eng
Выпуск #1/2015
А.Белозёров
К истории современной оптики и роли ГОИ им. С.И.Вавилова в ее развитии в России. Часть I
К истории современной оптики и роли ГОИ им. С.И.Вавилова в ее развитии в России. Часть I
Просмотры: 7316
Оптические процессы интересуют людей много веков и тысячелетий, практические достижения в оптике реально насчитывают 400–500 лет.
О
птика относится к одному из базовых разделов физики и, как все естественные науки, развивалась вместе с человечеством. К науке "оптика" можно отнести множество легко объясняемых бытовых явлений и опытов, основанных, прежде всего, на их простом наблюдении (например, атмосферные явления – радуга, гало, затмения Луны и Солнца), а также результаты длительных астрономических наблюдений, часто требующих выполнения специальных расчетов. Наряду с интересом к выявлению закономерностей движения Солнца появился интерес и к самой природе солнечного излучения. И хотя "оптические" процессы интересуют людей много веков и тысячелетий, практические достижения в оптике реально насчитывают 400–500 лет. Они получены в разных странах и даже на разных континентах на основе накопленного опыта, знаний и созданных первых несовершенных оптических инструментов, чаще всего храмовой (религиозной) направленности и в интересах астрономии (астрономия всегда давала шанс развитию оптики). Развитие ремесел, связанных с созданием отдельных оптических деталей, используемых в быту, способствовало укреплению государственности, укрупнению городов-царств [1].
В античный период человеческого общества (Эллада, Римская империя, Карфаген, Византия) древние философы, определив оптику как науку о свете, были вынуждены дать ответ на вопрос: "а что такое свет?". У многих народов, например египтян, понятия "свет" и "Солнце" были тождественными. Ответ не сводился только к геометрическому показу и демонстрации прохождения световых лучей. При наблюдении и изучении оптических явлений возникли и развивались многие философские категории, например, внешнего и внутреннего, общего и частного, первичного и вторичного, иллюзорного и реального, подобного и противоположного, строились различные теории о природе света. Основные из них [2–4]:
Теория зрительных лучей.
Атомистическая теория – теория так называемых отображений и воздушных отпечатков.
Теория взаимодействия внутреннего света, зрительных и внешних лучей.
Теория посредничества прозрачной среды, имеющая некоторые черты, сходные с волновыми представлениями.
Теория воздушного напряжения, являющаяся вариантом теории зрительных лучей (до предметов доходят не сами лучи, а только их воздействие на промежуточный воздух).
Теория непосредственно психического дальнодействия (телепатия).
Чаще других использовалась "теория зрительных лучей". В течение нескольких веков большая группа философов полагала, что зрительные лучи испускают сами глаза, а не Солнце, затем лучи распространяются по прямым линиям до объекта и создают впечатление видимости к таким философам прежде всего относятся [1–3]. Основатель античной философии и науки Фалес (ок. 625–547 гг. до н. э.), известный математик Пифагор (570–490 гг. до н. э.), Гераклит (544–483 гг. до н. э.), Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.), Архит (428–365 гг. до н. э.), Платон (428–347 гг. до н. э.), Евклид (330–277 гг. до н. э.), Архимед (287–212 гг. до н. э.). Каждый философ[1] более детально излагал свой, часто оригинальный вариант этой теории. Так, Пифагор высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. В качестве доказательства этой теории ученые приводили светящиеся ночью глаза животных. Глаза слепца, по их мнению, не видят по той причине, что не испускают лучей.
Эмпедокл в своих теориях вместо зрительных лучей использовал "сверхтонкие щупальца", исходящие из глаз наблюдателя и "обнимающие" рассматриваемый объект. Он считал белый цвет свойством огня, а черный – свойством воды.
Другая часть мыслителей греческих школ в эти же годы представляла зрение в виде тончайших флюидов, испускаемых от объекта к глазу – Левкипп (500–440 гг. до н. э.) и Демокрит (460–370 гг. до н. э.).
Флюидами из глаза наблюдателя и от внешних источников позднее стали объяснять зрение Эмпедокл и Платон. Эту теорию поддерживали Сократ (469–399 гг. до н. э.), Сенека (4 г. до н. э. – 65), Клавдий Птолемей (ок. 85–165 гг.) и Клавдий Гален (129–201 гг.). Платон полагал, что источник зрения – душа, которая с помощью глаз излучает конусы лучей, освещающие объект. Соединяясь с внешним светом, они создают особое "зрительное тело", простирающееся от наблюдателя до предмета. Эта теория получила название синаугогии [3]. Обратимся к [5]: "Из органов боги, прежде всего, устроили светоносные глаза. По их замыслу, должно было возникнуть тело, которое не имело бы жгучих свойств огня, но доставляло кроткий огонь, свойственный дню. И боги сделали так, что родственный дневному свету огонь, находящийся внутри нас, вытекает очищенным через глаза, которые задерживают грубейшую часть огня". Платон: "Когда дневной свет окружает поток зрения, тогда подобное, исходя к подобному, соединяется с ним и по направлению зрачков образует в связи с родственным одно тело, где бы падающее изнутри не натолкнулось на то, что встречает его извне.". "А когда сродный огонь на ночь отходит, этот огонь глаз обособляется, потому что, исходя к неподобному, он и сам изменяется и гаснет, не соединяясь более с ближним воздухом, так как в нем нет огня" (огню Солнца соответствует кроткий огонь глаз, заходу Солнца – смыкание век на ночь). Известный исследователь зрительных теорий древности академик С. И. Вавилов в своих работах часто цитирует Платона: "Не существует только зрящего или только зримого", "Зримое зрит себя в зрящем, и зрящий есть зримое".
Сам глаз, чтобы видеть, должен быть светлым и солнечным: "Если бы не был глаз солнечным, как мы могли бы видеть свет? Если бы не было в нас собственной божественной силы, как могло бы божественное нас восхищать?" [6].
Цветовая картина окружающего мира есть прямое следствие существования глаза. Глаз оказывается энтелехией[2] физического света: он "формируется на свету для света, чтобы внутренний свет мог встретится с внешним" [6].
Фундаментальной основой этих двух теорий является принцип зеркальности: зрительное восприятие есть проникновение в глаз эйдел[3] либо отражение исходящих из глаз зрительных лучей [3]
По представлению знаменитого римского поэта Тита Лукреция Кара (середина I века до н.э.) видимость материальных тел не бесконечна, ее пределом являются "первичные тельца разной формы" (своего рода флюиды), находящиеся в постоянном движении [7]. Этим объясняются запахи, испарение влаги, формирование зрительных ощущений. В своей поэме [8] Лукреций говорит о корпускулярной природе света. Его частицы – корпускулы "...реют повсюду они, состоя из прозрачной ткани, призраки все, наконец, что являются нам, отражаясь в зеркале, или в воде, или в поверхности всякой блестящей, так как по виду они настоящим предметам подобны, должны из образов быть, что исходят из этих предметов".
Лукреций, Эпикур (ок. 342–271 гг. до н. э.) и Гераклит в своих трудах иногда уходят от метафизических позиций, становясь ближе к материалистическим [7]: "Передача образа от предмета к глазу есть передача света; атомы света "по пути" к глазу могут проходить через воду или стекло, порождая эйделы"; "Свет стремится в темный зрачок, а жар внешнего огня воспринимается холодными водянистыми оболочками глаза, т. е. формирование зрительного образа есть процесс, обусловленный реальностями окружающего мира".
Римский ученый Плутарх (ок. 45 – ок. 127 гг.) объясняет старческую дальнозоркость тем, что область пересечения зрительных конусов из правого и левого глаз, где предмет виден лучше всего, к старости отодвигается от глаз наблюдателя.
В период от 330 до 100 г. до н. э. (в так называемый Александрийский период античности [3]) процветала астрономия и были сделаны крупные астрономические открытия, созданы многие математические законы, построены оригинальные (безлинзовые) визиры, зажигательные параболические зеркала. Александрийские философы, мыслители и ученые – Эратосфен (ок. 276–194 гг. до н. э.), который заведовал знаменитой Александрийской библиотекой, великий астроном Гиппарх (ок. 190–125 гг. до н. э.), Герон (время жизни отнесено ко 2-й половине 1-го века н. э., подробности его жизни неизвестны). Будучи знаменитым оптиком древности, который за 1600 лет до вывода Ферма в 1679 году принципа своего имени, открыл один из основных законов построения оптического изображения [9], – внесли весомый вклад в многовековую разработку теорий зрительного восприятия: это был период становления оптической науки.
Великий философ и мыслитель Аристотель (384–322 гг. до н. э.) вносит материалистические элементы в существующую теорию о природе света: "...свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Свет не является ни огнем, ни теплом в обычном смысле, ни истечением из какого-либо тела, но проявлением огня или чего-то огненного в прозрачной среде" [10].
Выдающимся арабским ученым, известным физиком средневековья Альхазеном (Абу Али Хейсама или Ибн-аль – Хайсам) (965–1039 гг.) был написан знаменитый, почитаемый оптиками всего мира трактат "Оптика тезаурус" ("Сокровище оптики") [1], переведенный на латинский язык лишь в 1270 году. Альхазен описывает строение глаза и с помощью опытов доказывает несостоятельность представлений древнегреческих ученых Платона и Евклида о свете как о лучах, которые выходят из глаза и "ощупывают" предметы. Он выдвинул свою теорию зрения. По Альхазену, "естественный свет и цветные лучи влияют на глаз". Он также считал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза.
Метафизическое представление о природе света было широко распространено. Так, в XVI–XVII веках в Киеве и ряде других городов Украины существовали в качестве культурных центров братства, школы, коллегии (их названия со временем изменялись). В 1701 году Указом Петра I Киевской коллегии были даны права академии.
В 1708 году Феофаном Прокоповичем (1681–1736 гг.) в академии читался двухгодичный курс физики, в котором было представление о свете: "Свет – это блестящий слой сияющих тел, а освещение – это расширение, либо вид или какое-то отображение света, которое также связано с другими вещами. Свет существует на Солнце или в огне, освещение же – в освещенном воздухе. Свет мы не можем видеть. Разве что видим то, что есть освещенность".
Новый курс физики читался в Киевской академии в 1793 году Иренеем Фальковским (1762–1823 гг.). Предмет оптики обозначался так: "Оптика есть наука о зрении предметов посредством лучей, проходящих от оных в глаз по прямой дороге" [1].
Результат размышлений и опытов античных мыслителей и философов привел к созданию ряда моделей зрения [3].
Экстрамиссия. Мы видим потому, что глаза испускают прямые зрительные лучи, охватывают контур зрительным конусом с вершиной в зрачке (Пифагор, Евклид).
Интрамиссия. Все тела испускают летучие образы, которые частично попадают в глаза наблюдателя (Демокрит, Эпикур, Лукреций).
Синаугогия и синестазис. Зрение – комбинация двух факторов: лучей внутреннего огня, бьющих из глаз, и внешнего дневного света. Встречаясь, они создают единое зрительное тело, которое соприкасается с наблюдаемым предметом и передает расположенному за глазом зрительному центру упругое давление (Эмпедокл, Платон).
Актиденция. Зрение порождается возмущением окружающей среды, внешним оболочкам глаза мгновенно передаются ощущения, возникающие при движениях всепроникающей светоносной среды – пеллуцида, прозрачное состояние которого активируется внешним светом, а зрительные образы возникают благодаря цветовым различиям предметов (Аристотель).
Академик С. И. Вавилов (1891–1951 гг.), один из крупных отечественных исследователей истории мировой оптики, отметил, что теория зрительных лучей "вовсе не была никакой ошибкой, она явилась гипотезой, позволившей древним построить геометрическую оптику отражательных поверхностей с правильными количественными выводами, несмотря на отсутствие сведений о глазе" [9].
Даже 300 лет назад, когда ученые и инженеры на практике начали использовать законы оптики (иногда не всегда полностью осознанно) и уже имели множество конструкций очков, зрительных труб, телескопов, природа света оставалась не изученной и световые явления по-прежнему объяснялись на основе примитивных и метафизических представлений о свете.
Следуя идеям Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.) и развивая работы Франческо Гримальди (1618–1663 гг.) и Роберта Гука (1635–1703 гг.), Христиан Гюйгенс (1629–1695 гг.) полагал, что световое возбуждение – это импульсы упругих колебаний эфира. В 1678 году он завершил разработку волновой теории света, которая была опубликована в 1690 году в знаменитом "Трактате о свете" [1]. В нем Гюйгенс пытался дать объяснение известных ему оптических явлений с позиций "подобно волне". Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) в 1704 году возразил ему, что свет распространяется в виде лучей. Это мнение видного ученого-физика имело значительный вес в научных кругах, что на многие десятилетия задержало открытие ряда законов в оптике.
Ньютон давал такие формулировки основных законов и определений оптики [11]:
"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".
"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".
"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. Такие сорта лучей, которые при равных падениях отражаются наиболее обильно или же скорее всех отражаются нацело при возрастающем наклоне лучей, суть лучи наиболее отражаемые".
"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".
"Цвета однородного света я называю первичными, однородными и простыми, цвета же неоднородного света – неоднородными и сложными". "Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости."
"Солнечный свет состоит из лучей, различающихся по отражаемости, причем, более других отражаются те лучи, которые более преломляются".
Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (термин "эфир" для обозначения наделенной механическими свойствами среды – переносчика света и вызывающих в нем колебаний ввел Рене Декарт (1596–1650 гг.). Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок, дифракция света и его дисперсия. Поляризация, согласно Ньютону, – изначальное свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.
Интересный след в оптике оставил Жан-Поль Марат (1743–1793 гг.), деятель Великой французской революции, в жизни – философ, публицист, врач-практик, ученый-физик. Его представления о свойствах света [12] не соответствовали мнению известных ученых того времени. В частности, он критикует доктрину Ньютона о различной преломляемости световых лучей. Ниже приведены несколько выборок из трактата Марата (создается впечатление, что трактат написан только на основе собственного опыта и своих размышлений).
Об источнике света: "Вопрос состоит в том, окружает ли нас свет непрерывно или он порциями испускается светящимися телами. Достаточно поразмыслить о некоторых хорошо известных явлениях, чтобы увериться в том, что он нас окружает непрерывно и в то же время имеет некоторую степень подвижности…".
О движении света: "Без движения, принимаемого или передаваемого, свет не мог бы сообщать органу зрения впечатление об объекте наблюдения – это неоспоримо. Но состоит ли это движение в давлении, оказываемом видимыми телами последовательно, от места к месту, на световые молекулы, или в материальном переносе световых молекул от тел, которые их отталкивают, к телам, на которые они воздействуют? На основе изучения реальных явлений становится ясным, без сомнения, что это движение заключается в материальном переносе: наличие давления, передаваемого от места к месту, от участка к участку, обязательно требовало бы, чтобы молекулы светового флюида составляли непрерывную среду и никакое частичное движение не могло бы иметь места, потому что давление (слабое или сильное) на какую-либо часть этого флюида распространялось бы во всех направлениях".
"Так как свет все время находится в движении и вовсе не испускается светящимися телами, то последние его просто отражают, как и тела непрозрачные; если и имеется какая-либо разница между ними в этом смысле, так она состоит в том, что первые сообщают свету движение, тогда как последние ограничиваются поддержанием его (движения)".
О свойствах света: "Помимо качеств, общих для всех тел, световой флюид имеет свои отличительные качества. В первую очередь, необходимо отметить его крайне тонкую структуру, которая проявляется в той легкости, с которой он проходит через весьма плотные прозрачные тела, в том числе и такие наиболее плотные, как стекло, хрусталь, алмаз и так далее. К его крайней тонкости добавляется исключительная подвижность: мельчайшие по размерам светящиеся тела приводят его в движение, скорость которого восемьдесят тысяч лье в секунду, такая быстрота едва ли укладывается в воображении[4].
В свои свойства наш флюид включает также способность возбуждать особые ощущения: будучи составленным из отдельных частей существенно различного характера, свет может за счет объединения их создавать ощущение белого, их полное исключение образует черное, а каждая из них характеризуется способностью производить ощущение отдельного цвета. Элементарные части, вызывающие ощущение одного конкретного цвета, называются "гомогенными"; части же, способные возбуждать ощущения различных цветов, называют "гетерогенными"; итак, цвета относятся исключительно к свету, а не являются внутренне присущи телам.
По крайней легкости, с которой наш флюид проходит сквозь все прозрачные тела, можно заключить, что все части флюида состоят из дискретных частичек шарообразной формы, а поразительная скорость их движения приводит к выводу, что эти частички сильно удалены друг от друга, т. е. флюид является крайне разреженным".
О средах: "Все пустое пространство и все тела, которые имеют заметное светопропускание, называются "средами", но только те их них, которые воздействуют на свет, именуются "преломляющими средами". Отсюда видно, что это наименование применимо только для сред телесных, твердых, жидких или флюидов; пустота не может оказывать на свет никакого действия. Соответственно своей силе воздействия на свет они называются "средами различной энергии".
"В свободной и однородной среде лучи нормально движутся по прямой линии; но они изменяют направление движения всего в четырех различных случаях: когда они попадают на периферию какого-либо тела; когда они падают на полированную поверхность; когда они наклонно проходят через более или менее преломляющую среду и когда они собираются выйти из среды, более преломляющей, чем та, с которой она граничит. В первом случае лучи изгибаются в некоторой степени у тел, которые им встречаются (рис.1а); во втором случае они отскакивают от поверхности, на которую они падают, образуя угол противолежащий, но равный таковому при их падении, стоит только начертить перпендикуляр к ней (рис.1b); в третьем случае они ломаются на поверхности среды, в которую они входят или из которой выходят, образуя с поверхностью углы, находящиеся в определенном соотношении (рис.1c); в последнем случае они возвращаются назад от границы среды, которую они едва не покинули, следуя по пути, по которому они и следовали бы, если бы они были отражены на границе последней среды (рис.1d)."
Первое из этих измерений называется "отклонением", второе – "отражением", третье – "рефракцией", четвертое – "ретракцией"[5].
От каждого из этих терминов, взятых в качестве корневых элементов, получаются производные: отклоняемость, отражаемость, преломляемость, возвращаемость есть свойства быть отклоненными, отраженными, преломленными или возвращенными.
В соответствии с изменением направления распространения, проявляемом лучами, оптику целесообразно разделить на четыре части:
Пероптрика – изменения направления, которые лучи проявляют, проходя по периферии тел;
Катоптрика – изменение направления при падении на полированные поверхности;
Диоптрика – при прохождении различных сфер;
Опизоптрика – при возвращении лучей в среду, через которую они только что прошли.
Пероптрика (по Жан-Полю Марату) – новая область, которая охватывает его (Марата – авт.) основные открытия и должна рассматриваться как основа всех остальных частей; именно здесь рассматривается множество явлений, бывших ранее неизвестными, именно в ней имеется возможность осветить множество других явлений.
Приведенные выше формулировки световых законов, написанные пером авторитетнейших ученых-физиков, помогают нам понять, как трудно рождается истина.
Корпускулярная теория сохраняла господствующее положение в оптике до начала XIX века, хотя некоторые крупные ученые, в том числе российские академики Леонард Эйлер (1707–1783 гг.) и Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765 гг.) отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света.
Демонстрация Томасом Юнгом (1773–1829 гг.) в 1801 году явления интерференции света стала крупным свидетельством волновой природы света. В 1815 году Огюстен Жан Френель (1788–1827) уточнил принцип Гюйгенса, дополнив его принципом интерференции Юнга. Принцип Гюйгенса – Френеля не только дал возможность объяснения прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления.
Несмотря на еще не завершенную многовековую дискуссию между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света, до конца XIX века на оптических заводах, созданных в Германии, Франции, Англии, а также в российских небольших, часто примитивных, мастерских, были созданы десятки типов оптических приборов военного (зрительные трубы, прицелы, бинокли) и общего, и научного применения (телескопы, проекционные приборы, фотометры, радиометры, "волшебные" фонари и т. п.).
Конструкторы и инженеры-оптики разработали оригинальные технологии изготовления деталей из стекла и кристаллов. Среди них наиболее известен (более 100 лет) и используется до настоящего времени так называемый "метод оптического притира" – весьма простой и достаточно производительный.
В период античности и, особенно, в период ренессанса создавались оригинальные станки для изготовления оптических деталей. Известно, что один из последователей Галилео Галилея (1564–1616) Эванджелиста Торричелли (1608–1647) изготовил по созданной им технологии оптические детали телескопа, которые он смог проконтролировать с высочайшей точностью (интерференционные опыты Ньютона ему не были известны). В 1923 году итальянский ученый-оптик В. Ронки разработал новый метод контроля оптических деталей и систем (метод сдвиговой интерферометрии [14]), с помощью которого осуществил контроль качества поверхности линзы диаметром 83 мм, изготовленной Э. Торричелли (1608–1647 гг.) около 1642 года. Линза поразила ученых высокой степенью совершенства и была отнесена к классу современной точкой оптики. Торричелли умер, так и не открыв своего способа изготовления и контроля линз.
Следует отметить теоретические работы и практические достижения в оптике Рене Декарта (1596–1650), который не только независимо от Виллеброрда Снеллиуса (1580–1623) сформулировал закон преломления лучей света, мог проводить расчеты оптических приборов с гиперболическими и эллиптическими поверхностями, но и научился обрабатывать линзы с асферическими поверхностями (АП). В трактате [13] в разделе "Диоптрика" он приводит чертежи конструкции шлифовального станка для обработки линз с АП (рис.2). Даже в наши дни далеко не все оптики включают (АП) в создаваемые ими оптические приборы из-за технологической сложности их массового изготовления.
Россия подключилась к решению оптических проблем и оценке физических явлений, имеющих оптическую природу, в основном, для военных целей. В Петровский период и к середине 1700-х годов она неплохо преуспела здесь: успешно создавались теоретическая база, основы стекловарения и оптического приборостроения трудами великого русского ученого-первопроходца М. В. Ломоносова, а также ряда ученых-иностранцев, приглашенных на императорскую службу (Иоганн Георг Лейтман (1667–1736), Георг Вольфганг Крафт (1701–1754) и в созданную Петербургскую Академию наук (Леонард Эйлер (1707–1782) и др.), однако сохранить технический, да и научный потенциал России не удалось [1] по ряду причин, главным образом, из-за утраты начавшей создаваться научной школы да и дворянские дети предпочитали военную карьеру и службу Отчизне, но не научную или инженерную[6], а военную (их вклад в укрепление военной славы страны, безусловно, велик).
В части оптики Россия в течение 150 лет "пребывала в анабиозе", но никогда не прекращала, хотя и не форсировала деятельность отдельных энтузиастов и гениев – механиков, часто самоучек, работавших в небольших мастерских (Иван Беляев, Шаппер, Колосов, Иван Беляев-сын, Андрей Нартов, Иван Кулибин, Осип Шишорин, Корнелий Рейссиг, Владимир Гауфман, Семен Трындин, Теодор Швабе, Иван Урлауб) [1].
Гром грянул ожидаемо и в то же время, как всегда, неожиданно: отставшая технически Россия в начале XX века проиграла войну Японии: сухопутные войска и морская армада адмирала Рождественского потерпели поражение в значительной степени из-за отсутствия современных оптических прицельных артиллерийских систем.
К чести Российского правительства и Морского министерства надо отнести ускоренное их вмешательство в организацию оптических производств (как всегда, были и видные противники решения проблемы) с выделением финансирования.
Создание оптических заводских производств опиралось на крупные достижения отечественных ученых – физиков, механиков, кадровых военных специалистов (прежде всего, в ГРАУ и Морском министерстве) в области оптики, исследования которых в XIX и начале XX в.в. обогатили мировую науку и создали научную базу для подготовки инженерного корпуса строящейся Российской оптической промышленности. Среди них В. В. Петров (1761–1834), А. Г. Столетов (1839–1896), П. Н. Лебедев (1866–1912), Б. Б. Голицын (1862–1916), В. Н. Чиколев (1845–1898), Г. И. Вильд (1833–1902), Н. И. Лобачевский (1793–1856), Д.А.Гольдгаммер (1860–1922), А. Н. Крылов (1863–1945), Ф. Ф. Петрушевский (1829–1904), В. Ф. Петрушевский (1829–1891), В. Н. Михаловский (1856–1913), А. Л. Гершун (1868–1915), Я. Н. Перепелкин (1874–1935), С. И. Фрейберг (1887–1957) и многие другие известные ученые.
В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) показал, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Вскоре стало ясно, что для их распространения не нужен и эфир. Уравнения Максвелла стали фундаментом волновой оптики [1].
Несмотря на успехи электромагнитной теории света, к концу XIX века выяснилось, что она недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света.
В 1900 году Макс Планк (1858–1947) пришел к выводу, что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает волновую энергию электромагнитному полю или получает ее от этого поля квантами – порциями. В 1905 году Альберт Эйнштейн (1879–1955 гг.) приписал квантам света – фотонам не только энергию, но также импульс и массу. При поглощении фотона он перестает существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс[7] [1].Развитие идеи Планка привело к решению проблемы теплового излучения и заложило основы квантовой физики.
Работы Планка и Эйнштейна вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Квантовая теория света, объяснив (уже в XX веке) основные законы фотоэффекта, явления фотохимических превращений, взаимодействия света с веществом, эффект Комптона, стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационное рассеяние света, стала крупным вкладом в развитие оптики.
Пройдут еще 100 лет, и в первом десятилетии XXI века российский профессор М. М. Мирошников (род.в 1926) вновь обратится к мировому сообществу ученых-оптиков с предложением необходимости соблюдения и, в отдельных случаях, согласованного уточнения принятой и устоявшейся терминологии в оптике, дуализм которой (волновая природа и корпускулярность) в полной мере проявился в XX веке через "лазерную революцию"[8] и "голографию"[9] и стал рабочим инструментом, а не предметом каких-либо дискуссий неопытных сотрудников.
Весь комплекс оптических наук М. М. Мирошников разделил на базовые части [15] единой науки – оптика:
Волновая оптика – наука, изучающая совокупность явлений, в которых проявляется волновая (электромагнитная) природа света;
Физика фотонов (квантовая оптика) – наука о корпускулярных (квантовых) свойствах света, его микроструктуре;
Иконика – наука об изображении, его качестве и распознавании с учетом законов зрительного восприятия;
Оптотехника (традиционное оптическое приборостроение) – наука о приборах, основанных на волновой оптике;
Фотоника (прикладная) – наука о приборах, основанных на физике фотонов;
Оптическое материаловедение – наука о свойствах и технологиях создания оптических сред с заранее заданными свойствами (стекло, кристаллы, керамика, волоконная оптика т. д.).
В декабре 1918 года в Петрограде был организован Государственный оптический институт (ГОИ), которому в 2014 году исполняется 96 лет. Об истории рождения института и становлении его традиций продолжим рассказ в следующих номерах журнала.
Литература
Белозёров А. Ф. Оптика России. Очерки истории и развития. – Казань: Центр инновационных технологий. 2012–2014, т. 1–3.
Стафеев С. К., Томилин М. Г. Пять тысячелетий оптики: Предыстория. – СПб.: Политехника, 2006.
Стафеев С. К., Томилин М. Г. Пять тысячелетий оптики. Т. 2.: Античность. – СПб: Формат. 2010
Зубов В. П. Античные зрительные теории и вытекающие из них особенности античной оптики. – Из теории мировой науки. Избранные труды. 1921–1963. – СПб.: Алтей, Изд-во С. – Петерб. университета, 2006.
Платон. Диалоги. – М., 1986.
Вавилов С. И. Глаз и Солнце. – М.: Изд-во АН СССР,1961.
Войцеховский А. И. Загадки древних святынь. – М.: Вече, 2005.
Тит Лукреций Кар. О природе вещей. Пер. Ф. А. Петровского. – М., 1958.
Вавилов С. И. Галилей в истории оптики. – Галилео Галилей. 1564–1642. – М. – Л.: Изд-во АН СССР, 1943.
Аристотель. Сочинения; в 4-х т. – М., 1976–1983.
Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях и цветах света. Пер. с третьего английского издания, 1721 с примечаниями С. И. Вавилова. Издание 2-е, просмотренное Г. С. Ландсбергом. – М.: ГИТТЛ, 1954.
Марат Жан-Поль. Элементарные записки по оптике / пер. с фр. В. Г. Вафиади, А. М. Котова. – Л.: ГОИ им. С. И. Вавилова, 1981 (Копия. инв.№ 115195).
Декарт Р. Рассуждение о методе, с приложениями. Диоптрика, метеоры, геометрия. – М.: Изд-во АН СССР. 1953.
Ронки В. Галилей и Торричелли – мастера точной оптики.– Труды ИИЕТ, 1959. Т. 28, с. 276–301.
Мирошников М. М. Слово об оптике. – Оптический вестник, 2009, № 125, с.16–17.
птика относится к одному из базовых разделов физики и, как все естественные науки, развивалась вместе с человечеством. К науке "оптика" можно отнести множество легко объясняемых бытовых явлений и опытов, основанных, прежде всего, на их простом наблюдении (например, атмосферные явления – радуга, гало, затмения Луны и Солнца), а также результаты длительных астрономических наблюдений, часто требующих выполнения специальных расчетов. Наряду с интересом к выявлению закономерностей движения Солнца появился интерес и к самой природе солнечного излучения. И хотя "оптические" процессы интересуют людей много веков и тысячелетий, практические достижения в оптике реально насчитывают 400–500 лет. Они получены в разных странах и даже на разных континентах на основе накопленного опыта, знаний и созданных первых несовершенных оптических инструментов, чаще всего храмовой (религиозной) направленности и в интересах астрономии (астрономия всегда давала шанс развитию оптики). Развитие ремесел, связанных с созданием отдельных оптических деталей, используемых в быту, способствовало укреплению государственности, укрупнению городов-царств [1].
В античный период человеческого общества (Эллада, Римская империя, Карфаген, Византия) древние философы, определив оптику как науку о свете, были вынуждены дать ответ на вопрос: "а что такое свет?". У многих народов, например египтян, понятия "свет" и "Солнце" были тождественными. Ответ не сводился только к геометрическому показу и демонстрации прохождения световых лучей. При наблюдении и изучении оптических явлений возникли и развивались многие философские категории, например, внешнего и внутреннего, общего и частного, первичного и вторичного, иллюзорного и реального, подобного и противоположного, строились различные теории о природе света. Основные из них [2–4]:
Теория зрительных лучей.
Атомистическая теория – теория так называемых отображений и воздушных отпечатков.
Теория взаимодействия внутреннего света, зрительных и внешних лучей.
Теория посредничества прозрачной среды, имеющая некоторые черты, сходные с волновыми представлениями.
Теория воздушного напряжения, являющаяся вариантом теории зрительных лучей (до предметов доходят не сами лучи, а только их воздействие на промежуточный воздух).
Теория непосредственно психического дальнодействия (телепатия).
Чаще других использовалась "теория зрительных лучей". В течение нескольких веков большая группа философов полагала, что зрительные лучи испускают сами глаза, а не Солнце, затем лучи распространяются по прямым линиям до объекта и создают впечатление видимости к таким философам прежде всего относятся [1–3]. Основатель античной философии и науки Фалес (ок. 625–547 гг. до н. э.), известный математик Пифагор (570–490 гг. до н. э.), Гераклит (544–483 гг. до н. э.), Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.), Архит (428–365 гг. до н. э.), Платон (428–347 гг. до н. э.), Евклид (330–277 гг. до н. э.), Архимед (287–212 гг. до н. э.). Каждый философ[1] более детально излагал свой, часто оригинальный вариант этой теории. Так, Пифагор высказал близкую к современной точку зрения, что тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. В качестве доказательства этой теории ученые приводили светящиеся ночью глаза животных. Глаза слепца, по их мнению, не видят по той причине, что не испускают лучей.
Эмпедокл в своих теориях вместо зрительных лучей использовал "сверхтонкие щупальца", исходящие из глаз наблюдателя и "обнимающие" рассматриваемый объект. Он считал белый цвет свойством огня, а черный – свойством воды.
Другая часть мыслителей греческих школ в эти же годы представляла зрение в виде тончайших флюидов, испускаемых от объекта к глазу – Левкипп (500–440 гг. до н. э.) и Демокрит (460–370 гг. до н. э.).
Флюидами из глаза наблюдателя и от внешних источников позднее стали объяснять зрение Эмпедокл и Платон. Эту теорию поддерживали Сократ (469–399 гг. до н. э.), Сенека (4 г. до н. э. – 65), Клавдий Птолемей (ок. 85–165 гг.) и Клавдий Гален (129–201 гг.). Платон полагал, что источник зрения – душа, которая с помощью глаз излучает конусы лучей, освещающие объект. Соединяясь с внешним светом, они создают особое "зрительное тело", простирающееся от наблюдателя до предмета. Эта теория получила название синаугогии [3]. Обратимся к [5]: "Из органов боги, прежде всего, устроили светоносные глаза. По их замыслу, должно было возникнуть тело, которое не имело бы жгучих свойств огня, но доставляло кроткий огонь, свойственный дню. И боги сделали так, что родственный дневному свету огонь, находящийся внутри нас, вытекает очищенным через глаза, которые задерживают грубейшую часть огня". Платон: "Когда дневной свет окружает поток зрения, тогда подобное, исходя к подобному, соединяется с ним и по направлению зрачков образует в связи с родственным одно тело, где бы падающее изнутри не натолкнулось на то, что встречает его извне.". "А когда сродный огонь на ночь отходит, этот огонь глаз обособляется, потому что, исходя к неподобному, он и сам изменяется и гаснет, не соединяясь более с ближним воздухом, так как в нем нет огня" (огню Солнца соответствует кроткий огонь глаз, заходу Солнца – смыкание век на ночь). Известный исследователь зрительных теорий древности академик С. И. Вавилов в своих работах часто цитирует Платона: "Не существует только зрящего или только зримого", "Зримое зрит себя в зрящем, и зрящий есть зримое".
Сам глаз, чтобы видеть, должен быть светлым и солнечным: "Если бы не был глаз солнечным, как мы могли бы видеть свет? Если бы не было в нас собственной божественной силы, как могло бы божественное нас восхищать?" [6].
Цветовая картина окружающего мира есть прямое следствие существования глаза. Глаз оказывается энтелехией[2] физического света: он "формируется на свету для света, чтобы внутренний свет мог встретится с внешним" [6].
Фундаментальной основой этих двух теорий является принцип зеркальности: зрительное восприятие есть проникновение в глаз эйдел[3] либо отражение исходящих из глаз зрительных лучей [3]
По представлению знаменитого римского поэта Тита Лукреция Кара (середина I века до н.э.) видимость материальных тел не бесконечна, ее пределом являются "первичные тельца разной формы" (своего рода флюиды), находящиеся в постоянном движении [7]. Этим объясняются запахи, испарение влаги, формирование зрительных ощущений. В своей поэме [8] Лукреций говорит о корпускулярной природе света. Его частицы – корпускулы "...реют повсюду они, состоя из прозрачной ткани, призраки все, наконец, что являются нам, отражаясь в зеркале, или в воде, или в поверхности всякой блестящей, так как по виду они настоящим предметам подобны, должны из образов быть, что исходят из этих предметов".
Лукреций, Эпикур (ок. 342–271 гг. до н. э.) и Гераклит в своих трудах иногда уходят от метафизических позиций, становясь ближе к материалистическим [7]: "Передача образа от предмета к глазу есть передача света; атомы света "по пути" к глазу могут проходить через воду или стекло, порождая эйделы"; "Свет стремится в темный зрачок, а жар внешнего огня воспринимается холодными водянистыми оболочками глаза, т. е. формирование зрительного образа есть процесс, обусловленный реальностями окружающего мира".
Римский ученый Плутарх (ок. 45 – ок. 127 гг.) объясняет старческую дальнозоркость тем, что область пересечения зрительных конусов из правого и левого глаз, где предмет виден лучше всего, к старости отодвигается от глаз наблюдателя.
В период от 330 до 100 г. до н. э. (в так называемый Александрийский период античности [3]) процветала астрономия и были сделаны крупные астрономические открытия, созданы многие математические законы, построены оригинальные (безлинзовые) визиры, зажигательные параболические зеркала. Александрийские философы, мыслители и ученые – Эратосфен (ок. 276–194 гг. до н. э.), который заведовал знаменитой Александрийской библиотекой, великий астроном Гиппарх (ок. 190–125 гг. до н. э.), Герон (время жизни отнесено ко 2-й половине 1-го века н. э., подробности его жизни неизвестны). Будучи знаменитым оптиком древности, который за 1600 лет до вывода Ферма в 1679 году принципа своего имени, открыл один из основных законов построения оптического изображения [9], – внесли весомый вклад в многовековую разработку теорий зрительного восприятия: это был период становления оптической науки.
Великий философ и мыслитель Аристотель (384–322 гг. до н. э.) вносит материалистические элементы в существующую теорию о природе света: "...свет есть возбуждение среды, находящейся между объектом и глазом. Свет не является ни огнем, ни теплом в обычном смысле, ни истечением из какого-либо тела, но проявлением огня или чего-то огненного в прозрачной среде" [10].
Выдающимся арабским ученым, известным физиком средневековья Альхазеном (Абу Али Хейсама или Ибн-аль – Хайсам) (965–1039 гг.) был написан знаменитый, почитаемый оптиками всего мира трактат "Оптика тезаурус" ("Сокровище оптики") [1], переведенный на латинский язык лишь в 1270 году. Альхазен описывает строение глаза и с помощью опытов доказывает несостоятельность представлений древнегреческих ученых Платона и Евклида о свете как о лучах, которые выходят из глаза и "ощупывают" предметы. Он выдвинул свою теорию зрения. По Альхазену, "естественный свет и цветные лучи влияют на глаз". Он также считал, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует некоторая воспринимающая точка глаза.
Метафизическое представление о природе света было широко распространено. Так, в XVI–XVII веках в Киеве и ряде других городов Украины существовали в качестве культурных центров братства, школы, коллегии (их названия со временем изменялись). В 1701 году Указом Петра I Киевской коллегии были даны права академии.
В 1708 году Феофаном Прокоповичем (1681–1736 гг.) в академии читался двухгодичный курс физики, в котором было представление о свете: "Свет – это блестящий слой сияющих тел, а освещение – это расширение, либо вид или какое-то отображение света, которое также связано с другими вещами. Свет существует на Солнце или в огне, освещение же – в освещенном воздухе. Свет мы не можем видеть. Разве что видим то, что есть освещенность".
Новый курс физики читался в Киевской академии в 1793 году Иренеем Фальковским (1762–1823 гг.). Предмет оптики обозначался так: "Оптика есть наука о зрении предметов посредством лучей, проходящих от оных в глаз по прямой дороге" [1].
Результат размышлений и опытов античных мыслителей и философов привел к созданию ряда моделей зрения [3].
Экстрамиссия. Мы видим потому, что глаза испускают прямые зрительные лучи, охватывают контур зрительным конусом с вершиной в зрачке (Пифагор, Евклид).
Интрамиссия. Все тела испускают летучие образы, которые частично попадают в глаза наблюдателя (Демокрит, Эпикур, Лукреций).
Синаугогия и синестазис. Зрение – комбинация двух факторов: лучей внутреннего огня, бьющих из глаз, и внешнего дневного света. Встречаясь, они создают единое зрительное тело, которое соприкасается с наблюдаемым предметом и передает расположенному за глазом зрительному центру упругое давление (Эмпедокл, Платон).
Актиденция. Зрение порождается возмущением окружающей среды, внешним оболочкам глаза мгновенно передаются ощущения, возникающие при движениях всепроникающей светоносной среды – пеллуцида, прозрачное состояние которого активируется внешним светом, а зрительные образы возникают благодаря цветовым различиям предметов (Аристотель).
Академик С. И. Вавилов (1891–1951 гг.), один из крупных отечественных исследователей истории мировой оптики, отметил, что теория зрительных лучей "вовсе не была никакой ошибкой, она явилась гипотезой, позволившей древним построить геометрическую оптику отражательных поверхностей с правильными количественными выводами, несмотря на отсутствие сведений о глазе" [9].
Даже 300 лет назад, когда ученые и инженеры на практике начали использовать законы оптики (иногда не всегда полностью осознанно) и уже имели множество конструкций очков, зрительных труб, телескопов, природа света оставалась не изученной и световые явления по-прежнему объяснялись на основе примитивных и метафизических представлений о свете.
Следуя идеям Леонардо да Винчи (1452–1519 гг.) и развивая работы Франческо Гримальди (1618–1663 гг.) и Роберта Гука (1635–1703 гг.), Христиан Гюйгенс (1629–1695 гг.) полагал, что световое возбуждение – это импульсы упругих колебаний эфира. В 1678 году он завершил разработку волновой теории света, которая была опубликована в 1690 году в знаменитом "Трактате о свете" [1]. В нем Гюйгенс пытался дать объяснение известных ему оптических явлений с позиций "подобно волне". Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) в 1704 году возразил ему, что свет распространяется в виде лучей. Это мнение видного ученого-физика имело значительный вес в научных кругах, что на многие десятилетия задержало открытие ряда законов в оптике.
Ньютон давал такие формулировки основных законов и определений оптики [11]:
"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".
"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".
"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. Такие сорта лучей, которые при равных падениях отражаются наиболее обильно или же скорее всех отражаются нацело при возрастающем наклоне лучей, суть лучи наиболее отражаемые".
"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".
"Цвета однородного света я называю первичными, однородными и простыми, цвета же неоднородного света – неоднородными и сложными". "Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степеням преломляемости."
"Солнечный свет состоит из лучей, различающихся по отражаемости, причем, более других отражаются те лучи, которые более преломляются".
Ньютон обращал большое внимание на периодичность световых явлений и допускал возможность их волновой интерпретации, но отдавал предпочтение корпускулярной концепции света, считая его потоком частиц, действующих на эфир (термин "эфир" для обозначения наделенной механическими свойствами среды – переносчика света и вызывающих в нем колебаний ввел Рене Декарт (1596–1650 гг.). Движением световых частиц через эфир переменной плотности и их взаимодействием с материальными телами, по Ньютону, обусловлены преломление и отражение света, цвета тонких пленок, дифракция света и его дисперсия. Поляризация, согласно Ньютону, – изначальное свойство света, объясняемое определенной ориентацией световых частиц по отношению к образуемому ими лучу.
Интересный след в оптике оставил Жан-Поль Марат (1743–1793 гг.), деятель Великой французской революции, в жизни – философ, публицист, врач-практик, ученый-физик. Его представления о свойствах света [12] не соответствовали мнению известных ученых того времени. В частности, он критикует доктрину Ньютона о различной преломляемости световых лучей. Ниже приведены несколько выборок из трактата Марата (создается впечатление, что трактат написан только на основе собственного опыта и своих размышлений).
Об источнике света: "Вопрос состоит в том, окружает ли нас свет непрерывно или он порциями испускается светящимися телами. Достаточно поразмыслить о некоторых хорошо известных явлениях, чтобы увериться в том, что он нас окружает непрерывно и в то же время имеет некоторую степень подвижности…".
О движении света: "Без движения, принимаемого или передаваемого, свет не мог бы сообщать органу зрения впечатление об объекте наблюдения – это неоспоримо. Но состоит ли это движение в давлении, оказываемом видимыми телами последовательно, от места к месту, на световые молекулы, или в материальном переносе световых молекул от тел, которые их отталкивают, к телам, на которые они воздействуют? На основе изучения реальных явлений становится ясным, без сомнения, что это движение заключается в материальном переносе: наличие давления, передаваемого от места к месту, от участка к участку, обязательно требовало бы, чтобы молекулы светового флюида составляли непрерывную среду и никакое частичное движение не могло бы иметь места, потому что давление (слабое или сильное) на какую-либо часть этого флюида распространялось бы во всех направлениях".
"Так как свет все время находится в движении и вовсе не испускается светящимися телами, то последние его просто отражают, как и тела непрозрачные; если и имеется какая-либо разница между ними в этом смысле, так она состоит в том, что первые сообщают свету движение, тогда как последние ограничиваются поддержанием его (движения)".
О свойствах света: "Помимо качеств, общих для всех тел, световой флюид имеет свои отличительные качества. В первую очередь, необходимо отметить его крайне тонкую структуру, которая проявляется в той легкости, с которой он проходит через весьма плотные прозрачные тела, в том числе и такие наиболее плотные, как стекло, хрусталь, алмаз и так далее. К его крайней тонкости добавляется исключительная подвижность: мельчайшие по размерам светящиеся тела приводят его в движение, скорость которого восемьдесят тысяч лье в секунду, такая быстрота едва ли укладывается в воображении[4].
В свои свойства наш флюид включает также способность возбуждать особые ощущения: будучи составленным из отдельных частей существенно различного характера, свет может за счет объединения их создавать ощущение белого, их полное исключение образует черное, а каждая из них характеризуется способностью производить ощущение отдельного цвета. Элементарные части, вызывающие ощущение одного конкретного цвета, называются "гомогенными"; части же, способные возбуждать ощущения различных цветов, называют "гетерогенными"; итак, цвета относятся исключительно к свету, а не являются внутренне присущи телам.
По крайней легкости, с которой наш флюид проходит сквозь все прозрачные тела, можно заключить, что все части флюида состоят из дискретных частичек шарообразной формы, а поразительная скорость их движения приводит к выводу, что эти частички сильно удалены друг от друга, т. е. флюид является крайне разреженным".
О средах: "Все пустое пространство и все тела, которые имеют заметное светопропускание, называются "средами", но только те их них, которые воздействуют на свет, именуются "преломляющими средами". Отсюда видно, что это наименование применимо только для сред телесных, твердых, жидких или флюидов; пустота не может оказывать на свет никакого действия. Соответственно своей силе воздействия на свет они называются "средами различной энергии".
"В свободной и однородной среде лучи нормально движутся по прямой линии; но они изменяют направление движения всего в четырех различных случаях: когда они попадают на периферию какого-либо тела; когда они падают на полированную поверхность; когда они наклонно проходят через более или менее преломляющую среду и когда они собираются выйти из среды, более преломляющей, чем та, с которой она граничит. В первом случае лучи изгибаются в некоторой степени у тел, которые им встречаются (рис.1а); во втором случае они отскакивают от поверхности, на которую они падают, образуя угол противолежащий, но равный таковому при их падении, стоит только начертить перпендикуляр к ней (рис.1b); в третьем случае они ломаются на поверхности среды, в которую они входят или из которой выходят, образуя с поверхностью углы, находящиеся в определенном соотношении (рис.1c); в последнем случае они возвращаются назад от границы среды, которую они едва не покинули, следуя по пути, по которому они и следовали бы, если бы они были отражены на границе последней среды (рис.1d)."
Первое из этих измерений называется "отклонением", второе – "отражением", третье – "рефракцией", четвертое – "ретракцией"[5].
От каждого из этих терминов, взятых в качестве корневых элементов, получаются производные: отклоняемость, отражаемость, преломляемость, возвращаемость есть свойства быть отклоненными, отраженными, преломленными или возвращенными.
В соответствии с изменением направления распространения, проявляемом лучами, оптику целесообразно разделить на четыре части:
Пероптрика – изменения направления, которые лучи проявляют, проходя по периферии тел;
Катоптрика – изменение направления при падении на полированные поверхности;
Диоптрика – при прохождении различных сфер;
Опизоптрика – при возвращении лучей в среду, через которую они только что прошли.
Пероптрика (по Жан-Полю Марату) – новая область, которая охватывает его (Марата – авт.) основные открытия и должна рассматриваться как основа всех остальных частей; именно здесь рассматривается множество явлений, бывших ранее неизвестными, именно в ней имеется возможность осветить множество других явлений.
Приведенные выше формулировки световых законов, написанные пером авторитетнейших ученых-физиков, помогают нам понять, как трудно рождается истина.
Корпускулярная теория сохраняла господствующее положение в оптике до начала XIX века, хотя некоторые крупные ученые, в том числе российские академики Леонард Эйлер (1707–1783 гг.) и Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765 гг.) отдавали предпочтение волновым представлениям о природе света.
Демонстрация Томасом Юнгом (1773–1829 гг.) в 1801 году явления интерференции света стала крупным свидетельством волновой природы света. В 1815 году Огюстен Жан Френель (1788–1827) уточнил принцип Гюйгенса, дополнив его принципом интерференции Юнга. Принцип Гюйгенса – Френеля не только дал возможность объяснения прямолинейности распространения света, но и объяснил многочисленные дифракционные явления.
Несмотря на еще не завершенную многовековую дискуссию между сторонниками корпускулярной и волновой теорий света, до конца XIX века на оптических заводах, созданных в Германии, Франции, Англии, а также в российских небольших, часто примитивных, мастерских, были созданы десятки типов оптических приборов военного (зрительные трубы, прицелы, бинокли) и общего, и научного применения (телескопы, проекционные приборы, фотометры, радиометры, "волшебные" фонари и т. п.).
Конструкторы и инженеры-оптики разработали оригинальные технологии изготовления деталей из стекла и кристаллов. Среди них наиболее известен (более 100 лет) и используется до настоящего времени так называемый "метод оптического притира" – весьма простой и достаточно производительный.
В период античности и, особенно, в период ренессанса создавались оригинальные станки для изготовления оптических деталей. Известно, что один из последователей Галилео Галилея (1564–1616) Эванджелиста Торричелли (1608–1647) изготовил по созданной им технологии оптические детали телескопа, которые он смог проконтролировать с высочайшей точностью (интерференционные опыты Ньютона ему не были известны). В 1923 году итальянский ученый-оптик В. Ронки разработал новый метод контроля оптических деталей и систем (метод сдвиговой интерферометрии [14]), с помощью которого осуществил контроль качества поверхности линзы диаметром 83 мм, изготовленной Э. Торричелли (1608–1647 гг.) около 1642 года. Линза поразила ученых высокой степенью совершенства и была отнесена к классу современной точкой оптики. Торричелли умер, так и не открыв своего способа изготовления и контроля линз.
Следует отметить теоретические работы и практические достижения в оптике Рене Декарта (1596–1650), который не только независимо от Виллеброрда Снеллиуса (1580–1623) сформулировал закон преломления лучей света, мог проводить расчеты оптических приборов с гиперболическими и эллиптическими поверхностями, но и научился обрабатывать линзы с асферическими поверхностями (АП). В трактате [13] в разделе "Диоптрика" он приводит чертежи конструкции шлифовального станка для обработки линз с АП (рис.2). Даже в наши дни далеко не все оптики включают (АП) в создаваемые ими оптические приборы из-за технологической сложности их массового изготовления.
Россия подключилась к решению оптических проблем и оценке физических явлений, имеющих оптическую природу, в основном, для военных целей. В Петровский период и к середине 1700-х годов она неплохо преуспела здесь: успешно создавались теоретическая база, основы стекловарения и оптического приборостроения трудами великого русского ученого-первопроходца М. В. Ломоносова, а также ряда ученых-иностранцев, приглашенных на императорскую службу (Иоганн Георг Лейтман (1667–1736), Георг Вольфганг Крафт (1701–1754) и в созданную Петербургскую Академию наук (Леонард Эйлер (1707–1782) и др.), однако сохранить технический, да и научный потенциал России не удалось [1] по ряду причин, главным образом, из-за утраты начавшей создаваться научной школы да и дворянские дети предпочитали военную карьеру и службу Отчизне, но не научную или инженерную[6], а военную (их вклад в укрепление военной славы страны, безусловно, велик).
В части оптики Россия в течение 150 лет "пребывала в анабиозе", но никогда не прекращала, хотя и не форсировала деятельность отдельных энтузиастов и гениев – механиков, часто самоучек, работавших в небольших мастерских (Иван Беляев, Шаппер, Колосов, Иван Беляев-сын, Андрей Нартов, Иван Кулибин, Осип Шишорин, Корнелий Рейссиг, Владимир Гауфман, Семен Трындин, Теодор Швабе, Иван Урлауб) [1].
Гром грянул ожидаемо и в то же время, как всегда, неожиданно: отставшая технически Россия в начале XX века проиграла войну Японии: сухопутные войска и морская армада адмирала Рождественского потерпели поражение в значительной степени из-за отсутствия современных оптических прицельных артиллерийских систем.
К чести Российского правительства и Морского министерства надо отнести ускоренное их вмешательство в организацию оптических производств (как всегда, были и видные противники решения проблемы) с выделением финансирования.
Создание оптических заводских производств опиралось на крупные достижения отечественных ученых – физиков, механиков, кадровых военных специалистов (прежде всего, в ГРАУ и Морском министерстве) в области оптики, исследования которых в XIX и начале XX в.в. обогатили мировую науку и создали научную базу для подготовки инженерного корпуса строящейся Российской оптической промышленности. Среди них В. В. Петров (1761–1834), А. Г. Столетов (1839–1896), П. Н. Лебедев (1866–1912), Б. Б. Голицын (1862–1916), В. Н. Чиколев (1845–1898), Г. И. Вильд (1833–1902), Н. И. Лобачевский (1793–1856), Д.А.Гольдгаммер (1860–1922), А. Н. Крылов (1863–1945), Ф. Ф. Петрушевский (1829–1904), В. Ф. Петрушевский (1829–1891), В. Н. Михаловский (1856–1913), А. Л. Гершун (1868–1915), Я. Н. Перепелкин (1874–1935), С. И. Фрейберг (1887–1957) и многие другие известные ученые.
В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) показал, что свет представляет собой не упругие, а электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Вскоре стало ясно, что для их распространения не нужен и эфир. Уравнения Максвелла стали фундаментом волновой оптики [1].
Несмотря на успехи электромагнитной теории света, к концу XIX века выяснилось, что она недостаточна для описания процессов поглощения и испускания света.
В 1900 году Макс Планк (1858–1947) пришел к выводу, что элементарная колебательная система (атом, молекула) отдает волновую энергию электромагнитному полю или получает ее от этого поля квантами – порциями. В 1905 году Альберт Эйнштейн (1879–1955 гг.) приписал квантам света – фотонам не только энергию, но также импульс и массу. При поглощении фотона он перестает существовать, а поглотившая его система получает его энергию и импульс[7] [1].Развитие идеи Планка привело к решению проблемы теплового излучения и заложило основы квантовой физики.
Работы Планка и Эйнштейна вернули оптике многие черты корпускулярных представлений. Квантовая теория света, объяснив (уже в XX веке) основные законы фотоэффекта, явления фотохимических превращений, взаимодействия света с веществом, эффект Комптона, стоксовский сдвиг частоты излучения фотолюминесценции по отношению к частоте возбуждающего света, комбинационное рассеяние света, стала крупным вкладом в развитие оптики.
Пройдут еще 100 лет, и в первом десятилетии XXI века российский профессор М. М. Мирошников (род.в 1926) вновь обратится к мировому сообществу ученых-оптиков с предложением необходимости соблюдения и, в отдельных случаях, согласованного уточнения принятой и устоявшейся терминологии в оптике, дуализм которой (волновая природа и корпускулярность) в полной мере проявился в XX веке через "лазерную революцию"[8] и "голографию"[9] и стал рабочим инструментом, а не предметом каких-либо дискуссий неопытных сотрудников.
Весь комплекс оптических наук М. М. Мирошников разделил на базовые части [15] единой науки – оптика:
Волновая оптика – наука, изучающая совокупность явлений, в которых проявляется волновая (электромагнитная) природа света;
Физика фотонов (квантовая оптика) – наука о корпускулярных (квантовых) свойствах света, его микроструктуре;
Иконика – наука об изображении, его качестве и распознавании с учетом законов зрительного восприятия;
Оптотехника (традиционное оптическое приборостроение) – наука о приборах, основанных на волновой оптике;
Фотоника (прикладная) – наука о приборах, основанных на физике фотонов;
Оптическое материаловедение – наука о свойствах и технологиях создания оптических сред с заранее заданными свойствами (стекло, кристаллы, керамика, волоконная оптика т. д.).
В декабре 1918 года в Петрограде был организован Государственный оптический институт (ГОИ), которому в 2014 году исполняется 96 лет. Об истории рождения института и становлении его традиций продолжим рассказ в следующих номерах журнала.
Литература
Белозёров А. Ф. Оптика России. Очерки истории и развития. – Казань: Центр инновационных технологий. 2012–2014, т. 1–3.
Стафеев С. К., Томилин М. Г. Пять тысячелетий оптики: Предыстория. – СПб.: Политехника, 2006.
Стафеев С. К., Томилин М. Г. Пять тысячелетий оптики. Т. 2.: Античность. – СПб: Формат. 2010
Зубов В. П. Античные зрительные теории и вытекающие из них особенности античной оптики. – Из теории мировой науки. Избранные труды. 1921–1963. – СПб.: Алтей, Изд-во С. – Петерб. университета, 2006.
Платон. Диалоги. – М., 1986.
Вавилов С. И. Глаз и Солнце. – М.: Изд-во АН СССР,1961.
Войцеховский А. И. Загадки древних святынь. – М.: Вече, 2005.
Тит Лукреций Кар. О природе вещей. Пер. Ф. А. Петровского. – М., 1958.
Вавилов С. И. Галилей в истории оптики. – Галилео Галилей. 1564–1642. – М. – Л.: Изд-во АН СССР, 1943.
Аристотель. Сочинения; в 4-х т. – М., 1976–1983.
Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях и цветах света. Пер. с третьего английского издания, 1721 с примечаниями С. И. Вавилова. Издание 2-е, просмотренное Г. С. Ландсбергом. – М.: ГИТТЛ, 1954.
Марат Жан-Поль. Элементарные записки по оптике / пер. с фр. В. Г. Вафиади, А. М. Котова. – Л.: ГОИ им. С. И. Вавилова, 1981 (Копия. инв.№ 115195).
Декарт Р. Рассуждение о методе, с приложениями. Диоптрика, метеоры, геометрия. – М.: Изд-во АН СССР. 1953.
Ронки В. Галилей и Торричелли – мастера точной оптики.– Труды ИИЕТ, 1959. Т. 28, с. 276–301.
Мирошников М. М. Слово об оптике. – Оптический вестник, 2009, № 125, с.16–17.
Отзывы читателей
