Профессор Знаев - Из истории оптики: начало

ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Из истории оптики: начало

Оптика античности и начала средневековья

К каждому из нас представления об окружающем мире и событиях в нем приходят через зрение. Мы видим – и это подарок природы! Мы видим мир цветным, в отличие от многих других живых существ, и это тоже является прекрасным проявлением особенностей нашего организма. Но мы еще и мыслим, спрашиваем у природы: «Почему?» Человеку всегда было интересно, как он видит, что такое свет, как он распространяется в пространстве.

Первые представления о природе света возникли еще до новой эры. Античные мыслители пытались понять сущность световых явлении, основываясь на зрительных ощущениях. Древние индусы считали, что глаз имеет «огненную природу». Греческий философ и математик Пифагор (582–500 гг. до н. э.) и его школа считали, что зрительные ощущения возникают благодаря тому, что из глаз к предметам исходят «горячие испарения».


i 199

В своем дальнейшем развитии эти взгляды получили более четкую форму в теории зрительных лучей, которая была развита Евклидом (300 г. до н. э.). Согласно этой теории, зрение обусловлено тем, что из глаз вытекают «зрительные лучи», которые ощупывают своими концами тела и создают зрительные ощущения.


i 200

Пифагор



Евклид является основоположником учения о прямолинейном распространении света. Применив к изучению света математику, он установил законы отражения света от зеркал. Следует отметить, что для построения геометрической теории отражения света от зеркал не имеет значения природа происхождения света, а важно лишь свойство его прямолинейного распространения. Открытые Евклидом закономерности сохранились в современной геометрической оптике. Евклиду было знакомо и преломление света.


i 201

Евклид



Кстати, само слово «оптика» имеет греческое происхождение и означает «видимый», тот, что воспринимается через зрение.

В более поздние времена аналогичные воззрения развивал Птоломей (70—147 гг. н. э.). Он уделял большое внимание изучению явлений преломления света. В частности, Птоломей проводил большое число измерений углов падения и преломления, но закона не установил. Он заметил, что положение светил на небе меняется вследствие преломления света в атмосфере.

Кроме Евклида, действие вогнутых зеркал знали и другие древние ученые. Например, Архимеду приписывают сожжение неприятельского флота при помощи системы вогнутых зеркал, которыми он собирал солнечные лучи и направлял на римские корабли.


i 202

Сжигание вражеского флота с помощью системы зеркал



Значительный шаг вперед сделал Эмпедокл (492–432 гг. до н. э.), который считал, что от светящихся тел идут вытекания к глазам, а из глаз выходят встречные вытекания в направлении тел. При встрече этих вытеканий возникают зрительные ощущения.

Знаменитый греческий философ, основатель атомистики, Демокрит (460–370 гг. до н. э.) полностью отвергал представление о зрительных лучах. Согласно взглядам Демокрита, зрение обусловлено падением на поверхность глаза мелких атомов, идущих от предметов. Аналогичных взглядов позже придерживался и Эпикур (341–270 гг. до н. э.).

Решающим противником «теории зрительных лучей» был знаменитый греческий философ Аристотель, который считал, что причина зрительных ощущений лежит вне человеческого глаза. Аристотель сделал попытку дать объяснение цветам как следствию смешения света и темноты.

Интересно отметить, что линзы появились еще в давние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (V в. до н. э.) был знаком с применением линз в качестве поджигающего стекла.

Следует отметить, что взгляды древних мыслителей в основном базировались на простейших наблюдениях явлений природы. Античная физика не имела под собой необходимого фундамента в виде экспериментальных исследований, поэтому учение древних мыслителей о природе света носит умозрительный характер. Но хотя эти взгляды в основном являются гениальными догадками, они, безусловно, оказали большое влияние на дальнейшее развитие оптики.

В первый период средневековья (150–700 гг. н. э.) не было каких-либо серьезных работ в области оптики. Но с 700-х гг. н. э. наблюдается прогресс науки у арабов. Арабский физик Альгазен в своих исследованиях (1038) развил ряд вопросов оптики. Он занимался изучением глаза, преломления света, отражения света в вогнутых зеркалах.

При изучении преломления света Альгазен в противоположность Птоломею доказал, что углы падения и преломления не пропорциональны, и это было толчком к дальнейшим исследованиям с целью обнаружения закона преломления. Альгазену было известно увеличивающее действие сферических стеклянных сегментов. По вопросам о природе света Альгазен, отвергая теорию зрительных лучей, стоит уже на других позициях. Он исходит из представления о том, что из каждой точки светящегося предмета исходят лучи, которые, достигая глаза, вызывают зрительные ощущения.

Альгазен считал, что свет имеет конечную скорость распространения, и это было значительным шагом в понимании природы света. Он дал объяснение тому, что Солнце и Луна кажутся на горизонте большими, чем в зените; он истолковал это обманом восприятия.

Эпоха Возрождения

Период между XIV в. и первой половиной XVII в. стал для Западной Европы переходным этапом от феодализма к капиталистическому способу производства. Ряд крупнейших открытий, среди которых, прежде всего, следует назвать открытие Колумбом Америки, изобретение печатного станка, обоснование Коперником гелиоцентрической системы мира, способствовали общему прогрессу. Происходит постепенный общий подъем экономики, техники, культуры, искусства, усиливается борьба прогрессивного мировоззрения со схоластикой. В области науки постепенно побеждает экспериментальный метод изучения природы. В этот период в оптике был сделан ряд выдающихся изобретений и открытий.

Франческо Мавролику (1494–1575) принадлежит заслуга достаточно правильного объяснения действия очков. Он открыл, что вогнутые линзы не собирают, а рассеивают лучи.

Только тот свободен, кто самостоятельно мыслит и не повторяет чужих слов, смысла которых не понимает.

Б. Ауербах

Им было установлено, что важнейшей частью глаза является хрусталик, и сделан вывод о причинах дальнозоркости и близорукости как следствии – ненормального преломления света хрусталиком. Мавролик дал правильное объяснение образованию изображений Солнца, наблюдаемых при прохождении солнечных лучей через малые отверстия.

Следует также назвать имя итальянца Порта (1538–1615), который в 1589 г. изобрел камеру-обскуру – прообраз будущего фотоаппарата. Несколькими годами позже были изобретены основные оптические инструменты – микроскоп и подзорная труба.

Изобретение микроскопа (1590) связывают с именем голландского мастера-оптика Захария Янсена. Подзорные трубы начали изготавливать примерно одновременно (1608–1610) голландские оптики Захарий Янсен, Яков Мециус и Ганс Липперсгей. Изобретение этих оптических инструментов привело в последующие годы к крупнейшим открытиям в астрономии и биологии.

Голландский мастер-оптик Антони ван Левенгук прославился своим умением изготавливать простые и довольно мощные микроскопы. Хотя он и не был первооткрывателем этого инструмента, именно благодаря ему микроскопы получили большое распространение в Европе во второй половине XVII в. Его микроскопы состояли всего из одной маленькой линзочки, которую получали из капли стекла при расплавлении над пламенем свечи стеклянной палочки.


i 203

Пьер Ферма



Немецкому физику и астроному И. Кеплеру (1571–1630) принадлежат фундаментальные работы по теории оптических инструментов и физиологической оптики, и его по праву можно назвать ее основателем. Кеплер много работал над изучением преломления света.


i 204

Иоганн Кеплер



Большое значение для развития геометрической оптики имел принцип Ферма, названный так по имени французского ученого, который его сформулировал, – Пьера Ферма (1601–1665). Этим принципом устанавливается, что свет между двумя точками распространяется таким путем, на прохождение которого затрачивает минимум времени. Итак, Ферма, в отличие от Декарта, считал, что свет распространяется с конечной скоростью.

Знаменитый итальянский физик Галилей (1564–1642) не проводил систематических работ, посвященных исследованию световых явлений. Однако и в оптику он внес значительный вклад. Галилей усовершенствовал подзорную трубу и впервые применил ее для астрономических наблюдений. Им сделаны выдающиеся открытия, которые способствовали обоснованию новейших представлений о строении Вселенной, основанных на гелиоцентрической системе Коперника. Галилей создал подзорную трубу с тридцатикратным увеличением, что намного превосходило увеличение подзорных труб первых ее изобретателей. С ее помощью он открыл горы и кратеры на поверхности Луны, спутники Юпитера, звездную структуру Млечного Пути и т. д.

Галилей пытался измерить скорость света в земных условиях, но не преуспел в этом. Однако его заслуга состоит в том, что он имел правильные представления о конечной скорости распространения света. Он также наблюдал и солнечные пятна. Однако приоритет открытия солнечных пятен Галилеем отрицал ученый-иезуит Патер Шейнер (1575–1650), который провел наблюдения солнечных пятен и зорной трубы, построенной по схеме Шейнера является то, что он превратил подзорную трубу в проекционный прибор: это давало возможность получить изображения Солнца на экране и демонстрировать его при различной степени увеличения нескольким лицам одновременно.


i 205

Телескоп Галилея



Наиболее значительным достижением этого периода было открытие дифракции света Гримальди (1618–1663). Он доказал, что свет, проходя через узкие отверстия или возле краев непрозрачных экранов, отклоняется от прямолинейного распространения. Видоизменяя опыты по наблюдению дифракции, Гримальди осуществил прямой опыт сложения двух световых пучков, которые исходили из двух отверстий в экране, освещенном Солнцем. При этом он наблюдал чередование светлых и темных полос. Таким образом, оказалось, что при добавлении световых пучков в некоторых местах чувствуется не усиление, а ослабление света. Впоследствии это явление солнечных факелов с помощью под-Кеплера. Самым важным в работах было названо интерференцией. Гримальди высказал догадку, что названные явления можно объяснить, если предположить, что свет представляет собой определенное волнообразное движение. Он считал, что цвета тел являются составляющими частями белого света.

Происхождение цветов различных тел он объясняет способностью тел отражать свет, падающий на них, с особыми видоизменениями. Рассуждая о цветах вообще, он высказывает предположение, что разница цветов обусловлена разницей в частоте световых колебаний. Однако Гримальди не разработал последовательной теории, объясняющей природу света.

Вопросы о природе света приобрели особое значение тогда, когда экспериментальные открытия подготовили для этого некоторую почву. В последующий период были проведены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие сделать первые научно обоснованные выводы о природе световых процессов. При этом приобрело определенную силу стремление дать объяснение световым явлениям с двух противоположных точек зрения: с точки зрения представлений о свете как потоке частиц (корпускул) и с точки зрения волновой природы света.

Оптика от XVII века

XVII в. характеризуется дальнейшим прогрессом в различных областях науки, техники и производства. Значительное развитие приобретает математика. В разных странах Европы создаются научные общества и академии, объединяющие ученых. Благодаря этому наука становится достоянием более широких кругов, что способствует установлению международных связей в науке.

Во второй половине КУП в. окончательную победу одержал экспериментальный метод изучения явлений природы. Наиболее выдающиеся открытия этого периода связаны с именем гениального английского физика и математика Исаака Ньютона (1643–1727).

Важнейшим экспериментальным открытием Ньютона в оптике является дисперсия света в призме (1666). Исследуя прохождение пучка белого света через трехгранную призму, Ньютон установил, что пучок белого света распадается на бесконечную совокупность цветных пучков, образующих непрерывный спектр. Из этих опытов был сделан вывод о том, что белый свет представляет собой сложное излучение.

Ньютон провел и обратный опыт, собрав с помощью линзы цветные пучки, образовавшиеся после прохождения через призму пучка белого света. В результате он снова получил белый свет. Наконец, Ньютон провел опыт смешения цветов с помощью вращающегося круга, разделенного на несколько секторов, окрашенных в основные цвета спектра. Во время ого вращения круга все цвета сливались в один, создавая впечатление белого цвета.


i 206

Леонард Эйлер



Результаты этих фундаментальных опытов Ньютон положил в основу теории цветов, до сих пор никем из его предшественников не разработанной.

Согласно этой теории, цвет тела определяется теми лучами спектра, которые это тело отражает, другие же лучи тело поглощает.

Наряду с этими открытиями Ньютону принадлежат работы по дифракции, а также открытие закономерностей интерференционной картины, получившей название кольца Ньютона.

Ньютона считают создателем корпускулярной теории света, которую он назвал теорией истечения. Согласно Ньютону, частицы света (их называли корпускулы) имеют различные размеры: частицы, соответствующие красной области спектра, большие, а частицы, соответствующие фиолетовым лучам, – мельче. Между этими крайними частицами находятся частицы промежуточных размеров, что и обусловливает непрерывный спектр цветов. Теория истечения, кроме цветов, объясняла прямолинейное распространение света. Однако она столкнулась с очень большими сложностями при объяснении отображения и преломления, дифракции и интерференции. Для согласования теории истечения с этими фактами Ньютону пришлось прибегнуть к различным дополнительным гипотезам, которые были слабо обоснованы.

X. Гюйгенсу принадлежит открытие принципа, который сейчас носит его имя. С помощью этого принципа объясняются законы отражения и преломления.

Однако волновая теория света Гюйгенса из-за определенных недостатков не могла противостоять теории истечения Ньютона, поэтому на протяжении XVIII и в начале XIX в. в науке господствовала теория Ньютона.

Против теории истечения выступал выдающийся математик Леонард Эйлер (1707–1783), который большую часть жизни работал в Российской академии наук в Петербурге. Сторонником волновой теории света был гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), который считал, что свет представляет собой колебательное движение эфира. Однако даже эти знаменитые ученые не смогли пошатнуть господство теории истечения.

Из других крупных открытий в области оптики в XVII и XVIII вв. следует назвать измерение скорости света (1675) датским астрономом Олафом Ремером (1693–1792), которое он осуществил благодаря наблюдениям затмения спутников Юпитера.

Названные выше открытия и изобретения являются важными моментами в развитии волновой теории света. Множество других исследований следовали друг за другом, и в целом всю их совокупность можно рассматривать как триумф волновой теории света. Однако ряд явлений, обнаруженных в указанный период, а также излучение и поглощение света, не находили объяснения в волновой теории света. Перед волновой теорией света стояло много других вопросов, один из которых – что такое этот загадочный эфир, в котором распространяется свет? Как с этим эфиром взаимодействуют движущиеся тела? Ответы на эти и другие вопросы нельзя было дать, пока не появилось учение об электромагнитной теории света. И началась новая эпоха оптики…

Начало оптического производства на территории старой России

Создавая в Петербурге Российскую академию наук, Петр I и его единомышленники (академик Г. В. Крафт, М. В. Ломоносов и др.), четко осознавали необходимость подготовки для России собственных кадров квалифицированных мастеров-оптиков, которых в допетровской России совсем не было. Центром подготовки таких мастеров должна была стать Академия наук и организованные при ней специальные инструментальные мастерские и учебные классы.

Составленная токарем Андреем Нартовым «Записка» (Проект организации оптических мастерских) была горячо одобрена Петром I. Он собственноручно добавил к проекту перечень девятнадцати мастерских, которые следовало организовать в первую очередь, и среди них – оптическую мастерскую, целью которой было наладить в России собственное изготовление и обработку линз для различных областей использования. Вопрос о руководителях мастерской по обработке и шлифовке линз был также поставлен Петром I.

В процессе организации Российской академии наук рассматривался вопрос приглашения в Россию лучших специалистов-оптиков – настоящих знатоков своего дела в области изготовления и обработки линз и оптических приборов. В переписке первого президента Академии наук Блюментроста и ее секретаря Шумахера с Христианом Вольфом на протяжении 1723–1726 гг. подробно обсуждался ряд вопросов, связанных с подбором кандидатур выдающихся иностранных конструкторов и мастеров-оптиков. Наконец остановились на приглашении в Россию из Германии опытного шлифовщика линз Иоганна Георга Лейтмана (1667–1736).


i 207

Андрей Нартов



В начале своей карьеры Лейтман был пастором лютеранской церкви. Однако впоследствии его целиком и полностью увлекло искусство шлифования и обработки линз. В 1719 г. Лейтман опубликовал обстоятельное по тем временам руководство по шлифовке и обработке линз и изготовлению с этой целью оригинальных конструкций шлифовальных станков. Насколько успешной была работа Лейтмана, говорит тот факт, что в 1728 г. его книга вышла четвертым изданием и получила широчайшее распространение во всем мире. На основании упомянутой выше книги сподвижник Петра I Яков Брюс рекомендовал пригласить в Россию именно Лейтмана.

Лейтман принял приглашение и в 1726 г. переехал из Германии в Петербург. С собой он привез многочисленные инструменты и станки для изготовления и обработки линз. Работая в Петербургской академии наук, Лейтман успешно обучал изготовлению и шлифовке линз российских мастеров-оптиков. История сохранила только два имени россиян – шлифовальщиков линз, которых Лейтман особенно хвалил – Андрея Матвеева и Петра Ремезова.

До прибытия Лейтмана в Петербург и до того, как он развернул работу оптической мастерской, в Российской академии наук уже находились на службе двое опытных мастеров: оптик Колмыков и шлифовальщик оптических линз Иван Беляев. Иван Беляев работал в оптической мастерской, которую задумал и организовал Андрей Нартов сам Петр I в своем дворце. Именно здесь под руководством Логина Шеппера и изучал технику изготовления и шлифования оптических линз Иван Беляев.


i 208

Петр I. Мозаика работы М. В. Ломоносова (XV.III в)



После смерти Шеппера в 1718 г. Беляев продолжал работать в оптической мастерской Петра I. Приглашенный в 1726 г. на службу в Российскую академию наук, он обратился 19 июня 1726 г. в канцелярию Академии с предложением передать ей оборудование, оставшееся после Шеппера. Из этого следует, что до тех пор академическая мастерская еще не имела никакого оснащения для изготовления и шлифовки линз.

Предложение Беляева немедленно приняли. Президент Академии наук Лаврентий Блюментрост обратился ко двору с соответствующей просьбой, к которой приложил перечень инструментов Шеппера. В этом реестре было перечислено около 150 шлифовальных форм (медных, чугунных, железных и стальных) различных диаметров и других инструментов, необходимых для изготовления линз; были также и оптические инструменты, работа над которыми была незавершена, в частности два микроскопа. Оставленное Шеппером «Руководство» по шлифовке и обработке линз дает полное представление о том круге сведений и знаний, которые Шеппер передал своим ученикам, в частности Беляеву.

Просьба Академии наук была вскоре удовлетворена, и через короткий срок по письму Блюментроста было передано «копиисту» Академии наук Ермолаю Крайцеву все оборудование оптической мастерской Петра I. Этим важным моментом определяется начало самостоятельного изготовления Академией наук оптических инструментов. В первые годы существования Оптической мастерской дело развивалось, к сожалению, крайне медленно. Мастерская была плохо оборудована, академики не делали никаких заказов, а Беляев и Колмыков были очень плохо обеспечены материально.


i 209

Шлифовальный оптический станок



Тяжелое положение вынуждало Беляева и Колмыкова выполнять заказы на изготовление самых разных оптических инструментов (в частности, очков) на продажу. Первого мая 1729 г. Иван Елисеевич Беляев умер. После его смерти дело перешло в руки его сына Ивана, которого отец обучил шлифовальному ремеслу и технологии изготовления линз.



Универсальный микроскоп Д. Адамса (1759 г.)



В 1737 г. Иван Беляев изготовил уже целый ряд оптических инструментов: микроскопы, очки и другое оборудование. Он полировал и шлифовал линзы для объективов подзорных труб и на заказ – для очков, а также налаживал оптические инструменты, продолжал брать заказы на изготовление очков от профессоров и действительных членов Академии.

Сохранился документ, показывающий роль Беляева в изготовлении различных инструментов для Камчатской экспедиции, которая отправилась из Петербурга 17 декабря 1737 г. В этом интересном документе, кроме всего прочего, говорится: «Иван Беляев – стеклянных шлифовальных дел мастер, шлифует любое оптическое стекло, а именно: очки, подзорные трубы, микроскопы… и все, что экспериментов физического профессора и метеорологических обсерваторий касается, ныне делает микроскопы, барометры и термометры для Камчатской экспедиции».

Таким образом, династия Беляевых внесла огромный вклад в развитие техники обработки и шлифования линз в России. Появление качественных линз способствовало и научному их применению в составе различных физических приборов.

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru