньше, а предметы X и U – больше, чем они есть на самом деле, или представляются меньшими и перевернутыми; последнее объясняется тем, что стекла и зеркала отклоняют лучи, идущие от предметов, таким образом, что глаза могут их видеть отчетливо только тогда, когда они располагаются для того, чтобы смотреть на точки G, Н, I, К, L, М, в чем легко убедятся те, кто потрудится изучить данный вопрос; при этом они поймут, насколько предки ошибались в своей катоптрике, когда пытались определять места изображений в вогнутых и выпуклых зеркалах. Надо также заметить, что все средства, которыми мы располагаем для определения расстояний, очень ненадежны; что касается формы глаза, то она почти не меняется, когда предметы находятся от него на расстоянии большем, чем четыре-пять футов; и даже, когда предмет ближе, форма глаза так мало меняется, что трудно получить какие-нибудь точные сведения. Что касается углов, заключенных между прямыми, проведенными из обоих глаз навстречу друг другу и от них к предмету или из двух положений одного и того же предмета, то они почти не меняются при наблюдении издалека; вот почему наш разум едва ли может иметь представление о расстояниях больших, чем сто-двести футов. Указанное обстоятельство может быть подтверждено тем, что Луна и Солнце, принадлежащие к числу наиболее удаленных тел, видимых нами, диаметры которых равны приблизительно одной сотой их расстояния до нас, кажутся нам обычно не больше, чем один-два фута диаметром, хотя мы хорошо понимаем, что они чрезвычайно велики и исключительно далеки; это происходит не потому, что мы не могли бы их представить себе большими, ибо имеется полная возможность вообразить башни и горы значительными по величине, но по другой причине, а именно: поскольку нельзя мысленно представить их удаленными больше, чем на сто-двести футов, постольку диаметр Луны или Солнца не может нам казаться превосходящим один-два фута; кроме того, их расположение способствует ложному впечатлению, так как обычно эти светила кажутся меньше, когда они находятся очень высоко на южной стороне небесного свода, чем при восходе или закате, когда между ними и нашими глазами располагаются разные предметы, позволяющие лучше судить о расстояниях. Астрономы, определяя размеры Луны или Солнца с помощью своих инструментов, часто убеждаются, что причиной кажущегося изменения их величин является не изменение угла, под которым мы их рассматриваем, а то, что они представляются нам ближе или дальше. Отсюда следует, что аксиома древней оптики, согласно которой кажущаяся величина предметов пропорциональна величине угла, под которым мы их видим, не всегда правильна. Одна из причин ошибок заключается в том, что белые или самосветящиеся тела, равно как и все те, которые обладают значительной силой, возбуждающей чувство зрения, кажутся всегда несколько ближе и больше, чем если бы они были темнее. Действительно, причина, вследствие которой они представляются более близкими, заключается в том, что зрачок, во избежание слишком яркого света, сокращается, и это движение настолько тесно связано с тем движением, которое совершает глаз, чтобы отчетливо видеть близкие предметы, и которое позволяет оценить расстояние, что одно никогда не может совершаться без другого, так же как нельзя полностью сжать два первых пальца руки без того, чтобы третий палец слегка не согнулся, как бы желая присоединиться к ним. Причина, вследствие которой белые или самосветящиеся тела кажутся большими, заключается не только в том, что оценка их величины связана с оценкой расстояния, но еще и в том, что их изображения как бы отпечатываются на дне глаза, причем они имеют увеличенные размеры: это происходит ввиду того, что окончания волокон оптического нерва, устилающего дно глаза, хотя и очень тонки, все же имеют некоторую величину; каждое из них может быть возбуждено в одной части каким-либо одним предметом, а в других – иными; но так как волокно всякий раз может быть раздражено только определенным способом, то оно, если какая-нибудь его маленькая часть возбуждена очень ярким предметом, а остальные части – другими, менее яркими, целиком подвергается раздражению наиболее сильного импульса и передает лишь его изображение, исключая остальные. Допустим, что окончания тонких волокон обозначаются цифрами 1, 2, 3 (рис. 50); тогда лучи, создающие, например, изображение звезды, падают на волокна, отмеченные 1, и несколько дальше вокруг них на концы шести других, обозначенных 2, на которые не ложатся другие лучи, за исключением очень слабых, исходящих из частей неба, окружающих эту звезду; ее изображение будет распространяться на площадь, занятую шестью точками 2, и, кроме того, возможно, на все пространство, заполненное двенадцатью точками, отмеченными 3, если сила движения настолько велика, что она сообщается даже им. Таким образом, вы видите, что звезды, несмотря на то, что кажутся достаточно малыми, представляются тем не менее бо́льшими, чем следовало бы ожидать, исходя из очень большого расстояния, отделяющего их от Земли. И хотя они не вполне круглые, но кажутся таковыми. По той же причине квадратная башня, рассматриваемая издали, производит впечатление круглой, и все предметы, рисующие в глазу лишь очень маленькие изображения, не могут дать точного представления об углах. Наконец, оценка расстояния, производимая с помощью величины, формы, цвета или яркости картины, где соблюдается перспектива, достаточно показывает, как легко ошибиться; поскольку предметы, которые на ней изображены, меньше, чем они должны быть согласно нашим представлениям, их контуры мягче, а цвета темнее или слабее, постольку они нам кажутся более далекими, чем есть на самом деле.

Рис. 48

Рис. 49

Рис. 50

Христиан Гюйгенс

Трактат о свете[12]

Глава первая

О лучах, распространяющихся прямолинейно

Доказательства, применяющиеся в оптике, – так же как и во всех науках, в которых при изучении материи применяется геометрия, – основываются на истинах, полученных из опыта. Таковы те истины, что лучи света распространяются по прямой линии, что углы падения и преломления равны и что при преломлении излом луча происходит по правилу синусов, – правилу, столь известному теперь и не менее достоверному, чем предшествующие.

Большинство писавших по вопросам, касающимся разных отделов оптики, довольствовались тем, что просто принимали эти истины заранее. Но некоторые, более любознательные, стремились выяснить происхождение и причины этих истин, рассматривая их самих как замечательные проявления природы. По этому поводу был высказан ряд остроумных соображений, однако все же не настолько удовлетворительных, чтобы более сильные умы не пожелали еще более удовлетворительных объяснений. С целью способствовать, насколько я в силах, разъяснению этого отдела естествознания, который не без основания признается одним из самых трудных, я и хочу изложить здесь свои, посвященные ему размышления. Я сознаю, что я многим обязан тем, кто первым начал рассеивать странный мрак, окутывавший эти явления, и кто первым подал надежды, что их можно будет объяснить разумным образом. Но, с другой стороны, меня удивляет, что эти же исследователи весьма часто стремились преподнести под видом достоверных и убедительных малоочевидные рассуждения, так как я нахожу, что никто еще не дал вероятного объяснения таких основных и замечательных явлений света, как распространение его по прямым линиям или как тот факт, что видимые лучи, исходя из бесконечного числа различных мест, пересекаются, нисколько не препятствуя друг другу.

Таким образом, я постараюсь в этой книге с помощью принципов, принятых в современной философии, дать более ясные и более правдоподобные объяснения, во-первых, свойствам прямо распространяющегося света, во-вторых, свойствам света, отражающегося при встрече с другими телами. Далее я объясню свойства лучей, про которые говорят, что они преломляются, проходя через различного рода прозрачные тела, причем я коснусь также рефракции в воздухе, вызываемой различной плотностью разных слоев атмосферы.

Затем я исследую причины странного преломления одного кристалла, который привозят из Исландии. Под конец я займусь разнообразными различными формами прозрачных и отражающих тел, с помощью которых лучи собираются в одной точке или же отклоняются различным образом. При этом будет видно, с какой легкостью по нашей новой теории находятся не только эллипсы, гиперболы и другие кривые линии, которые для этой цели были остроумно применены Декартом, но также и те кривые, которые должны образовывать поверхность стекла, если другая его поверхность имеет заданную сферическую, плоскую или какую-либо иную форму.

Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то вещества. Так, если обратить внимание на его происхождение, то оказывается, что здесь, на Земле, его порождают главным образом огонь и пламя, которые, без сомнения, содержат в себе находящиеся в быстром движении тела. Это подтверждается тем, что огонь и пламя растворяют и плавят многие другие и даже самые твердые тела. Если рассмотреть действия, им производимые, то можно заметить, что когда свет собран вместе, с помощью, например, вогнутых зеркал, он обладает свойством сжигать, как огонь, т. е. он разъединяет отдельные части тел; последнее обстоятельство служит убедительным признаком движения, по крайней мере, для истинной философии, в которой причину всех естественных явлений постигают при помощи соображений механического характера. По моему мнению, так и следует поступать, в противном случае приходится отказаться от всякой надежды когда-либо и что-нибудь понять в физике.

Так как, следуя этой философии, считают достоверным, что зрительное ощущение возбуждается только воздействием некоторой движущейся материи, действующей на нервы в глубине наших глаз, то здесь мы имеем еще одно основание полагать, что свет заключается в движении вещества, которое находится между нами и светящимся телом.

Кроме того, если принять во внимание чрезвычайную быстроту, с которой распространяется свет во все стороны, а также то, что когда он приходит из различных и даже совершенно противоположных мест, лучи его проходят один через другой, не мешая друг другу, то станет совершенно понятно, что когда мы видим светящийся предмет, это не может происходить вследствие переноса материи, которая доходит до нас от этого предмета наподобие пули или стрелы, пересекающих воздух. Это слишком противоречит указанным двум свойствам света, в особенности – второму. Значит, свет распространяется другим образом; привести нас к пониманию способа распространения света может то, что нам известно о распространении звука в воздухе.

Мы знаем, что звук через посредство воздуха, который представляет собой тело невидимое и неосязаемое, распространяется вокруг места, где он был произведен, движением, которое последовательно передается от одной части воздуха к другой, и что движение это распространяется одинаково быстро во всех направлениях, вследствие чего должны образовываться как бы сферические поверхности, которые все расширяются и в конце концов поражают наше ухо. Несомненно, что и свет доходит от светящегося тела до нас каким-нибудь движением, сообщенным веществу, находящемуся между ним и нами, ибо мы уже видели, что это не может быть вызвано переносом вещества от этого тела к нам. Поскольку вместе с тем свет употребляет для своего прохождения некоторое время – вопрос, который мы сейчас рассмотрим, – из этого следует, что движение, сообщенное веществу, постепенно и, следовательно, распространяется так же, как и при звуке, сферическими поверхностями и волнами: я называю эти поверхности волнами по сходству с волнами, которые можно наблюдать на воде, в которую брошен камень, и которые изображают собой указанное постепенное распространение кругами, хотя оно и происходит от другой причины и в плоской поверхности.

Чтобы убедиться в том, что распространение света происходит не мгновенно, прежде всего посмотрим, не существуют ли такие опыты, которые убеждали бы нас в противном. Что касается опытов, которые можно произвести здесь на Земле с помощью огней, расположенных на больших расстояниях друг от друга, то хотя они и доказывают, что свету не надо заметного времени, чтобы пройти эти расстояния, но все же эти расстояния слишком малы и позволяют сделать лишь тот вывод, что переход света совершается чрезвычайно быстро. Декарт, полагавший, что переход света совершается мгновенно, не без основания опирался на значительно лучший опыт с лунными затмениями, но этот опыт, как я покажу далее, все же не убедителен. Для того чтобы понять все значение этого опыта, я его предложу в несколько ином виде, чем Декарт.

Рис. 51

Пусть А (рис. 51) – местонахождение Солнца, BD – часть орбиты, или годичного пути Земли, ABC – прямая линия, которая, допустим, пересекает путь Луны, представленный кругом CD с центром в точке С. Но если свет требует, например, часа времени, чтобы пройти пространство между Землей и Луной, то отсюда следует, что после того, как Земля придет в точку В, даваемая ею тень, или перерыв в свете, еще не достигнет точки С, но придет туда часом позже. Это значит, что только через час после того, как Земля придет в точку В, Луна, пришедшая в точку С, начнет там затемняться; но нужен еще другой час, для того чтобы это затемнение, или перерыв в свете, достигло Земли. Предположим, что за эти два часа Земля пришла в Е. Земля, находясь в Е, увидит затемненную Луну в С, откуда она ушла за час перед этим, и в то же время увидит Солнце в А. В самом деле, ввиду того, что я вместе с Коперником предполагаю Солнце неподвижным, и ввиду того, что свет распространяется по прямым линиям, Солнце должно всегда казаться там, где оно есть. Но, говорят, наблюдения свидетельствуют, что затемненная Луна всегда наблюдается на эклиптике, в месте, противоположном Солнцу, между тем как здесь она должна казаться позади от этого места на угол GEC, дополняющий угол АЕС до двух прямых. Значит, это противоречит опыту, так как угол GEC был бы сильно заметен, равняясь приблизительно 33°. В самом деле, согласно нашим вычислениям, изложенным в трактате «О причинах явлений, видимых при наблюдениях Сатурна», расстояние BA между Землей и Солнцем приблизительно равно 12 000 земных диаметров и в 400 раз больше, чем ВС, – расстояние до Луны, равное 30 диаметрам. Значит, угол ЕСВ будет приблизительно в 400 раз больше, чем BAЕ, который равен 5 мин, т. е. пути, который проходит Земля по своей орбите в 2 часа; таким образом, угол ВCE равен почти 33°, так же как и CEG, который будет больше на 5 мин.

Но нужно заметить, что в этом рассуждении скорость света предполагается такой, что свету нужен один час времени, чтобы пройти путь отсюда до Луны. Если же предположить, что для этого нужна лишь одна минута времени, то будет ясно, что угол CEG составит только 33 мин, а если нужно всего только 10 с времени, то этот угол не будет и 6 мин. Но в таком случае его не легко будет заметить при наблюдении затмений, и следовательно, отсюда нельзя сделать вывод в пользу мгновенного движения света.

Правда, тем самым мы допускаем существование странной скорости, которая была бы в 100 000 раз больше скорости звука. <…> Все же это предположение не должно казаться чем-то невозможным, так как здесь дело идет вовсе не о переносе тела с такой скоростью, но о последовательном движении, переходящем от одних тел к другим. Поэтому при размышлении об этих вещах я беспрепятственно предположил, что истечение света происходит постепенно; действительно, с помощью этого предположения все эти явления могли быть объяснены, тогда как, если придерживаться противоположного взгляда, все было непонятно. И мне всегда казалось, и многим другим вместе со мной, что даже Декарт, который поставил своей целью вразумительное объяснение всех вопросов физики и который, несомненно, гораздо лучше успел в этом, чем кто-либо до него, даже Декарт по поводу света и его свойств не высказал ничего, что не было бы полно трудностей для понимания или даже непостижимо.

Но мысль, которой я пользовался когда-то как гипотезой, получила недавно благодаря остроумному доказательству Рёмера, по всей видимости, значение прочной истины. <…> Оно основано, так же как и предшествующее, на небесных наблюдениях и не только доказывает, что свет для своего прохождения требует времени, но и показывает вместе с тем, сколько времени ему нужно на это, а также, что скорость света, по крайней мере, в 6 раз больше той, о которой я только что говорил. <…> Постепенное движение света оказывается, таким образом, подтвержденным, а отсюда следует, как я уже сказал, что это движение, так же как и звук, распространяется сферическими волнами.

Но если в этом отношении движения света и звука сходны, то во многих других отношениях они расходятся; так, они различаются: начальным возбуждением причиняющего их движения, материей, в которой это движение распространяется, и способом, которым оно передается. В самом деле, известно, что возбуждение звука производится внезапным сотрясением всего тела или значительной его части, что возмущает весь смежный с ним воздух. Но движение света должно зарождаться от каждой точки светящегося тела; тогда, как это лучше выяснится из последующего, смогут быть видными все отдельные части светящегося тела. И я думаю, что это движение может лучше всего послужить для объяснения, если предположить, что те из светящихся тел, которые, как пламя и, по-видимому, Солнце и звезды, являются жидкими, состоят из плавающих в значительно более утонченной материи частиц; эта материя приводит их в весьма быстрое движение и заставляет ударяться о частицы окружающего их эфира, причем эти последние значительно меньше первых. Что же касается твердых светящихся тел, как уголь или раскаленный на пламени металл, то у них рассматриваемое движение вызывается сильным сотрясением частиц металла или дерева, причем те частицы, которые находятся на поверхности, также ударяются о частицы эфирной материи. Впрочем, движение, возбуждающее свет, должно быть значительно более резким и быстрым, чем то, которое производит звук; ведь мы не замечаем, чтобы содрогание звучащего тела могло произвести свет, точно так же как движением руки в воздухе нельзя получить звук.

Если теперь исследовать, какой может быть та материя, в которой распространяется движение, исходящее от светящихся тел, и которую я называю эфирной, то будет видно, что это не та материя, которая служит для распространения звука. В самом деле, последняя является просто воздухом, который мы чувствуем и вдыхаем; и если воздух откуда-нибудь удалить, то та, другая, материя, которая служит для света, все же будет там находиться. Это доказывается заключением звучащего тела в стеклянный колокол, из которого затем удаляют воздух с помощью прибора, данного нам Бойлем, прибора, с которым он сделал столько прекрасных опытов. При производстве опыта, о котором я говорю, нужно позаботиться о том, чтобы поместить звучащее тело на вату или на перья для того, чтобы оно не могло сообщить своего дрожанья стеклянному колоколу, заключающему его, а также прибору, а этим до сих пор пренебрегали. Тогда, после того как будет удален весь воздух, больше совершенно не слышно звука металла, хотя по нему и ударяют.

Из этого следует не только то, что не проходящий через стекло воздух является материей, с помощью которой распространяется звук, но также и то, что свет распространяется не в самом воздухе, но в какой-то другой материи. Действительно, после того как воздух удален из колокола, свет, как и прежде, продолжает проходить сквозь него. Это последнее обстоятельство еще яснее доказывается знаменитым опытом Торичелли. В этом опыте стеклянная трубка, из которой удалена ртуть и в которой не остается воздуха, пропускает свет так же, как если бы в ней был воздух; а это показывает, что в трубке находится какая-то материя, отличная от воздуха, и что эта материя должна проходить сквозь стекло или сквозь ртуть, или через оба эти непроницаемые для воздуха вещества. Если в этом же опыте произвести пустоту, поместив над ртутью немного воды, то можно аналогично заключить, что указанная материя проходит сквозь стекло или сквозь воду, или через то и другое.

Что же касается упомянутого мною различия способов передачи движения звука и света, то можно в общем понять, как происходит движение звука, если принять в соображение, что воздух обладает свойством сжимаемости и может быть приведен к значительно меньшему объему, чем тот, который он обычно занимает, а также что по мере того, как его сжимают, он стремится расшириться; в самом деле, эти свойства, вместе с проницаемостью, которая сохраняется, несмотря на сжатие, показывают, по-видимому, что воздух состоит из маленьких телец, плавающих и быстро передвигающихся в состоящей из еще значительно меньших телец эфирной материи. Таким образом, причиной распространения звуковых волн является усилие, производимое этими маленькими взаимно ударяющимися телами, стремящимися удалиться друг от друга, когда, находясь на перифериях волн, они оказываются более сжатыми, чем в других местах.

Но чрезвычайная скорость и другие свойства света не позволяют допустить подобного распространения движения, и я хочу здесь показать, как, по моему мнению, оно должно происходить. Для этого надо объяснить имеющееся у твердых тел свойство передавать движение одно другому.

Если взять несколько одинаковых по величине шаров, сделанных из какого-нибудь очень твердого вещества, и если их расположить по прямой линии так, чтобы они касались друг друга, то при ударе таким же шаром по первому из них окажется, что движение как бы в одно мгновение передается до последнего шара, который и отделяется от всего ряда, причем не заметно, чтобы при этом сдвинулись остальные шары. Вместе с ними остается неподвижным даже шар, которым ударили. Здесь наблюдается передача движения с чрезвычайно большой скоростью, которая тем больше, чем тверже вещество, из которого сделаны шары.

Но вместе с тем установлено, что это распространение движения происходит не мгновенно, но постепенно, и таким образом требует времени. В самом деле, если бы движение или, если угодно, стремление к движению не проходило последовательно через все шары, то они получали бы его одновременно и начинали бы двигаться вперед все вместе, чего как раз и не происходит; последний из шаров отделяется от всего ряда и приобретает скорость того же шара, который толкнули. Кроме того, существуют опыты, показывающие, что все те тела, которые мы считаем самыми твердыми, как закаленная сталь, стекло и агат, упруги и некоторым образом сдают не только тогда, когда они вытянуты в виде стержней, но и тогда, когда имеют форму шаров или иную. Это означает, что они немного вдавливаются внутрь в месте удара, а сейчас же после удара возвращаются к первоначальной форме. Действительно, я нашел, что если ударить стеклянным или агатовым шаром о большой и весьма толстый кусок того же вещества с плоской поверхностью, затускненной дыханием или как-либо иначе, то на поверхности остаются круглые метки, более или менее значительной величины в зависимости от того, был ли удар сильнее или слабее. Это показывает, что эти вещества сдают при столкновении и затем восстанавливают свою форму, на что им нужно время.

Чтобы применить подобного рода движение к объяснению движения, производящего свет, ничто не мешает нам считать частицы эфира состоящими из материи, сколь угодно приближающейся к совершенной твердости и сколь угодно быстро восстанавливающей свою форму. Нам нет надобности исследовать для этого здесь причины этой твердости и упругости, так как рассмотрение их завлекло бы нас слишком далеко от нашего предмета. Я все же укажу здесь мимоходом, что частицы эфира, несмотря на их малость, можно себе представить состоящими еще из других частей и что упругость их заключается в очень быстром движении тонкой материи, которая проходит сквозь них со всех сторон и заставляет их ткань располагаться так, чтобы она позволяла этой очень тонкой материи проходить через нее самым легким и свободным образом. Это согласуется с объяснением, которое дает упругости Декарт, но только я не предполагаю, как он, существования пор в форме полых круглых каналов. И не нужно думать, что в этом имеется что-нибудь нелепое или невозможное. Наоборот, представляется весьма вероятным, что природа как раз и пользуется этой бесконечной последовательностью частиц различной величины, обладающих различной скоростью, чтобы производить такое множество удивительных явлений.

Но если бы даже мы не знали истинной причины упругости, все же мы постоянно видим, что этим свойством обладают многие тела; поэтому нет ничего странного в предположении, что им обладают также и весьма маленькие невидимые тела, как те, что составляют эфир. Если и желать найти какой-нибудь другой способ последовательной передачи движения света, то все же не отыщется такого, который бы лучше, чем упругость, согласовался с равномерностью распространения движения, потому что если бы движение по мере удаления от источника света и распределения его по все большему количеству материи замедлялось, то на больших расстояниях оно не могло бы сохранить свою большую скорость. Если же предположить существование упругости у эфирной материи, то ее частицы будут обладать свойством восстанавливать свою форму одинаково быстро, независимо от того, будет ли воздействие на них сильным или слабым, и таким образом, распространение света будет постоянно сохранять одну и ту же скорость.

Следует заметить, что хотя частицы эфира расположены и не по прямым линиям, как это обстоит в нашем ряду шаров, а беспорядочно, так что одна из них касается нескольких других, но все же это не мешает передавать им свое движение и распространять его все вперед. В связи с этим укажем на один закон движения, встречающийся при таком распространении и подтверждающийся опытом. Именно: если шар, который, как, например, шар А (рис. 52), прикасается к нескольким другим одинаковым с ним шарам С, С, С, толкнуть другим шаром В, то шар А будет действовать на все соприкасающиеся с ним шары С, С, С и передаст им все свое движение; сам же он, как и шар В, останется после этого неподвижным. Легко понять, даже и не предполагая, что эфирные частицы имеют сферическую форму (так как, между прочим, я не вижу в этом надобности), что это свойство удара содействует указанному распространению движения.

Рис. 52

Равенство размеров кажется здесь более необходимым, так как иначе при передаче движения от меньшей частицы к большей должно было бы получаться некоторое отражение движения назад, согласно правилам удара <…>. Не лишено вероятия, что частицы эфира были сделаны равными для столь замечательного явления, как свет, по крайней мере в том обширном пространстве, которое находится за областью паров[13] и которое служит, по-видимому, только для передачи света Солнца и светил.

Я показал, таким образом, как можно представить себе, что свет распространяется последовательными сферическими волнами, и как возможно, что распространение это совершается с той огромной скоростью, которую требуют данные опыта и небесных наблюдений. Здесь нужно еще заметить, что хотя частицы эфира предполагаются в постоянном движении (в пользу чего имеется весьма много оснований), но движение это не препятствует последовательному распространению волн, потому что последнее заключается не в переносе частиц, а только в небольшом сотрясении, в передаче которого окружающим их частицам они не могут мешать друг другу, несмотря на движение, которое их возбуждает и заставляет перемещаться друг относительно друга.

Рис. 53

Следует подробнее рассмотреть происхождение этих волн и способ их распространения. Прежде всего из того, что было сказано о происхождении света, следует, что каждая маленькая часть какого-нибудь светящегося тела, как Солнце, свеча или раскаленный уголь, порождает свои собственные волны, центром которых она и является. Так, если в пламени свечи (рис. 53) отметить точки А, В и С, то концентрические круги, описанные около каждой из них, представят собой идущие от них волны. То же самое следует представить себе вокруг каждой точки как поверхности, так и внутренней части пламени.

Так как удары в центрах этих волн совершаются без определенной последовательности, то не нужно представлять себе, что сами волны следуют друг за другом на одинаковых расстояниях. Если на нашем рисунке эти расстояния показаны одинаковыми, то это скорее должно изображать передвижение одной и той же волны за одинаковые промежутки времени, чем несколько волн, исходящих из одного центра.

Впрочем, все это огромное количество волн, пересекающихся, не сливаясь и не уничтожая друг друга, отнюдь не является непостижимым, раз известно, что одна и та же частица материи может служить для распространения нескольких волн, приходящих с разных и даже противоположных сторон, причем не только в том случае, когда ее толкают удары, близко следующие друг за другом, но даже и тогда, когда удары действуют на нее одновременно; основанием этого служит постепенное распространение движения.

Это может быть доказано на ряде одинаковых шаров из твердого вещества, о которых говорилось выше; если одновременно ударить по ряду с двух противоположных концов равными шарами А и D (рис. 54), то каждый из них отскочит с той же скоростью, с какой он шел, а ряд весь останется на месте, хотя движение и прошло по всей длине его в том и другом направлениях. И если эти противоположно направленные движения встречаются в среднем шаре В или в каком-либо другом шаре С, то соответствующий шар должен сжаться и выпрямиться в две стороны и таким образом в одно и то же мгновение послужить для передачи этих двух движений.

Сначала может показаться очень странным и даже невероятным, что волнообразное движение, производимое столь малыми движениями и тельцами, может распространяться на такие огромные расстояния, как, например, расстояние от Солнца или от звезд до нас. Действительно, сила этих волн должна ослабевать по мере их удаления от своего источника, так что каждая из них в отдельности, несомненно, теряет способность воздействовать на наше зрение. Но это перестает быть удивительным, если принять во внимание, что бесконечное число волн, исходящих, правда, из различных точек светящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать достаточной силой, чтобы быть воспринятой. Таким образом, то бесконечное число волн, которые одновременно нарождаются во всех точках неподвижной звезды, быть может, такой же большой, как и Солнце, для ощущения представляется только одной волной, которая вполне может быть достаточно сильной, чтобы вызвать впечатление в наших глазах. Кроме того, из каждой светящейся точки вследствие частых столкновений частиц, которые в этих точках ударяют в эфир, приходят многие тысячи волн в самое короткое время, которое только можно себе вообразить, а это делает их действие еще более чувствительным.

Рис. 54

По поводу процесса образования этих волн следует еще отметить, что каждая частица вещества, в котором распространяется волна, должна сообщать свое движение не только ближайшей частице, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой, но необходимо сообщает его также и всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой она является. <…>

Чтобы перейти к свойствам света, заметим прежде всего, что каждая часть волны должна распространяться так, чтобы ее края всегда заключались между одними и теми же прямыми, проведенными из светящейся точки. Так, часть волны BG (рис. 55), имеющая своим центром светящуюся точку А, растянется в дугу CE, ограниченную прямыми ABC и AGE.

Действительно, хотя отдельные волны, произведенные частицами, заключенными в пространстве САЕ, распространяются также и вне этого пространства, но все же в каждое данное мгновение все они вместе содействуют образованию волны, заканчивающей движение как раз на окружности CE, их общей касательной линии.

Отсюда ясна причина, почему свет, если только его лучи не отражены или не прерваны, распространяется исключительно по прямым, так что он освещает какой-либо предмет только тогда, когда от его источника до этого предмета открыт прямолинейный путь. Так, если, например, имеется отверстие BG, ограниченное непрозрачными телами ВН и GI, волна света из точки А всегда будет ограничиваться прямыми AC и АЕ: части отдельных волн, распространяющиеся за пределы пространства ACE, слишком слабы, чтобы производить там свет.

Рис. 55

Сколь бы малым ни было отверстие BG, проходить между прямыми заставляет свет одна и та же причина; именно отверстие это всегда достаточно велико, чтобы заключать большое количество непостижимо малых частиц эфирной материи; таким образом, представляется, что каждая малая часть волны обязательно продвигается по прямой, исходящей из светящейся точки. В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии. <…>

Другим и одним из чудеснейших свойств света является то, что, когда он приходит из разных и даже противоположных сторон, лучи его производят свое действие, проходя один сквозь другой без всякой помехи. Этим вызывается то, что несколько зрителей могут одновременно видеть через одно и то же отверстие различные предметы и что два человека одновременно видят глаза друг друга. Из того, что было сказано в объяснение действия света, а также того, что волны его не уничтожаются и не прерываются при встрече друг с другом, легко понять эти явления. Их вовсе нелегко понять, на мой взгляд, если придерживаться мнения Декарта, по которому свет должен состоять в непрерывном давлении, только заставляющем стремиться к движению. В самом деле, так как давление это не может действовать одновременно с двух противоположных сторон на тела, которые нисколько не стремятся приблизиться друг к другу, невозможно понять ни того, что я сейчас говорил о двух людях, каждый из которых видит глаза другого, ни того, каким образом могут освещать друг друга два факела.

Рис. 56

Глава вторая

Об отражении

Объяснив явления световых волн, распространяющихся в однородной среде, мы исследуем затем, что происходит с ними при встрече с другими телами. Сперва мы покажем, как этими же волнами объясняется отражение света и почему при нем сохраняется равенство углов.

Пусть АВ (рис. 56) будет плоская и полированная поверхность какого-нибудь металла, стекла или другого тела, которую я сначала приму за совершенно гладкую (о неровностях, от которых она не может быть свободна, я скажу позднее), и пусть прямая AC, наклонная к АВ, представляет собой часть световой волны, центр которой будет так далеко, что эта часть AC может быть принята за прямую линию. Я рассматриваю все это как бы в одной плоскости, представляя себе, что плоскость, в которой находится это изображение, пересекает сферу волны через ее центр, а плоскость АВ – под прямыми углами, о чем достаточно предупредить раз навсегда.

Точка С волны AC в некоторый промежуток времени продвинется до плоскости АВ к точке В по прямой СВ, которую должно представлять себе исходящей из светящегося центра и которая, следовательно, перпендикулярна к AC. Но за тот же промежуток времени точка той же волны А не могла – по крайней мере, отчасти – сообщить свое движение за пределы плоскости АВ и должна была продолжить свое движение в материи, находящейся над этой плоскостью, притом на протяжении, равном СВ; вместе с тем она должна была, согласно сказанному выше, образовать свою отдельную сферическую волну. Указанная волна изображена здесь окружностью SNR, центр которой в А, а полудиаметр AN равен СВ.

Если затем рассмотреть остальные точки H волны AC, то ясно, что они не только достигнут поверхности АВ по прямым НК, параллельным СВ, но еще породят в прозрачной среде из центров К отдельные сферические волны, представленные тут окружностями, полудиаметры которых равны линиям КМ, т. е. продолжениям линий НК до прямой BG, параллельной AC.

Но все эти окружности, как это легко видеть, имеют общей касательной прямую BN, т. е. ту же прямую, которая является касательной из точки В к первому из этих кругов, центром которого была точка А, а полудиаметром, равным прямой ВС, AN.

Итак, прямая BN (заключенная между точками В и N, на которую падает перпендикуляр из точки А) как бы образована всеми этими окружностями и заканчивает движение, возникшее при отражении волны AC; в этом месте поэтому движение имеется в гораздо большем количестве, чем где-либо. Поэтому, согласно объясненному выше, BN является распространением волны AC в тот момент, когда ее точка С достигла точки В. Действительно, нет другой прямой, которая, как BN, была бы общей касательной всех данных кругов, если не считать BG под плоскостью АВ; эта BG была бы продолжением волны, если бы движение могло распространяться в среде, однородной с той, которая находится над плоскостью. Если мы хотим видеть, как волна AC постепенно достигла BN, то достаточно провести в той же фигуре прямые КО, параллельные BN, и прямые KL, параллельные AC. Тогда мы увидим, что волна AC из прямой последовательно становится ломаной во всех положениях OKL и снова становится прямой в NB.

Рис. 57

Но отсюда видно, что угол отражения оказывается равным углу падения. <….>

Рассматривая предшествующее доказательство, можно было бы сказать, что хотя BN действительно является общей касательной всех круговых волн в плоскости этого рисунка, но что эти волны, будучи на самом деле сферическими, имеют, кроме того, еще бесконечное число подобных касательных, которыми будут все прямые, проведенные из точки В по поверхности конуса, образуемого прямою BN при вращении вокруг оси BA. Остается, следовательно, показать, что в этом обстоятельстве не имеется никакой трудности; заодно выяснится, почему падающий и отраженный лучи находятся всегда в одной и той же плоскости, перпендикулярной к отражающей плоскости. И вот я говорю, что волна AC, рассматриваемая только как линия, не производит света. Дело в том, что видимый световой луч, как бы он ни был узок, всегда имеет некоторую толщину; поэтому, чтобы представить волну, продвижение которой производит этот луч, нужно вместо линии AC взять плоскую фигуру, подобно кругу HC на данном рисунке (рис. 57), предполагая, как было сделано раньше, что светящаяся точка бесконечно удалена. Но из предшествующего доказательства легко видеть, что каждая маленькая точка этой волны HC, достигнув плоскости АВ, породит там свою отдельную волну, и все эти волны, когда точка С достигнет точки В, будут иметь общую касательную плоскость, а именно круг BN, равный СН; этот круг будет пересечен посредине под прямыми углами той же самой плоскостью, которая таким же образом пересекает круг СН и эллипс АВ. Также видно, что указанные сферы отдельных волн не могут иметь другой общей касательной плоскости, кроме круга BN; в этой плоскости отраженного движения будет гораздо больше, чем где-либо в другом месте, и поэтому она будет нести в себе свет, являющийся продолжением волны СН.

Я утверждал в предшествующем доказательстве, что движение точки А падающей волны не может, по крайней мере полностью, передаться за плоскость АВ. Здесь надо заметить, что хотя движение эфирной материи и передалось частью материи отражающего тела, но это ни в чем не может изменить скорость продвижения волны, от которой зависит угол отражения. В самом деле, в одном и том же веществе легкий удар должен вызвать столь же скорые волны, как и очень сильный удар. Это зависит от одного свойства обладающих упругостью тел, а именно: что и слабо и сильно сжатые тела восстанавливают свою форму в одинаковое время. Следовательно, при всяком отражении света от какого бы то ни было тела углы падения и отражения должны быть равными, хотя бы даже это тело и обладало свойством отнимать часть движения, производимого падающим светом. И опыт показывает, что, действительно, нет ни одного полированного тела, отражение от которого не следует этому правилу.

В нашем доказательстве надо в особенности подчеркнуть, что оно не требует, чтобы отражающая поверхность рассматривалась как совершенно ровная плоскость, как то предполагали все те, которые старались объяснить явления отражения; эта поверхность должна быть только настолько ровной, насколько это возможно при образовании ее частицами материи отражающего тела, помещенными одна около другой. Эти частицы больше частиц эфирной материи, как будет ясно из того, что мы скажем при рассмотрении прозрачности и непрозрачности тел. Действительно, так как поверхность, таким образом, будет состоять из расположенных рядом частиц, а эфирные частицы будут сверху и они будут меньше, то ясно, что нельзя доказать равенства углов падения и отражения сходством с тем, что происходит с мячом, брошенным в стену, – сходством, которым всегда пользовались.

Между тем по нашему способу дело объясняется просто. Так как малость частиц, например ртути, такова, что на самой маленькой данной видимой поверхности их нужно представить себе миллионы, то, если эти частицы расположены наподобие кучи песку, которую разровняли настолько, насколько это можно сделать, эта поверхность будет, по нашему мнению, такой же ровной, как полированное стекло; и хотя она всегда остается шероховатой относительно частиц эфира, но ясно, что центры всех отдельных сфер отражения, о которых мы говорили, находятся приблизительно в одной и той же ровной плоскости и что, таким образом, их общая касательная плоскость в достаточной степени соответствует тому, что требуется для получения света. А только это и требуется для доказательства по нашему способу равенства названных углов; остальное отражаемое отовсюду движение не может вызвать какого-либо противоположного действия.

Глава третья

О преломлении