Глаз и Солнце

Подобно тому, как явления отражения были объяснены волнами света, отраженного от поверхности гладких тел, подобно этому прозрачность и явления преломления мы объясним при помощи волн, распространяющихся внутри и через прозрачные тела, будь то твердые, как стекло, или жидкие, как вода, масла и т. п. Но чтобы гипотеза о прохождении волн внутри таких тел не казалась странной, я сначала покажу, что это прохождение можно представить себе даже несколькими способами.

Прежде всего, если бы эфирная материя вовсе и не проникала в прозрачные тела, сами частицы их могли бы последовательно сообщать друг другу движение волн, подобно частицам эфира, так как предполагается, что они, как и последние, обладают способностью быть упругими. Это легко представить себе для воды и других прозрачных жидкостей, так как они состоят из отдельных частиц. Но это может казаться более трудным для стекла и других прозрачных и твердых тел, так как их твердость, по-видимому, не позволяет им воспринимать движение иначе, как всей массой сразу. Однако это не обязательно так, ибо их твердость не такова, какой она нам кажется, и ибо вероятно, что тела эти состоят скорее из частиц, которые только расположены друг около друга и удерживаются вместе лишь некоторым давлением извне, со стороны другой материи, и неправильностью своих форм.

Несплошное расположение этих частиц видно, во-первых, из легкости, с какой проникает сквозь них вещество магнитных вихрей и вещество, которое обусловливает тяжесть. Кроме того, нельзя сказать, чтобы эти тела обладали строением, подобным строению губки или печеного кислого хлеба, так как жар огня заставляет их течь и меняет тем самым взаимное положение частиц. Следовательно, необходимо, чтобы тела эти, как сказано выше, были собраниями частиц, касающихся друг друга, но не составляющих сплошного твердого тела; а раз это так, то движение, получаемое этими частицами для продолжения волн света, вполне может производить свое действие без всякого ущерба для кажущейся нам твердости составного тела, только передаваясь от одних частиц к другим без того, чтобы они оставляли для этого свои места или изменяли свое взаимное положение.

Под давлением извне, о котором я говорил, не нужно понимать давление воздуха, которое не было бы достаточно, но другое давление, производимое более тонкой материей; это давление проявляется в опыте, с которым я случайно познакомился уже давно, а именно: вода, лишенная воздуха, остается в стеклянной трубке, открытой с нижнего конца, несмотря на то что из сосуда, в который заключена трубка, воздух удален.

Таким образом, можно представить себе прозрачность без того, чтобы проводящая свет эфирная материя проникала внутрь тела или встречала в нем для своего прохождения поры. Но на самом деле материя эта не только проникает туда, но делает это даже с большой легкостью, доказательством чего является опыт Торичелли. Когда ртуть и вода уходят из верхнего конца стеклянной трубки, он, по-видимому, сейчас же заполняется эфирной материей, так как свет там проходит. А вот еще другое доказательство, подтверждающее эту легкость проникновения не только в прозрачные тела, но и во все другие.

Когда свет проходит сквозь полую стеклянную сферу, закрытую со всех сторон, ясно, что она наполнена эфирной материей в такой же степени, как и пространство вне сферы. Эта эфирная материя, как выше было показано, состоит из частиц, которые близко касаются друг друга. Если бы она была так заключена в сфере, что не могла бы выйти через поры стекла, то при перемещении сферы она была бы принуждена следовать за ее движением; чтобы сообщить некоторую скорость этой сфере, когда она помещена на горизонтальной плоскости, необходима была бы, следовательно, почти такая же сила, как если бы сфера была полна воды или, быть может, ртути; ведь всякое тело оказывает сопротивление скорости движения, которое хотят сообщить ему, в зависимости от количества материи, которая в нем заключается и должна следовать этому движению. Мы же видим, напротив, что сфера оказывает сопротивление движению только в зависимости от количества материи стекла, из которого она сделана; следовательно, необходимо, чтобы находящаяся внутри эфирная материя не была заперта, но могла совершенно свободно проходить сквозь нее. Мы покажем, что по этому же способу можно заключить о такой же проницаемости тел непрозрачных.

Второй – и кажется более вероятный – способ объяснения прозрачности заключается в предположении, что волны света продолжаются в эфирной материи, которая непрерывно заполняет промежутки или поры прозрачных тел. Из того, что эфирная материя беспрерывно и легко проходит в них, следует, что они постоянно наполнены ею. Можно даже показать, что эти промежутки занимают гораздо больше пространства, чем сцепленные частицы, составляющие тела. Действительно, если верно наше предположение, что сила, необходимая для сообщения некоторой горизонтальной скорости телам, пропорциональна содержащейся в них сцепленной материи и если эта сила меняется в том же отношении, как и их веса, что подтверждается опытом, то, следовательно, количество составляющей тела материи также меняется в отношении их весов. Но мы видим, что вода весит только четырнадцатую часть одинакового объема ртути, значит, материя воды не занимает четырнадцатой части пространства, занятого ее массой. Она даже должна занимать гораздо меньшее пространство, так как ртуть легче золота, а материя золота сама очень малой плотности, что следует из того, что материя магнитных вихрей и та, которая обусловливает тяжесть, легко проникает сквозь нее.

На это можно возразить, что если тело воды так сильно разрежено и если ее частицы занимают такую незначительную часть пространства сравнительно с ее кажущейся протяженностью, то весьма странно, каким образом она все-таки оказывает столь сильное сопротивление сдавливанию, не позволяя себя сжать никакой до сих пор применявшейся силе и сохраняя даже во время этого сдавливания всю свою текучесть. В этом заключается немалое затруднение. Его можно, однако, разрешить, предполагая, что очень сильное и быстрое движение тонкой материи, делающее воду жидкой, сотрясая составляющие ее частицы, поддерживает это состояние текучести, несмотря на давление, которому до сих пор приходилось подвергать ее.

Благодаря тому, что несплошное расположение частиц прозрачных тел имеет указанный нами характер, легко видеть, что волны могут продолжаться в эфирной материи, наполняющей промежутки между частицами. Кроме того, можно думать, что продвижение этих волн должно происходить внутри тел более медленно вследствие тех маленьких изворотов пути, которые обусловливают сами частицы. Я покажу, что в этом различии скорости света заключается причина преломления.

Но прежде я укажу третий и последний способ, как можно понимать прозрачность; в нем предполагается, что движение волн света передается безразлично и в частицах эфирной материи, занимающих промежутки тел, и в частицах, составляющих тела, так что это движение передается от одних к другим. <…>

Могут возразить, что так как частицы эфира меньше частиц прозрачных тел (ибо они проходят через их промежутки), то первые могут сообщить последним лишь небольшую часть своего движения. На это мы ответим, что частицы тел состоят еще из других меньших частиц и что, таким образом, именно эти вторые частицы получат движение частиц эфира.

Кроме того, если частицы прозрачных тел имеют упругость меньшую, чем частицы эфирной материи, – а это ничто не мешает предположить, – то отсюда сейчас же следует, что продвижение световых волн внутри этого тела будет медленнее, чем вне его в эфирной материи.

Таково наиболее правдоподобное найденное мной объяснение способа, каким световые лучи проходят через прозрачные тела. При этом надо еще указать, чем отличаются эти тела от тел непрозрачных, тем более что вследствие указанной легкости, с которой эфирная материя проникает в тела, может казаться, что не существует непрозрачных тел. Те же доводы, которые я приводил относительно полой сферы, чтобы показать малую плотность стекла и его легкую проницаемость для эфирной материи, могут доказать, что та же легкая проницаемость свойственна металлам и всяким иным телам. Например, если эта сфера серебряная, ясно, что она содержит эфирную материю, которая проводит свет, так как эта материя находилась в ней так же, как и воздух, когда закупоривали отверстие сферы. Однако, будучи закрытой и помещенной на горизонтальной плоскости, сфера эта сопротивляется сообщаемому ей движению только сообразно количеству серебра, из которого она сделана, так что из этого должно, как и выше, заключить, что содержащаяся в ней эфирная материя не следует движению сферы и что, следовательно, серебро так же, как и стекло, очень легко проницаемо для этой материи. Таким образом она постоянно и в большом количестве находится между частицами серебра и всех других непрозрачных тел; и вследствие того, что она содействует распространению света, казалось бы, что эти тела должны так же, как и стекло, быть прозрачными, чего, однако, нет на самом деле. <…>

Рис. 58

Перейдем теперь к объяснению явлений преломления, предполагая, как мы это сделали выше, что световые волны проходят сквозь прозрачные тела и испытывают в них уменьшение скорости.

Главное свойство преломления заключается в том, что луч света, как АВ (рис. 58), находясь в воздухе и падая наклонно к полированной поверхности прозрачного тела FG, преломляется в точке падения В таким образом, что он образует с прямой DBE, пересекающей перпендикулярно поверхность, угол СВЕ, меньший угла ABD, который он составлял с тем же перпендикуляром, находясь в воздухе.

Мера этих углов будет найдена, если описать из точки В окружность, пересекающую лучи АВ и ВС. Действительно, перпендикуляры AD и CE, опущенные из точек пересечения на прямую DE и называемые синусами углов ABD и СВЕ, находятся в некотором отношении друг к другу, которое для определенного прозрачного тела при всяком наклоне падающего луча всегда остается одинаковым; для стекла это отношение очень близко к 3: 2, для воды оно очень близко к 4: 3, и таким образом, оно меняется для различных прозрачных тел.

Другое свойство, подобное вышеуказанному, заключается в том, что преломления взаимны между лучами, входящими в прозрачное тело и выходящими из него, т. е. если луч АВ, входя в прозрачное тело, преломляется в ВС, то СВ, будучи принято за луч внутри этого тела, преломится, выходя, в BA. <…>

Я закончу эту теорию преломления доказательством одного замечательного, связанного с ней положения. Именно: если две точки находятся в различных прозрачных средах, то луч света, чтобы пройти от одной точки к другой, преломляется у плоской поверхности, по которой соприкасаются обе среды, таким образом, что употребляет возможно меньшее количество времени, совершенно так же, как это происходит при отражении от плоской поверхности. Ферма первый выдвинул это свойство преломлений, полагая вместе с нами, и в противоположность мнению Декарта, что свет проходит сквозь стекло и воду медленнее, чем сквозь воздух. <…> Он предполагал помимо различия скоростей, что свет употребляет при этом прохождении возможно меньшее количество времени, чтобы затем вывести из этого постоянство отношений синусов. <…>

Глава четвертая

О преломлении в воздухе

Мы показали, каким образом движение, которое производит свет, распространяется сферическими волнами в однородной материи. Когда же материя не однородна, но такого строения, что движение в ней передается быстрее в одну сторону, чем в другую, то ясно, что эти волны не могут быть сферическими, но должны изменять свою форму в соответствии с различными пространствами, которые проходит в одинаковые промежутки времени последовательно распространяющееся движение.

Этим мы прежде всего объясним преломления, происходящие в воздухе, который простирается отсюда до облаков и за пределы их; действия этих преломлений весьма замечательны, так как благодаря им мы часто видим предметы, которые иначе были бы скрыты от нас из-за шарообразной формы Земли, как, например, острова и вершины гор, когда мы находимся на море. Благодаря тем же преломлениям восход Солнца и Луны нам представляется раньше, а заход позже, чем это происходит на самом деле, так что часто наблюдали затмение Луны в то время, как Солнце было еще над горизонтом. Точно так же, как известно астрономам, благодаря тем же преломлениям высоты Солнца, Луны и всех звезд всегда кажутся несколько больше, чем они суть в действительности. Существует, между прочим, опыт, в котором это преломление очень хорошо видимо. Он заключается в следующем: в каком-нибудь месте устанавливают подзорную трубу и направляют ее на какой-нибудь предмет, находящийся за полмили или дальше, например на колокольню или дом; если в нее смотреть в различные часы дня, не изменяя ее положения, то посредине отверстия трубы будут видны не одни и те же части предмета. Утром и вечером, когда около Земли больше паров, обыкновенно будет казаться, что эти предметы поднимаются выше, так что половина их или больше перестанет быть видной, тогда как к полудню, когда эти пары рассеются, они опускаются ниже.

Тем, кто рассматривает преломления только на поверхностях, отделяющих друг от друга различного рода прозрачные тела, было бы трудно объяснить все то, что я только что сообщил, но с помощью нашей теории это сделать очень просто. Известно, что окружающий нас воздух, помимо составляющих его и плавающих, как это было объяснено, в эфирной материи частиц, наполнен еще частицами воды, которые поднимаются под действием теплоты; кроме того, на основании весьма достоверных опытов было признано, что плотность воздуха уменьшается по мере того, как поднимаются выше. Будут ли частицы воды и воздуха вместе с частицами эфирной материи содействовать движению, которое производит свет (но действуя менее упруго, чем последние), будут ли столкновения и препятствие, которое эти частицы воды и воздуха оказывают распространению движения частиц эфира, задерживать это движение, – из того и из другого следует, что частицы воды и воздуха, летая между эфирными частицами, должны постепенно делать воздух при переходе от больших высот его к Земле все менее способным к распространению световых волн.

Рис. 59

Поэтому изображение волн приблизительно должно быть таким, каким представляет его рисунок (рис. 59).

Если А есть источник света или видимый шпиль колокольни, то происходящие от него волны должны распространяться, сильнее расширяясь кверху и менее сильно книзу, а по другим направлениям – более или менее расширяясь, сообразно со степенью приближения к этим двум предельным случаям. Раз это так, то отсюда необходимо следует, что всякая прямая, пересекающая одну из этих волн под прямыми углами, проходит над точкой А, за исключением одной только линии, перпендикулярной к горизонту.

Пусть ВС будет волна, которая несет свет к наблюдателю, находящемуся в точке В, a BD – прямая, пересекающая перпендикулярно эту волну. Так как луч, или прямая, по которой мы судим о местонахождении видимого нами предмета, есть не что иное, как перпендикуляр к волне, достигающей нашего глаза, как это следует из сказанного выше, то ясно, что точка А покажется как бы находящейся на прямой BD и, следовательно, выше, чем она находится на самом деле. <…>

Продвижение или распространение частиц световой волны и есть именно то, что называется лучом. Но эти лучи, прямые в однородной прозрачной среде, должны быть кривыми в воздухе неодинаковой проницаемости. <…> Они необходимо следуют по линии, которая пересекает все движущиеся волны между предметом и глазом под прямыми углами так же, как это происходит на рисунке с линией АЕВ (рис. 59), и именно эта линия определяет, какие междулежащие тела будут или не будут мешать видеть лам этот предмет. Так, хотя шпиль колокольни А и кажется нам поднятым до точки D все же он не будет виден глазом В, если между ними будет башня Н, так как последняя пересекает кривую АЕВ, но башня Е, которая находится ниже этой кривой, не помешает видеть шпиль А. Таким образом чем более плотность воздуха близ Земли превышает плотность выше находящегося воздуха, тем более увеличивается кривизна луча АЕВ; так что иногда он проходит выше вершины Е, что позволяет глазу в В видеть шпиль А, а иногда он оказывается ниже той же башни Е, что скрывает А от того же глаза. <…> Луч распространяется по кривой линии, пересекающей все волны под прямыми углами.

Исаак Ньютон

Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света[14]

Книга первая

Часть I

Мое намерение в этой книге – не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждением и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы.

Определения

Определение I.

Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям. Ибо очевидно, что свет состоит из частей как последовательных, так и одновременных, потому что в одном и том же месте вы можете остановить части, приходящие в один момент, и пропустить приходящие в следующий, и в одно и то же время вы можете остановить свет в одном месте и пропустить его в другом. Остановленная часть света не может быть той же самой, которая уже прошла. Наименьший свет или часть света, которая может быть остановлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет, я называю лучом света.[15]

Определение II.

Преломляемость лучей света есть их расположение к преломлению или отклонению от своего пути при переходе из одного прозрачного тела или среды в другую. Большая или меньшая преломляемость лучей есть их расположение к большему или меньшему отклонению от своего пути при одинаковых падениях в ту же среду. Математики обыкновенно рассматривают лучи света как линии, простирающиеся от светящегося тела к освещаемому, и преломление лучей – как изгибание или излом этих линий при переходе из одной среды в другую. Таким способом лучи и преломление могут рассматриваться, если свет распространяется мгновенно. Но из довода, основанного на уравнении времен затмений спутников Юпитера, следует, по-видимому, что свет распространяется во времени, затрачивая на переход от солнца к нам около семи минут времени. Поэтому я предпочел определить лучи и преломления в таких общих выражениях, которые были бы пригодны для света в обоих случаях.

Определение III.

Отражаемость лучей – их расположение отражаться или возвращаться назад в ту же среду от другой среды, на поверхность которой они падают. Лучи отражаемы больше или меньше в зависимости от большей или меньшей легкости их возвращения назад. Если свет переходит из стекла в воздух и все более наклоняется к общей поверхности стекла и воздуха, то он наконец начинает полностью отражаться этой поверхностью; такие сорта лучей, которые при равных падениях отражаются наиболее обильно или же скорее всех отражаются нацело при возрастающем наклоне лучей, суть лучи наиболее отражаемые.[16]

Определение IV.

Угол падения есть угол, образуемый линией, описываемой падающим лучом, с перпендикуляром к отражающей или преломляющей поверхности при точке падения.

Определение V.

Угол отражения или преломления есть угол, составляемый линией, описываемой отраженным или преломленным лучом, с перпендикуляром к отражающей или преломляющей поверхности при точке падения.

Определение VI.

Синусы падения, отражения и преломления суть синусы углов падения, отражения и преломления.

Определение VII.

Свет, лучи которого все одинаково преломляемы, я называю простым, однородным и подобным; свет же, одни лучи которого более преломляемы, чем другие, я называю сложным, неоднородным и разновидным. Я называю первый свет однородным не потому, что он таков во всех отношениях, но потому, что лучи одинаковой преломляемости согласуются по меньшей мере по всем тем другим свойствам, которые я рассматриваю в последующем рассуждении.

Определение VIII.

Цвета однородного света я называю первичными, однородными и простыми, цвета же неоднородного света – неоднородными и сложными. Ибо они всегда слагаются из цветов однородного света, как станет ясным из последующего рассуждения.

Аксиомы

Аксиома I.

Углы отражения и преломления лежат в одной и той же плоскости с углом падения.

Аксиома II.

Угол отражения равен углу падения.

Аксиома III.

Если преломленный луч возвращается прямо назад к точке падения, он преломится по линии, ранее описанной падающим лучом.

Аксиома IV.

Преломление из более разреженной среды в плотную происходит по направлению к перпендикуляру, т. е. так, что угол преломления будет меньше, чем угол падения.

Аксиома V.

Синус падения точно или очень близко находится в данном отношении к синусу преломления.

Отсюда, если это отношение известно для какого-нибудь наклона падающего луча, оно известно для всех наклонов, благодаря чему можно определить преломление при всех случаях падения для того же преломляющего тела. Так, если преломление происходит из воздуха в воду, то синус падения красного света относится к синусу его преломления, как 4 к 3. Если же преломление происходит из воздуха в стекло, синусы относятся как 17 к 11. Для света другой окраски синусы находятся в другом отношении, но разница столь мала, что ее редко нужно принимать во внимание. <…>

Рис. 60

Аксиома VI.

Однородные лучи, идущие от различных точек объекта и падающие перпендикулярно или почти перпендикулярно на какую-либо отражающую или преломляющую плоскость или сферическую поверхность, точно или без заметной ошибки расходятся после этого из такого же числа других точек, или параллельны такому же числу других линий, или сходятся в стольких же других точках. То же произойдет, если лучи отражаются или преломляются последовательно двумя, тремя или большим числом плоскостей или сферических поверхностей.

Точка, от которой лучи расходятся или в которой они сходятся, может быть названа их фокусом. Если фокус падающих лучей дан, то фокус отраженных или преломленных лучей может быть найден, если найти преломление каких-либо двух лучей <…>.

Аксиома VII.

Там, где лучи, приходящие ото всех точек некоторого предмета, встречаются снова в стольких же точках после того, как они сделались сходящимися посредством отражения или преломления, они дают изображение предмета на любом белом теле, на которое падают.

Пусть PR (рис. 60) представляет некоторый объект, расположенный снаружи, и АВ – помещенную в отверстии оконной ставни темной комнаты линзу, посредством которой лучи, приходящие от некоторой точки Q объекта, делаются сходящимися и встречаются в точке q, где держат белую бумагу так, чтобы свет падал на нее; на бумаге появится изображение объекта PR той же формы и цветов. Ибо, так же, как свет, идущий от точки Q, приходит к точке q, так свет, идущий от других точек Р и R объекта, придет к стольким же соответственным точкам р и r (что явствует из пятой аксиомы); таким образом каждая точка объекта будет освещать соответствующую точку изображения, создавая при этом изображение, подобное объекту по форме и цвету, за исключением только того, что изображение будет перевернутым. В этом – основание общеизвестного опыта с отбрасыванием отображения объекта снаружи на стену или на лист белой бумаги в темной комнате. <…>

Рис. 61

Аксиома VIII.

Объект, видимый при помощи отражения или преломления, кажется находящимся в том месте, откуда сходятся лучи, падающие в глаз наблюдателя после их последнего отражения или преломления.

Если объект А (рис. 62) виден благодаря отражению в зеркале mn, он будет казаться находящимся не на своем собственном месте А, но за зеркалом в а, откуда лучи АВ, AC, AD, идущие от одной и той же точки объекта, расходятся после отражения в точках В, С, D, направляясь от стекла к Е, F, G, где они падают на глаз наблюдателя. Ибо эти лучи дают такое изображение на дне глаза, как будто бы они исходили от объекта, действительно помещенного в а без помощи зеркала, и зрение происходит соответственно месту и форме этого изображения.

Подобным же образом объект D (рис. 61), рассматриваемый через призму, кажется находящимся не на своем собственном месте D, но переносится оттуда в некоторое другое место d, расположенное по направлению последнего преломленного луча FG, продолженного назад от F в d.

Рис. 62