Трактат о свете

Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и при преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла*

Предисловие

<...> Доказательства, приводимые в этом трактате, отнюдь не обладают той же достоверностью, как геометрические доказательства, и даже весьма сильно от них отличаются, так как в то время, как геометры доказывают свои предложения с помощью достоверных и неоспоримых принципов, в данном случае принципы подтверждаются при помощи получаемых из них выводов· природа изучаемого вопроса не допускает, чтобы это происходило иначе. Все же при этом можно достигнуть такой степени правдоподобия, которая часто вовсе не уступает полной очевидности. Это случается именно тогда, когда вещи, доказанные с помощью этих предполагаемых принципов, совершенно согласуются с явлениями, обнаруживаемыми на опыте, особенно когда таких опытов много и - что еще важнее - главным образом когда открываются и предвидятся новые явления, вытекающие из применяемых гипотез, и оказывается, что успех опыта в этом отношении соответствует нашему ожиданию. Если в проведенном мной исследовании все эти доказательства правдоподобия имеются, а мне представляется, что дело как раз так и обстоит, то это должно служить весьма сильным подтверждением успеха моего исследования, и вряд ли положение вещей может значительно отличаться от того, каким я его изображаю. <...>

Глава I. О лучах, распространяющихся прямолинейно

<...> 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 тела; 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. <...>

<...> 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 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 or другой причины и в плоской поверхности. <...>

<...> Если теперь исследовать, какой может быть та мате" рия, в которой распространяется движение, исходящее от све* тящихся 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. <...>

...Ничто не мешает нам считать частицы эфира состоящими из материи, сколь угодно приближающейся к совершенной твердо* сти 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 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 мно* гие 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 движения по мере удаления от источника света и распределения его по все большему количеству материи замедлялось, то на больших расстояниях оно не могло бы сохранить своей большой скорости. 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. <...>

<...> 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), 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.

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. 1) отметить точки A, 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 на 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 одно· временно; основанием этого служит постепенное распространение движения. <...>

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, прав" да, из различных точек светящегося тела, на большом расстоянии от него соединяется 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.

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. Так, если DCF (рис. 2) - волна, исходящая из светящейся точки А, ее центра, то частица В, одна из тех, которые находятся в сфере DCF, производит свою отдельную волну KCL, которая коснется волны DCF в С в тот же момент, когда главная волна, исходящая из точки А, достигнет DCF; ясно, что только точка С волны KCL, т. е. та, которая находится на прямой, проведенной через АВ, коснется волны DCF. Таким же образом остальные частицы, заключенные в сфере DCF, как bb, da и т. д., создадут каждая свою волну. Но каждая из этих волн может быть только бесконечно слабой сравнительно с волной DCF, образованию которой содействуют все остальные волны той частью своей поверхности, которая наиболее удалена от центра А.

Кроме того, видно, что положение волны DCF определяется крайним пределом, достигнутым в определенный промежуток времени движением, получившим начало в точке А, так как за пределами этой волны нет движения, хотя, конечно, оно существует в пространстве, ею охватываемом, а именно в тех частях отдельных волн, которые не касаются сферы DCF. Не следует думать, что все это найдено с помощью особенно тщательных и тонких ухищрений, так как впоследствии будет видно, что все свойства света, а также все, что касается отражения и преломления, объясняется главным образом этим способом. <...>

Глава II. 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. 3) будет плоская и поли

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 в конце этого доказательства), и пусть прямая АС, наклонная к АВ, представляет собой часть световой волны, центр которой будет так далеко, что эта часть АС 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 АС 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 АС. 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 BNR, центр которой в A, а полудиаметр AN равен СВ.

Если затем рассмотреть остальные точки Я волны АС, то ясно, что они не только достигнут поверхности АВ по прямым "л, 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 АС.

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 Л, а полудиаметром, равным прямой ЕС,- AN. Итак, прямая BN (заключенная между точками В и N, на которую падает перпендикуляр из точки Л) как бы образована всеми этими окружностями и заканчивает движение, возникшее при отражении волны АС; в этом месте поэтому движение имеется в гораздо большем количестве, чем где-либо. Поэтому, согласно объясненному выше, BN является распространением волны АС 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 Л С постепенно достигла BN, то достаточно провести в той же фигуре прямые КО, параллельные BN, и прямые KL, параллельные АС. Тогда мы увидим, что волна Л С из прямой последовательно становится ломаной во всех положениях OKL и снова становится прямой в NB.

Но отсюда видно, что угол отражения оказывается равным углу падения. Из того, что треугольники АСВ и BNA прямоугольны и имеют общую сторону А В, а сторона С В равна NA, следует, что углы, противолежащие этим сторонам, будут равны, а следовательно, также углы СВА и NAB. Но как СВ, перпендикулярная к СА, показывает направление луча падающего, так AN, перпендикулярная к волне BN, показывает направление луча отраженного; значит, эти лучи одинаково наклонены к плоскости А В. <...>

* X. Гюйгенс. Трактат о свете. М.-Л., 1935, с. 6-7, 11-13, 21, 25-29, 30-32, 36-39.