Оцените, до какой же степени было затруднено исследование микромира с помощью таких шариков, и как велика была наблюдательность, например, Левенгука, открывшего при помощи подобного инструмента инфузории, семянные тельца и так далее! Ведь согласно исчислению Гюйгенса, шарик увеличивает только в сто двадцать раз. Продолжительное применение столь простых микроскопов показывает, что потребности в них были минимальны даже в XVII веке, а позднее начало научных исследований служит признаком того, что в это время вообще не нуждались еще в микроскопе.
Знаменитый Гюйгенс, несмотря на то, что он был голландцем, полагает, что микроскоп был изобретен не ранее 1618 года и впервые продемонстрирован у Дреббеля в Англии в 1621 году. Однако Галилей уже в 1612 году устроил микроскоп и послал его в дар королю Сигизмунду польскому. Это, очевидно, не вызвало ничьего внимания, так как Гюйгенс в подтверждение своей точки зрения указывает, что итальянец Сиртури, писавший в 1618 году о зрительных трубах, не упоминает еще о микроскопе.
Поговорим же подробнее о телескопе и микроскопе Галилея.
Как только профессор физики и военного дела Галилео Галилей узнал о появлении нового прибора - зрительной трубы, он сразу решил применить его для астрономических наблюдений. Он уже в то время был убежденным последователем Коперника. Он в это время занимался движением маятника и связанной с этим проблемой свободного падения тел, и получал результаты, в общем, противоречащие учению Аристотеля. И вот, за несколько дней наблюдения звездного неба в телескоп он увидел достаточно для того, чтобы полностью опровергнуть всю картину мира Аристотеля.
Луна не выглядела совершенной сферой, Венера, как и Луна, имела фазы, Сатурн оказался разделенным на три планеты. Галилей также заметил, что вокруг Юпитера вращаются три звезды или луны, то есть миниатюрная система Коперника, которую каждый смотрящий в телескоп мог увидеть своими глазами. Он обнаружил также, что Солнце вращается вокруг своей оси, и на его поверхности имеются пятна. Кроме того, поверхность Луны оказалась гористой, а сама Луна совершала видимые периодические колебания вокруг центра, как маятник. Галилей обнаружил огромное количество звезд, невидимых невооруженным глазом или даже с помощью зрительных труб. Кажущийся туманностью Млечный путь также оказался состоящим из отдельных звезд.
В 1610 году Галилей опубликовал труд «Звездный вестник». В нем он сжато и ясно излагал свои наблюдения. Книга вызвала сенсацию, и надо сказать, что многие открытия Галилея получили признание в церковных кругах, а папа Урбан VIII считал его своим другом. Однако доминиканцы и иезуиты оказались сильнее папского покровительства: по их доносу в 1633 году Галилей был предан суду инквизиции в Риме, и чуть было не разделил участь Джордано Бруно. Лишь ценой отречения от своих взглядов он спас себе жизнь; учение о движении Земли было объявлено ересью.
Но его «Звездный вестник» послужил могучим стимулом к созданию разнообразных конструкций телескопов и других оптических приборов. Путем логических рассуждений он сам пришел к выводу о необходимости сочетания в телескопе выпуклой и вогнутой линзы для получения искомого эффекта увеличения. Он первым понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть различным. Галилей усовершенствовал технологию изготовления линз, что позволило ему создать инструмент, увеличивающий в 32 раза, в то время как все существовавшие до него зрительные трубы давали увеличение лишь в 3–6 раз.
Галилею также принадлежит приоритет в конструировании микроскопа, который он создал, подбирая соответствующее расстояние между линзами, при котором оказывались увеличенными не удаленные, а близкие предметы. О наблюдениях насекомых имеется запись от 1614 года, а в 1624 году он посылает сконструированный им микроскоп Федерико Чези с описанием наводки на резкость.
После смерти Галилея должность придворного математика герцога тосканского получил его ученик Эванджелиста Торричелли. Научившись у своего великого учителя искусству шлифовки линз, он стал искать ответ на вопрос: как проверить точность изготовления линз? Так как в первой половине XVII века еще не были известны явления интерференции и дифракции, то результат работы шлифовальщиков целиком зависел от случая. В 1646 году им была сделана линза диаметром 83 мм, которая и сейчас относится к классу современной точной оптики. Письма Торричелли, датированные 1644 годом, доказывают, что это не было случайностью. Он писал:
«В конце концов… изобретение, касающееся стекол, у меня в руках… За несколько последних дней я один обработал шесть стекол, из которых два не уступали наилучшему из тысячи стекол, сделанных за тридцать лет Фонтаной» ( линзы неаполитанского мастера-оптика были самыми совершенными в то время).
Хотя Торричелли так и не открыл свой секрет и не опубликовал ни одной работы по оптике, полагают, что он заметил интерференционные кольца, возникающие при притирке линзы с поверхностью формы, и использовал их для оценки качества обрабатываемой поверхности. Заметим, что когда он умер, официальным открывателям этих «колец Ньютона» Роберту Гуку и Исааку Ньютону было 12 и 5 лет соответственно.
Кроме изготовления зрительных труб и телескопов, Торричелли занимался конструированием простых микроскопов, состоящих всего из одной крошечной линзы, которую он получал из капли стекла, расплавляя над пламенем свечи стеклянную палочку. Подобно тому, как в руках Галилея телескоп обнаружил тайну звезд, микроскоп в руках исследователей XVII века открыл двери в мир бесконечно малого. Насекомые, части растений, бактерии - все это стало предметом исследования и привело к быстрому расцвету соответствующих дисциплин.
А фундамент современной научной оптики линз заложил выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер, родившийся в 1571 году. При точном расчете оптимальных линз для любых целей надо знать правильный закон преломления света в стекле. Этот закон еще не был известен; конечно, не знал его и Кеплер (он ошибочно полагал, что отношение угла падения к углу преломления есть константа). И все же он придумал такие системы линз для телескопов, что даже в наши дни кеплеровский окуляр находит применение в оптических приборах.
Помимо интенсивных занятий астрономией, он изобретел зрительную трубу, состоящую из двух положительных линз (телескоп Кеплера) с большим полем зрения и промежуточным перевернутым действительным изображением, в плоскости которого можно располагать визирующее устройство. Это превратило телескоп из инструмента наблюдательного в инструмент измерительный.
Он первым применил камеру-обскуру для наблюдения солнечного затмения, установив, что форма изображения на стенке камеры не зависит от формы отверстия. В 1604 году Кеплер написал «Дополнение к Виттеллию», в котором четко описывает перевернутое изображение на сетчатке глаза, завершив исследования Альхазена и Леонардо да Винчи в области физиологии зрения.
Его главным трудом по оптике стала «Диоптрика», написанная всего за два месяца в 1610 году, под впечатлением открытий Галилея. Здесь он дал начала анализа и синтеза оптических систем, а также все основные понятия геометрической оптики. Этот выдающийся труд, и все остальные работы, в том числе знаменитые законы для гелиоцентрической системы Коперника, он создавал в тяжелейших материальных условиях.
Таким образом, в первом десятилетии XVII века Кеплер научно объяснил ряд оптических явлений (отражение, преломление), ввел понятие фокуса и дал глубокий анализ механизма зрения.
Преломлением света Кеплер занялся в связи с астрономическими проблемами. Он заметил, что если падающий луч образует с перпендикуляром угол не более чем 30°, то преломленный луч идет под углом, не превышающим 20°. Он заметил также следующее: когда свет проходит из среды более плотной в менее плотную, угол, на который отклоняется преломленный луч (по отношению к перпендикуляру), возрастает с увеличением угла падения до тех пор, пока не оказывается параллельным преломляющей поверхности.
Анастасиус Кирхер (1601–1680) на основании большого числа опытов составил таблицу углов падения и соответствующих им углов преломления, вплоть до одной минуты, используя в основном прозрачные жидкости и твердые тела. Описывал он также ход лучей из воздуха в воду, из воздуха в вино и из масла в стекло.
Правильный закон преломления был открыт Снеллиусом (1591–1626), профессором математики Лейденского университета. Но хотя после тщательных экспериментальных исследований он и открыл этот закон, при жизни Снеллиуса он опубликован не был, и впервые стал известен в 1637 году благодаря Рене Декарту. С открытием закона Снеллиуса оптика стала неразрывной частью геометрии, что должно было бы привести к созданию совершенных телескопов. Однако действующие телескопы оставались с дефектами, в частности, свет от звезд, проходя через них, окрашивался по краям, - возникали ореолы вокруг наблюдаемых объектов.
Декарт не только, вслед за Кеплером, подробно исследовал строение глаза, но и уточнил формулировку закона преломления, получив этот закон чисто математически независимо от Снеллиуса. В практической оптике он усовершенствовал конструкцию микроскопа (осветительное зеркальце, конденсор), предложил методы центрирования и обработки асферических поверхностей.
Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света; в последующем они оформились в две конкурирующие теории: корпускулярную и волновую теории.
Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом некоторые считали, что светящимся телом излучаются некие лучи. Эта точка зрения в XVII веке, оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.
Но было и другое мнение. Теория Аристотеля считала свет распространяющимся в пространстве (в среде) действием или движением. Это мнение Аристотеля мало кто разделял, но к середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых подошел к теории волновой природы света чешский ученый Марци. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 году он открыл явление дисперсии света.
Со временем образовалось две противоположные теории света: корпускулярная и волновая. Для развития корпускулярной была более благоприятная почва. Действительно, в рамках геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории. И общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией.
Но в это же время начинает развиваться и представление о волновой природе света, и родоначальником этой теории можно считать Декарта.
Ф. М. Гримальди (1618–1663) заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое им явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что это явление противоречит закону прямолинейного распространения света, а вместе с тем и корпускулярной теории, но не решился полностью отказаться от нее. Гримальди приписал наблюдаемые им явления волновым колебаниям, подобным ряби на воде или звуковым колебаниям, причем различные цвета имели различную длину волн, подобно музыкальным звукам.
К 1642 году - году смерти Галилея и рождения Ньютона, классическая картина мира была разрушена, и вскоре ее место заняли начальные положения новой. Ньютон разработал фундаментальные концепции новой картины мира, позже названной классической. Не менее значительны были и его открытия в оптике. Уже в 26-летнем возрасте он стал преемником своего учителя Барроу в качестве профессора кафедры математики, и его первые лекции касались оптики. В них он изложил свои открытия и набросал корпускулярную теорию света, согласно которой свет представляет собой поток частиц, а не волны, как утверждали Гюйгенс и Гук.
Ньютон считал свет истечением неких световых частиц - корпускул разного размера, которые производят различные колебания в эфире, заполняющем всю Вселенную.
Другой теории света придерживался Гюйгенс. В 1690 году он издал «Трактат о свете». Гюйгенс выдвигал волновую теорию света, но, в отличие от Гримальди, он и его последователи полагали, что волны образует не сам свет, а светоносный эфир. Обе теории - корпускулярная и волновая - имели своих последователей.
Благодаря блестящему сочетанию экспериментальной техники и логики Ньютон смог доказать, что цвета создаются не призмой или радугой, а являются компонентами обычного белого цвета. Его авторитет задержал решение этой проблемы примерно на 80 лет.
Примерно в те же годы интерференцию света исследовал английский физик Роберт Гук. Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Гук подошел к изучению этих явлений с той точки зрения, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.
Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции.
Скорость света была впервые определена датским астрономом Ремером в 1676 году. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика, другие же, хотя и считали ее очень большой, но тем не менее конечной. Ремер подтвердил второе мнение. Он правильно связал нерегулярности во времени затмений спутников Юпитера со временем, которое необходимо свету для прохождения по диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. Он впервые сделал вывод о конечной скорости распространения света и определил ее величину. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300 870 км/с в современных единицах.
ИСТОРИЯ АСТРОНОМИИ
Итак, если угодно, предположим, что вся материя, из которой Бог создал видимый мир, была сначала разделена им на части, сколь возможно равные между собой и притом умеренной величины, т. е. средней между различными величинами тех, что ныне составляют небо и звезды. Предположим, наконец, что все они стали двигаться с равной силой двумя различными способами, а именно каждая вокруг своего собственного центра, образовав этим путем жидкое тело, каковым я полагаю небо; кроме того, некоторые двигались совместно вокруг нескольких центров, расположенных в универсуме так, как в настоящее время расположены центры неподвижных звезд; скорость, с которой они были движимы, была умеренная, иначе говоря, Бог вложил в них все движение, имеющееся в мире и ныне.
Астрономия возникла в глубокой древности. Сначала, может быть, на небо смотрели без интереса, но в некий момент люди стали искать в небесных явлениях какой-либо смысл. А кстати, расширение кругозора за счет вовлечения в разговор звездных событий способствовало развитию речи. И практический смысл тоже был: наблюдая за небесными светилами, можно определять направления как на суше, так и на море, а запоминание небесных явлений, происходящих периодически, привело к началу измерения времени и установлению системы календаря.
Так стало возможным предвидение сезонных явлений, что оказалось важным для практической деятельности, и в результате астрономия с самого начала своего развития приобрела религиозный и прикладной характер. Первые «каменные календари», где отмечались точки восхода и захода Солнца в дни равноденствий и солнцестояний, датируются каменным веком (Стоунхендж в Англии, «каменные сундуки» в Хакассии, «обсерватории» в Армении и т. д.).
Большое количество текстов, посвященных астрономическим наблюдениям, найдено в Египте, где по наблюдениям звёзд определяли периоды весенних разливов Нила, обусловливавших сроки земледельческих работ.
Китайские авторы относят возникновение астрономии как науки ко второму тысячелетию до нашей эры. Однако в Китае нет астрономических документов того времени. Астрономические знания Китая дошли до нас в очень неполном и часто искажённом виде. Они состояли в определении времени и положения среди звёзд точек равноденствий и солнцестояний и наклонения эклиптики к экватору.
В Аравии, где из-за дневной жары многие работы совершались по ночам, существенную роль играли наблюдения фаз Луны.
В Византии, где было развито мореплавание, и вопросы ориентирования были крайне актуальными, в особенности до изобретения компаса, получили развитие способы ориентирования по звёздам.
Наукой астрономия стала лишь тогда, когда от разрозненных сведений о небе перешли к их систематическому изучению, стали исследовать как особую часть природы, вне зависимости от того, нужно это для хозяйственной деятельности или нет.
Календари человечества
Мы настолько привыкли к календарю, что даже не отдаем себе отчета в том, как велико его значение в нашей жизни. Без упорядоченного счета времени никакая культура невозможна!
Календарем называют определенную систему счета продолжительных промежутков времени с подразделениями их на отдельные более короткие периоды (годы, месяцы, недели, дни). Само же слово календарь произошло от латинских слов caleo - провозглашать, и calendarium - долговая книга. Первое напоминает о том, что раньше людям публично сообщали о начале нового момента в отсчете времени; иногда даже о начале каждого нового часа. Понятно, что это имело смысл только в крупных населенных пунктах, то есть уже при достаточном уровне развития общества. Второе значение показывает, что начало месяца или года было и временем расчетов, что имело смысл в еще более развитом обществе. Конечно, латинское название сравнительно молодое, но оно продолжает определенные исторические традиции.
Понятие времени появилось из наблюдения изменений, которым подвержены все окружающие нас материальные тела. А измерять промежутки времени оказалось возможным, сопоставляя эти изменения с явлениями, повторяющимися периодически. Таких явлений в окружающем нас мире несколько: смена дня и ночи, изменение фаз Луны, и, наконец, вращение Земли вокруг Солнца. Кажется, что здесь нет никаких проблем. Но они есть, и очень большие!
Во-первых, сутки (вращение Земли вокруг своей оси), месяц (вращение Луны вокруг Земли) и год (вращение Земли вокруг Солнца) несоизмеримы друг с другом, то есть большее нельзя поделить на меньшее без остатка. А во-вторых, трудно придумать систему, которая, с одной стороны, согласовывала бы все эти несоизмеримости, а с другой - была бы достаточно простой и понятной для большинства. Ведь календарь делается для народа, для его пользования. В развитии календаря находит отражение условия хозяйственного уклада народов. Как решалась эта проблема - и есть история календаря. Попытки согласовать между собой сутки, месяц и год привели к появлению трех видов календарей. Это: лунные календари, основанные на движении Луны и созданные с целью согласовать течение суток и лунного месяца; лунно-солнечные, согласующие между собой все три единицы времени; и солнечные, в которых приблизительно согласовываются сутки и год.
Сутки - единица измерения времени, равная 24 часам, это всем известно. Однако не все знают, что различаются звёздные сутки, - они равны периоду вращения Земли, отсчитываемому относительно точки весеннего равноденствия, и солнечные сутки - это период вращения Земли относительно Солнца.
Звёздные сутки равны промежутку времени между двумя последовательными верхними (или нижними) кульминациями точки весеннего равноденствия. Момент верхней кульминации этой точки считается за ноль часов звёздного времени. В зависимости от того, какую точку весеннего равноденствия при этом принимают - истинную (когда рассматривается движение этой точки вследствие прецессии и нутации) или среднюю (только вследствие прецессии ), различают истинные и средние звёздные сутки.
Вследствие прецессионного движения точки весеннего равноденствия средние звёздные сутки на 0,0084 секунды короче действительного периода вращения Земли. Продолжительность истинных звёздных суток непостоянна и непрерывно изменяется вследствие нутации. Звёздные сутки неудобны для измерения времени на практике, так как они не согласуются с чередованием дня и ночи. Поэтому в обиходе приняты солнечные сутки, составляющие промежуток времени между двумя последовательными полуднями (или полуночами). Однако вследствие эллиптичности земной орбиты и наклона эклиптики к экватору продолжительность истинных солнечных сутокнепостоянна и в течение года меняется от 24 часов 3 минут 36 секунд (в середине сентября), до 24 часов 4 минут 27 секунд (в конце декабря) звёздного времени. Для устранения такой неравномерности пользуются средними солнечными сутками, равными 24 часам 3 минутам 56,55536 секундам звёздного времени.
Звёздные сутки, так же как и средние солнечные сутки, подразделяются на часы, минуты и секунды; между ними такое соотношение: 1 единица (сутки, минута или секунда) звёздного времени равна 0,9972696 соответствующей единицы среднего солнечного времени.
Итак, год не содержит целого числа средних солнечных суток.
Месяц - промежуток времени, близкий к периоду обращения Луны вокруг Земли. Различают месяцы синодические, сидерические, тропические, аномалистические и драконические. Синодический (от греческого синодос, сближение, тут имелось в виду ежемесячное сближение Луны и Солнца на небе, при этом иногда происходит солнечное затмение) - это период смены лунных фаз. Сидерический (звёздный), в течение которого Луна совершает полный оборот вокруг Земли и занимает исходное положение относительно звёзд. Тропический (от греческого тропос, поворот) - это период возвращения Луны к той же долготе. Аномалистический - промежуток времени между последовательными прохождениями Луны через перигей. Драконический - промежуток времени между последовательными прохождениями Луны через один и тот же узел её орбиты (имеет значение в теории затмений).
В григорианском календаре год делится на 12 месяцев продолжительностью от 28 до 31 суток, не согласованных с фазами Луны.
Год - промежуток времени, близкий по продолжительности к периоду обращения Земли вокруг Солнца. Уже в древности одной из важных задач было определение продолжительности года. Довольно точные значения были известны в Древнем Египте. Византийскому учёному «древнегреческого» периода Гиппарху приписывают определение года равным 365 1/4 дня без 1/300 дня, что отличается от современных значений года лишь на 6 1/2 мин.
Года, как и месяцы, качественно различаются. Есть год звёздный (сидерический), тропический, аномалистический, драконический. В календаре (старого стиля) применяется юлианский год, сейчас он иногда применяется в астрономии для счисления больших промежутков времени (юлианское столетие равно 36 525 суткам) и григорианский год, который служит основной единицей в григорианском календаре (новом стиле). Лунный год продолжительностью в 12 (или 13) синодических месяцев применяется в лунных календарях.
Теперь можно перейти к истории календаря.
Уже на раннем этапе развития человек использовал природный, фенологический календарь, имевший сугубо местное значение и позволяющий правильно организовать хозяйственную деятельность. Основа его - в наблюдении за растениями, почвой, животными, погодой. Выработанный долгими веками, он сохранял свое место в жизни охотника, скотовода и земледельца даже тогда, когда власть пыталась вводить единую систему счета дней и лет.
В основе лунного календаря - промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны, синодический месяц. Постепенно было установлено, что в лунном месяце 29,5 суток, а чтобы в течение года каждого месяца время точнее совпадало с новолунием, нечетные (пустые) месяцы должны содержать 29, а четные (полные) - 30 суток. Таким образом, лунный год содержит 354 суток, он на 11,25 суток короче солнечного года. Чтобы первый месяц каждого года приходился на новолуние (это одно из требований лунного календаря), в определенные годы в последний месяц добавляют дополнительные сутки. Годы в 355 суток являются високосными.