Мавролику принадлежит заслуга довольно верного объяснения действия очков. Изучая преломление светового луча в чечевицах, он заметил, что лучи, выходящие из одной точки, вновь соединяются позади чечевицы в одной какой-либо точке. Это можно ясно видеть при пропускании солнечных лучей через выпуклую чечевицу в темную комнату. Истинную точку соединения, то есть фокусную длину чечевиц Мавролик определять не стал, ибо был убежден в пропорциональности углов падения и преломления. И все же он видит ясно, что при выпуклых стеклах получается изображение предмета позади чечевицы; что вогнутые стекла не соединяют, а напротив, еще сильнее рассеивают лучи; и что действие обоих родов чечевиц усиливается по мере увеличения их кривизны.
На основании этих данных Мавролик признает хрусталик важнейшей частью глаза, указывая, что он соединяет лучи, получаемые от предмета, и дает изображение последнего. При ненормальной кривизне хрусталика соединение лучей может произойти либо раньше, чем нужно (близорукость), либо позже (дальнозоркость). Эти-то недостатки и исправляются выпуклыми и вогнутыми стеклами очков. О назначении сетчатой оболочки глаза и о возникновении на ней изображений Мавролик не имеет ясного понятия. Лучи света должны, по его мнению, падать на нерв раньше своего соединения.
Полагая, что хрусталик глаза работает как линза, он все же не смог признать, что изображение получается перевернутым, и серией ухищрений пытался доказать, что изображение будет прямым. А вот объяснение круглых солнечных изображений, наблюдаемых при известных условиях под тенью деревьев, удается Мавролику вполне.
К сожалению, его труд был опубликован лишь в 1611 году, через 57 лет после написания и не смог оказать заметного влияния на развитие практической оптики в то время.
А вот пример, когда ученому не хватило собственного авторитета. Ряд новейших механиков начинается с Гвидо Убальди, маркиза дель-Монте (1545–1607), известного по сочинению «Механика» в шести книгах. Считается, что на его новейшей механике ясно сказывается зависимость от архимедовой, на том основании что он был учеником Коммандино, переводчика архимедовского трактата о плавающих телах. Кроме того, Убальди сам перевел сочинение Архимеда о водоподъемном винте, имея свое собственное сочинение по этому вопросу.
Самое интересное, перевод Архимеда появился спустя 10 лет после выхода в свет «Механики» самого Убальди! И вот ученый пишет, что он убедился в правильности предположений великого грека, и многие из них доказал. Но, узнав, что своим трудом не удовлетворил всех читателей, решил для обеспечения лучшего приема собственного сочинения познакомить их с подлинным учением древнего писателя, так как «авторитет всегда много значит».
Убальди был знаком с Галилеем, который прямо указывает, что сочинения Убальди побудили его к исследованиям над центрами тяжести тел.
Английский моряк, конструктор компасов Роберт Норман в своем небольшом сочинении «Новое взаимодействие» (1580) первым выказал верное и точное знакомство со свойствами магнитной стрелки. Раньше (в 1544) нюренбергский уроженец Гартман, занимавшийся устройством солнечных часов, заметил горизонтальное наклонение магнитной стрелки, но не был в состоянии его измерить. Норман же открыл наклонение стрелки к горизонту и устроил магнитную стрелку, вращающуюся вокруг горизонтальной оси в магнитном меридиане, при помощи которого он определил наклонение для Лондона в 71°50 . До Нормана и его открытия относили точку притяжения магнитной стрелки в небо или же верили рассказам о громадных железных горах на севере, которые притягивали неосторожно приблизившиеся корабли и разрушали их, извлекая из них железные гвозди. Норман отнес точку притяжения к земле, по крайней мере, для горизонтального наклонения стрелки, хотя он и не считает еще землю магнитом.
М. Варро (1584) объяснял действие клина сложением двух гипотетических движений. Он вообще имел понятие о сложении сил и знал, что три силы, которые в своем действии относятся между собой как стороны прямоугольного треугольника, могут находиться в равновесии.
Сложением сил занимается и Симон Стевин. Он родился в 1548 году в Брюгге, был вначале чиновником по сбору податей в родном городе, затем инспектором сухопутных и водяных сооружений в Голландии и умер в Лейдене в 1620 году. Стевин занимает своеобразное место в механике. Язык его прост, ясен, точен, доказательства излагаются твердо и надежно; у него нет свойственной его времени путаницы механических понятий. Мало того, он почти всегда подкрепляет свои положения хорошо придуманными и искусно выполненными опытами. Его называют истым статиком архимедовой школы, причем, говорят, в лице Стевина древняя статика как бы заканчивается - открытием закона наклонной плоскости и исследованием давления жидкостей.
Занимаясь изучением силы тяжести, он вывел следующее положение: два груза, расположенные на двух наклонных сторонах треугольника, находятся в равновесии, если отношение их равно отношению этих сторон. Если одну из сторон принять вертикальной, то соответствующий ей груз будет действовать всей своей тяжестью, из чего опять следует: для поддержания груза на наклонной плоскости нужна тяжесть, относящаяся к грузу, как высота наклонной плоскости относится в ее длине.
Положение о равновесии воды в сообщающихся трубках Стевин прямо выводит из зависимости давления на дно от площади давления и высоты уровня. С другой стороны, он пользуется фактом равной высоты уровня в сообщающихся трубках разной ширины как опытным доказательством справедливости своего закона. Архимедовское учение о плавающих телах он расширяет общими положениями, что при равновесии центр тяжести плавающего тела должен лежать вертикально под воображаемым центром тяжести вытесненной массы жидкости и что равновесие тем устойчивее, чем глубже первая точка лежит под второй.
Дж. Б. Бенедетти (1530–1590) был в большей степени динамиком, чем статиком. Он проявляет некоторое знание инерции тел не только в состоянии покоя, но и при движении. Его представление о силе остается еще вполне аристотелевским, но Бенедетти утверждает, вопреки Аристотелю, что брошенный камень скорее задерживается, чем толкается вперед воздухом, и что движение камня, после того как он отделился от бросающей руки, зависит от известной стремительности, сообщенной ему первоначальной силой. При естественном движении (свободном падении тел) стремительность эта постепенно нарастает, так как постепенно усиливается ее причина, именно стремление тел к указанному им природой месту. Поэтому тела падают все быстрее и быстрее по мере приближения к земле.
Наконец, Бенедетти решил спорный вопрос XVII века - задачу о косом рычаге, следующим положением: движущая сила любой тяжести узнается по длине перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию наклона силы. Это положение содержит ясное определение того, что мы теперь называем моментом силы.
Бенедетти, венецианец по рождению, принадлежал к талантам, развившимся рано и притом совершенно самостоятельно. Он сам рассказывает о себе, что никогда не обучался в школе, а только прочел четыре книги Евклида под руководством Тартальи. Дальнейшее свое образование он уже продолжал самостоятельно и, несмотря на это, на 23-м году жизни опубликовал замечательное сочинение, в котором показал, как можно решить все задачи Евклида при посредстве одного циркуля. Главный труд, в котором он изложил свои физические взгляды, появился под конец его жизни и не обратил на себя заслуженного внимания, ибо Бенедетти был отъявленным врагом Аристотеля. Умер он в звании математика герцога Савойского.
Тихо Браге (1546–1601) был исключительно астрономом, но у него имеются две работы, относенные в то время к физическим. Это его теория комет и наблюдение над астрономической рефракцией.
До него кометы считались атмосферным явлением и относились к области физики. Тихо Браге, наблюдавший комету 1577 году, не мог при самом тщательном измерении найти параллакса. Так как он при точности своих инструментов определял параллакс в 2’, то и решил, что расстояние до этой кометы в 28 раз больше расстояния до Луны, и с уверенностью исключил ее из числа атмосферных явлений. Что касается астрономической рефракции, которая была известна гораздо раньше, но не принималась как следует в расчет, то Браге впервые стал ее учитывать при своих наблюдениях и жестоко осуждал другие обсерватории, которые этого не делали. Впрочем, хотя он составил таблицы астрономической рефракции на основании своих наблюдений, его оптические взгляды, по-видимому, были не из самых верных. Он утверждал, например, что рефракция прекращается на высоте 45° над горизонтом и бывает различна для различных светил, Солнца, Луны и т. д.
Джамбатиста Дел да Порта (1538–1615) - одна из любопытнейших личностей XVI века. Он был богатым итальянским аристократом, который при своих разнообразных занятиях производил скорее впечатление любителя физики, чем настоящего физика. Он некоторыми чертами напоминает Плиния: так же любознателен и неутомим в собирании сведений, и так же легковерен и пристрастен к чудесному. Большую часть жизни провел в путешествиях, везде старался узнать что-нибудь новое, завязывал знакомства со знаменитостями, изучал древних натуралистов и, наконец, в обширном компилятивном труде свел всё приобретенное. Но Порта сильно отличается от обыкновенного компилятора: он был мастером производить опыты, и потому смог обогатить различные отделы физики новыми открытиями. Зато ему недоставало строгого аналитического ума и математического образования.
Вопреки духу времени, он ничего не сделал для механики. Даже в отношении опытов следует остерегаться излишней доверчивости, так как Порта нередко описывает вещи, которых сам не делал.
Главный его труд - «Естественная магия».
Он предлагает проводить воду через горы посредством сифона: нужно проложить через гору трубу и снабдить ее, для наполнения водою, кранами на обоих концах и на верхушке. Мысль его угадать нетрудно, но если бы он хотя бы раз попробовал применить своей проект к горе высотою более 10 метров, то, пожалуй, еще раньше Галилея открыл бы, что «боязнь пустоты» имеет свои пределы.
Или, например, он описывает лампу, придающую всем присутствующим лошадиные головы, или способ определения целомудрия женщины посредством магнита. Несмотря на обилие чепухи или, может быть, именно поэтому, сочинение Порты имело громадный успех. Оно было переведено на итальянский, французский, испанский и арабские языки. Второе издание было значительно расширено против первого и содержало меньше фантастических опытов, вследствие чего оно и пользовалось гораздо меньшим успехом.
Важнейший отдел «Естественной магии» посвящен оптике. Здесь есть описание камеры-обскуры в простейшем ее виде. Порта указывает, что если проделать в ставне темной комнаты маленькое отверстие, то на противоположной стене будут рисоваться внешние предметы, освещенные солнцем, в их естественных красках, но в обратном виде. Этот опыт он не выдает за свое собственное открытие, что, конечно, правильно, так как он был известен еще раньше, не говоря уже о том, что он подробно описан у Леонардо да Винчи.
Зато во втором издании находится описание усовершенствованного опыта, который заставляет признать Порту изобретателем нашей камеры-обскуры (хотя, правда, еще не в портативной форме). Описав известное уже нам приспособление, Порта продолжает:
«Я хочу открыть тайну, о которой до сих пор имел основание умалчивать. Если вы вставите в отверстие двояковыпуклую чечевицу, то увидите предметы гораздо яснее, так ясно, что вы будете узнавать в лицо гуляющих на улице, как будто бы они находились перед вами».
Свое открытие Порта переносит на глаз и зрение; он называет глаз камерой-обскурой, зрачок отверстием, пропускающим свет, а хрусталик (странная ошибка со стороны человека, который учит вставлять двояковыпуклое стекло в отверстие ставни) - ширмой, воспринимающей изображения. Порта, по-видимому, не слыхал о Мавролике, который раньше, чем он, дал этому объяснения; иначе он не говорил бы, что дальнозоркость происходит вследствие слишком сухого и твердого, а близорукость - вследствие слишком влажного и мягкого хрусталика при соответственно слишком узком или широком зрачке. Всего любопытнее у Порты решение вопроса о едином видении двумя глазами; подробно изложив все существующие на этот счет гипотезы, он кратко указывает, что мы во всех случаях видим только одним глазом, притом правым, если предмет находится от нас справа, и левым, если предмет находится слева.
Камера-обскура служит Порте преимущественно для развлечения посетителей. Перед чечевицей в стене он прикрепляет полую бумажную трубку, переднее отверстие которой закрыто тончайшей бумагой; на этой бумаге он рисует различные фигуры и передвигает трубку до тех пор, пока солнце не даст явственного изображения фигур на стене. Движениями трубки он умеет сообщить фигурам такое оживление, что приобретает не совсем безопасную репутацию колдуна. Удивительно, что Порта, вообще не отличающийся излишком скромности, на этот раз не придает надлежащего значения своим опытам, так как не понимает их важности, а потому, собственно, он и не заслуживает звания изобретателя волшебного фонаря.
Еще менее заслужена им слава изобретателя зрительной трубы. Ему приписывают это открытие, покольку в одном месте «Магии» Порта говорит о некоем приборе для глаз. Но сам текст темен. Можно понять, что он имел в виду средство для людей со слабым зрением, а вовсе не зрительную трубу, открывающую новые миры и для вполне нормальных глаз.
Кроме оптических исследований, заслуживают еще внимания опыты Порты над магнитом. Он знает, что разноименные полюса (которые он называет дружественными) взаимно притягиваются, а одноименные (враждебные) взаимно отталкиваются; но вместе с тем он полагает, что магнит одинаково способен и притягивать и отталкивать железо.
Порта, как уже было замечено, - довольно загадочная личность: он хвастлив, относится легкомысленно к истине, верит чудесам без всякой критики, не имеет серьезного научного направления; и несмотря на все это, за ним нельзя не признать известных заслуг. Мы встретились уже однажды с подобным сомнительным характером в лице Кардано, и могли бы познакомиться еще с другим, знаменитым Парацельсом (1493–1541), виртуозом шарлатанства, который, помимо серьезных заслуг перед медициной имеет и перед естественными науками заслугу энергичной борьбы с схоластическим аристотелизмом. Внешняя эффектность с примесью чудесного была, видимо, необходима в эту пору для приобретения ученой славы.
А вернувшись к судьбе Порты, упомянем об ученом обществе, которое он основал в 1560 году в Неаполе, - не потому, что оно заслужило известность какими-либо научными трудами, а потому, что было первым обществом, основанным с исключительной целью содействия развитию естествознания. Эта «Академия тайн природы» не успела, однако, раскрыть никаких тайн, потому что когда Порта должен был явиться на суд инквизиции по обвинению в колдовстве и чародействе, она прекратила свое существование и уже не смогла вновь собраться после освобождения своего основателя.
В конце XVI века, в то время, как в Оксфорде всякий магистр или бакалавр должен был платить 5 шиллингов штрафа за малейшую погрешность против Аристотеля, Пикколомини (1597) обратился к проблеме свободного падения тел и отверг старое толкование. Он заметил, что Аристотель по отношению к легким и тяжелым телам установил несколько положений, противоречащих опыту, и что его законы для скоростей падающих тел даже прямо неверны, так как вдвое более тяжелый камень не падает вдвое скорее. Это положение еще раньше и весьма основательно опровергал Стевин, указав, что 10 кирпичей одинаковой величины, падающих порознь с одинаковой скоростью, не станут падать в 10 раз скорее, если их бросить связкой.
Галилео Галилей (1583) наблюдает в Пизанском соборе качание люстры. В 1590 году своими опытами над падением тел с наклонной башни в Пизе он доказал, что скорость падения тел не находится в прямой пропорциональной зависимости от их тяжести.
В XVI столетии, как мы видели, Европа вполне успела освоиться с византийской наукой, которую ученые XIX века назвали древней. Всё из византийских достижений, что не погибло безвозвратно, было разыскано и стало общедоступным благодаря переводам и пояснениям, и это отличительная черта рассмотренного нами века. Однако в собственно физике существенных успехов еще незаметно.
Только в XVII веке Европа твердо вышла за рамки канонизированной византийской науки, признав экспериментальный метод истинным физическим методом.
На рубеже XVI и XVII веков физика вызывала довольно большой интерес. Даже математики интересовались опытными исследованиями, и если не производили их сами, то, во всяком случае, побуждали к ним других. Физиков в нашем смысле слова, то есть людей, методически занимающихся экспериментальным исследованием природы, в ту пору еще не существовало. Для проведения таких работ, вообще говоря, нужны какие-то общие воззрения, на основе которых можно было бы строить гипотезы и проверять или исправлять их в зависимости от результатов эксперимента. Однако после отказа от принципов натурфилософии Аристотеля никакой методически выстроенной общей системой воззрений физика не обладала.
Физики поступали так. Выдвигался какой-нибудь априорный, не основанный на опыте постулат, из него делались выводы, а затем эти выводы и проверялись на опыте. Галилей шел именно по этому пути. Тот же принцип работы был у Декарта, система которого построена вполне априорно. На таких соображениях основан Декартом, например, закон преломления и отражения, которым он воспользовался для создания математической теории радуги.
Между тем, после того, как учение Аристотеля о субстанциальных качествах было отвергнуто, опять встал вопрос об устройстве мира. Можно было вернуться к идее атомизма и попытаться объяснить все явления природы непосредственным механическим действием мельчайших частиц материи. Но эти частицы оставались невидимыми, чисто умозрительными. В ученых спорах отрицалась возможность непосредственного действия одного тела на другое на расстоянии, без промежуточной материи; чтобы выйти из тупика, допускалось существование кроме осязаемой материи еще и неосязаемой, обусловливающей световые, электрические и магнитные явления. Физики тщились разрешить все эти вопросы и сильно расходились в своих мнениях.
Рене Декарт (1596–1650), сначала допускавший существование пустого пространства, впоследствии отверг эту гипотезу и предположил существование трех различных элементарных веществ, сплошь заполняющих пространство. Напротив, Пьер Гассенди (1592–1655) предпочел держаться старых теорий Демокрита и Эпикура. Его сочинения, обнаруживающие глубокие знания, пользовались значительным влиянием у современников.
Дискуссии о пустоте приняли совершенно иной характер, когда в орбиту внимания физиков вошел вопрос о барометрической пустоте. Ученик Галилея Торричелли (1608–1647) указал, что воздух обладает весом и оказывает давление. Декарт согласился с этим мнением, Паскаль попытался в своих «Новых опытах относительно пустоты» (1647) доказать, что верхняя часть барометрической трубки, не заключающая в себе никакого вещества, должна считаться за пустоту. Уже в следующем году он мог сослаться на опыты, произведенные на горе Пюи-де-Дом, которые доказывали, что колебания уровня ртути в барометре находились в зависимости от давления воздуха.
Опытные исследования на Пюи-де-Дом имели кардинальное значение для перехода к систематическому изучению природы. Доказательство тяжести воздуха, открытие способа измерения атмосферного давления и изучение его колебаний, а также основной закон гидродинамики, установленный Торричелли, существенно дополнили открытые Галилеем принципы механики. Они неминуемо вели к возникновению настоящей опытной физики, а исследователи были уже подготовлены к ней учением Декарта.
Интересно, что этот новый путь опытного исследования был уже указан Френсисом Бэконом (1561–1626). Произведения этого английского лорд-канцлера оказали большое влияние на научную мысль, хотя ему и не удалось достичь реальных позитивных результатов. К сожалению, он недооценивал значение математики для физики, отвергал систему Коперника, игнорировал открытия Кеплера и т. д. Несмотря на вражду к Аристотелю, поддавался влиянию схоластического мировоззрения. У него не было дарования к совершению новых открытий, а пытаясь применять свой собственный метод опытного исследования, он, похоже, сам не понял его значения. А как писал Декарт, никакой метод не может рассчитывать на признание ученых, если основательность его не доказана на деле.
Вот почему, несмотря на все свои старания, Бэкон не сделался для ученых ни руководителем, ни передовым человеком. Он дал себе совершенно правильное название: трубач, герольд. Он только призывал к открытию истины. Но и в этом он был силен главным образом потому, что волею судеб оказался не скромным университетским преподавателем, а блестящим политиком, лорд-канцлером.
Даже после Бэкона, вплоть до середины XVII столетия опытный метод существовал только в теории. Ученые делали свои заключения большею частью априорно и с помощью математики. Это обусловило разрыв между сведениями, добытыми исключительно путем наблюдений, и полученными в результате умозаключений. Наука как бы распалась на две совершенно независимые сферы, и успехи, достигнутые в одной из них, нисколько не воздействовали на открытия, совершаемые в другой. Вся промежуточная область была не заполнена, и разум человеческий не мог здесь придти ни к каким сколько-нибудь окончательным результатам.
Итак, характерные черты XVII века - любовь к эксперименту и классификациям, а также строгий и сухой рационализм на фоне продолжающей править бал схоластики.
С именем Галилея, прожившего 78 лет, из них 42 года - в XVII веке, в значительной мере связан прогресс в развитии всех прикладных оптических исследований, от применения телескопа и до применения микроскопа.
Первая зрительная труба появилась на рубеже XVI и XVII веков в Голландии, о чем сообщил в 1608 году очковых дел мастер Липперсгейм. Известие о его изобретении побудило Галилея через год в Падуе построить свой телескоп и тем самым положить начало современной астрономии. Разработкой же собственно теории этого инструмента и практике его применения занимался не только Галилей, но и в основном Иоганн Кеплер.
Изобретение зрительной трубы в начале XVII века было вполне естественным, а ее быстрое распространение и блестящие результаты, полученные при ее помощи, свидетельствуют о своевременности открытия. Напротив, микромир никого не привлекал в эту пору, и микроскоп можно назвать преждевременным изобретением. Использовать его наука не сумела.
И этому нисколько не противоречит тот факт, что изобретение зрительной трубы относят обыкновенно к 1608 году, а микроскопа к 1590 году, на 18 лет раньше. Дело в том, что 1608 - это год обнародованияизобретения зрительной трубы, а 1590 - действительно год изобретениямикроскопа.
Кроме того, последняя дата не вполне достоверна.
Наши знания о первом микроскопе основаны на сообщении голландского посла В. Ф. Борееля (1655), который слышал, что его прежний товарищ детства в Мидельбурге, оптик Захарий Янсен, вместе со своим отцом устроил первый микроскоп. Изобретатели представили прибор эрцгерцогу Альбрехту австрийскому, а он подарил его Дреббелю, у которого посол и видел микроскоп в 1619 году. О том же сообщал и сын Захария Янсена. Так как фактов, опровергающих эти данные, нет, приходится признать 1590 год годом изобретения микроскопа. Во всяком случае, передача микроскопа эрцгерцогу должна была произойти после 1596 года, так как только тогда Альбрехт вступил в Брюссель в качестве генерал-губернатора; притом не подлежит ни малейшему сомнению, что до всеобщего сведения микроскоп дошел позже зрительной трубы.
Мы знаем, что Сенека заметил увеличительную способность стеклянных сосудов с водой; что Альгазен говорил об увеличениях, получаемых с помощью сферических поверхностей, а Роджер Бэкон и Порта с увлечением описывали свойства стеклянных полированных чечевиц. Но никому из прежних естествоиспытателей не приходила мысль применить чечевицы для наблюдения мельчайших предметов, недоступных простому глазу.
Название микроскоп, прямо указывающее на такую цель, обязано своим происхождением Десмикиану, члену основанной в 1603 году академии «Dei Lyncei» (то есть рысеглазых). Но собственно микроскопические наблюдения с научной целью были начаты Гуком, Левенгуком и Гартсекером только около 1670 года, хотя, впрочем, уже Стеллути в 1625 году рассматривал под микроскопом части пчелы.
Все эти ученые пользовались еще простым микроскопом. Левенгук употреблял маленькие стеклянные чечевицы, увеличивавшие в сто шестьдесят раз, Гук - стеклянные шарики, а Гартсекер сам плавил для себя подобные шарики над лампой. Еще проще был водяной микроскоп С. Грея 1696 года, где капля воды, взятая на кончик иглы, помещалась в маленькое отверстие металлической пластинки и сама собой превращалась в увеличительное стекло.