Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ
Российской академии наук
Р Е Ф Е Р А Т
по дисциплине «История и философия науки»
на тему «Волновая и корпускулярная теории в оптике Ньютона и их роль в возникновении спектроскопии»
Семенова Анна
Нижний Новгород
2013
Оглавление
Введение
Существуют понятия, смысл которых ясен интуитивно, однако дать точное определение которым сложно, если не невозможно.
Вот, например, короткое слово «наука». Что именно оно означает?
Если выйти на улицу и спросить первого встречного, знает ли он, что такое «наука», то вопрос, скорее всего, будет понят не верно. Человек может подумать, что речь идет о каком-нибудь новейшем достижении в конкретной области науки, о которой он раньше никогда не слышал, а может и обидеться. оптика ньютон спектроскопия
В лучшем случае ответ будет звучать примерно так:
«Наука - это тогда, когда пишут формулы, ставят опыты, изобретают, делают открытия, работают ученые…»
или:
«Наука - это то, что пишут в специальной литературе, изучают в ВУЗе, делают ученые».
То есть, наука определяется через ее проявления.
Самое интересное заключается в том, что в философии так же нет простого и четкого определения, что же скрывается за словом «наука». Смысл этого понятия определяется через его проявления. Можно выделить три ипостаси науки:
1) «Это тогда, когда все через формулы» - наука, как особый вид мировоззрения.
2) «Это то, что делают ученые» - наука, как специфический вид деятельности.
3) «Это то, чем занимается Институт» - наука, как социальный институт.
Из-за отсутствия четкого определения, что же такое «наука вообще», очень трудно провести грань между наукой и не-наукой. Сложно установить статус еще не доказанной гипотезы или, напротив, теории уже развенчанной, опровергнутой, но существовавшей и развивавшейся, такой, как принцип относительности Галилея в физике или флогистон Шталля в химии. Еще сложнее отделить науку и не-науку в историческом плане, установив день и час, когда наука произошла от своих предшественников.
История великих научных открытий в той или иной мере хорошо изучена. В справочной литературе нетрудно найти, что Ньютон поставил свой знаменитый опыт по преломлению света призмой в 1666 году, а Энштейн объяснил законы фотоэффекта в 1905.
Но год и даже век возникновения науки, как таковой, не установлен до сих пор.
Создал ли науку первобытный человек в каменном веке, когда привязал камень к палке и тем самым впервые применил знания и воображение для изменения природы, для создания нового объекта с заданными свойствами?
Или же наука родилась в Античности, когда философы потребовали логического обоснования всякому знанию?
Создали ли науку труды английских эмпириков XIII века, разработавших основы научного эксперимента?
Или же следует отдать честь отца науки Галилео Галилею, впервые использовавшему математическое описание явлений и мысленный эксперимент?
Возникла ли наука вместе с появлением профессии «ученый» в XIX веке, когда в лаборатории Либиха соединились процессы подготовки студентов и исследования мира, а Нобель заработал целое состояние при помощи своих знаний и исследований?
А может, раз мы еще не знаем, что такое наука, то науки еще нет? Может, наука еще только начинает быть, и ее пока смутный образ, подобно ее определению, еще только складывается из разрозненных мозаичных кусочков знания, метода, принципов построения истинного знания и принципов взаимоотношений ученых между собой и со всем остальным миром?
Кто-то может предположить, что наука - понятие слишком абстрактное и широкое, чтобы загонять его в рамки определений и дат. Существует же деление науки на отрасли: физика, химия, биология, математика…. Эти отрасли развивались по-разному. Так, в XVII веке развитие физики шло семимильными шагами, тогда как химия оставалась еще на уровне алхимии.
Но и в конкретной области науки трудно однозначно определить дату возникновения: можно ли считать первыми физическими исследованиями наблюдения первобытного человека за тем, как горит огонь, как течет вода, как лавина сметает все на своем пути, а первым опытом - камень, брошенный на голову пещерному медведю?
Была ли алхимия в Средние Века одним из этапов развития науки химии или же мистическим учением? Алхимическая гипотеза о трансмутации веществ противоречит современному научному знанию, но в отсутствии нынешней концепции химических элементов выглядит едва ли более неестественной, чем гипотеза о гелиоцентрическом устройстве Солнечной Системы выглядит в отсутствии практически всех современных астрономических знаний - каждый же день видно, что солнце движется по небу.
Трудно, если не невозможно, ответить на вопрос: какое же именно событие послужило началом науки вообще или же какой-либо конкретной научной области, разделив науку, не-науку и донаучное знание.
Даже если взять такую узкую и относительно молодую область физики, как спектроскопию, можно увидеть, что корни ее уходят очень и очень глубоко. Так, первые спектроскопические эксперименты были проделаны Бузеном и Кирхгофом в 1859 году. В этих экспериментах эмиссионные спектры («пробу на окрашивание пламени») и спектры поглощения использовались для контроля чистоты химических веществ и для градуировки оптического инструмента. Как указывают некоторые источники [9], идея использования спектрального анализа вещества для контроля его чистоты возникла, когда Бузен обнаружил совпадение линий спектров пламени, окрашенного парами некоторых веществ, с Фраунгоферовскими линиями в солнечном спектре.
Фраунгоферовы линии, в свою очередь, были открыты Волластоном [10] в 1802 году в результате очень тщательного и высокоточного исследования солнечного спектра. Другое открытие, так же сделанное в начале XIX века в результате тщательного изучения видимого спектра солнечного света - открытие инфракрасного и ультрафиолетового излучения, подчиняющегося обычным законам оптики (прямолинейное распространение, преломление, отражение).
Едва ли идея провести изучение свойств различных цветов солнечного спектра возникла бы без современной концепции о цвете, согласно которой, цвет является свойством электромагнитного излучения, а не иллюзией, возникающей только в глазу, и не свойством поверхности предмета.
Первые предположения подобного рода высказывал Рене Декарт, затем такая теория света и цвета была развита Исааком Ньютоном и Франческо Мариа Гримальди [2].
Но можно заметить, что эффект преломления света, разложение белого света в спектр было известно задолго до Ньютона. Так, Франческо Марволик, наблюдал преломление света призмой уже в XVI веке и показал, что образующиеся при этом цвета совпадают с цветами радуги. А уж радуга, это прекрасное и величественное явление природы, была известна человеку еще на заре первых цивилизаций, так же, как и игра света в гранях драгоценного камня или отражение света от воды, стекла и отшлифованной поверхности металла.
Так нельзя ли сказать, что ювелир в Древнем Египте, шлифующий драгоценные камни для украшений или бронзовую пластинку для зеркала, уже создавал некие предпосылки для развития спектроскопии?
Но тогда и возникновение «первичного спектроскопического знания» можно отнести в незапамятные времена, когда человек впервые наблюдал игру отражения и преломления света на поверхности реки или озера?
В моем реферате я планирую рассмотреть исследования Ньютона, посвященные изучению природы цвета, взгляды этого великого английского ученого на корпускулярную и волновую теории природы света, а так же - роль, которую сыграли исследования Ньютона и построенная им теория в возникновении спектроскопии.
1. Предпосылки возникновения спектроскопии
Френсис Бэкон в сочинении «Новый органон», вышедшем в 1629 году, предложил метод построения научного знания, основанный на эксперименте и индукции. Согласно Бэкону, не следует сваливать в кучу случайно полученные знания, подобно муравью, который все тащит в свой муравейник, равно как и не следует строить замысловатые конструкции, основанные единственно на своих измышлениях, подобно пауку, плетущему паутину из нитей, которые сам же прядет. Для успешного построения истинного научного знания следует собирать экспериментальные факты, раскладывая их по полочкам, подобно тому, как пчела собирает нектар с цветов и раскладывает его по упорядоченным ячейкам-сотам.
Подобный «путь пчелы», путь индукции на мой взгляд очень хорошо описывает возникновение не только отдельных теорий, обобщающих экспериментальное знание, но даже и целых областей науки, например, радиоспектроскопии.
В самом деле, наука эта не возникла из ничего, не свалилась в 1933 году Клитону и Вильямсу, как снег на головы, но возникла из своих предшественников, продолжив идеи и методы оптической спектроскопии в новый частотный диапазон.
Точно то же самое можно сказать и об оптической спектроскопии, которую, пожалуй, можно считать матерью всех последующих спектроскопических исследований. Едва ли эта наука могла бы зародиться, скажем, во времена Античности. Философы Древней Греции относились к чувственному восприятию и опытам с некоторой пренебрежительностью - ведь чувства могли и обманывать, кроме того, чувственным восприятием обладали животные и рабы. Человека, занятого проблемой рационального познания первооснов мира построением логических цепочек, едва ли заинтересовал бы чисто опытный факт, что пламя окрашивается определенным цветом, в зависимости от того, какие вещества были добавлены в огонь. Если мы видим цвет пламени не таким, какой он есть - то не зачем и уделять внимание этой ошибке. А если же мы видим пламя таким, какое оно есть, то надо найти первооснову и установить ее свойства - тогда все явления станут понятны, как частные проявления свойств (целей? души?) этой первоосновы.
2. Оптика до Ньютона
2.1 Оптика в период Античности
Первые рассуждения об оптике, о том, как распространяется свет и о том, как работает зрение, встречаются еще у философов Античности. С точки зрения современного физика представления эти кажутся не только наивными, но так же противоречивыми, запутанными и зачастую неверными, однако следует учесть, что эти представления и теории едва ли могли на что-то опираться. В самом деле, согласно одной из теорий (см. Введение), наука возникла как раз в Древней Греции трудами великих философов. Эти философы были первопроходцами, и не могли воспользоваться знанием прежних эпох и поколений - то знание было разрозненным, отчасти - набором чисто практических рекомендаций обыденного мировоззрения, отчасти же было представлено в виде мифов и легенд. И первое, и второе не опиралось ни на какое рациональное обоснование (разве что размышления вроде «так было и будет», «известно, что происходит именно так», «я видел это собственными глазами»). Кроме того, если мифологическое мировоззрение пользовалось определенным авторитетом, то обыденные знания, «жизненный опыт» и то, что сообщают нам органы чувств, философы отвергали. Чувство низменны: органами чувств обладают и рабы, и животные. Чувства могут обманывать человека, тогда как строгая система логических выводов лгать не может. Вероятно, в таком несколько пренебрежительном отношении к знанию, получаемому лишь при помощи органов чувств, заключались причины не только явного противоречия некоторых философий с реально наблюдаемыми процессами (например, Зенон отвергал возможность движения), но и «странности» теорий, описывающих сами механизмы чувственного восприятия. В самом деле, философы и ученее Древней Греции стремились в первую очередь познать вещество или принцип, лежащие в основе всего сущего - первооснову, первопричину (архэ) и закон ее функционирования (Космос или Логос). Если познать таковую основу, то все остальные, «мелкие» проблемы могут быть разрешены просто выведением частного из этой общей первоосновы.
Однако и в те времена существовало уже несколько мнений относительно механизмов зрения, неразрывно связанных тогда с оптикой. Например, пифагорейцы полагали, что из глаз человека истекает некий флюид, «ощупывающий» видимые предметы - подобно тому, как слепой ощупывает палкой свой путь (такая теория получила название теории зрительных лучей). Атомисты, напротив, полагали, что материальные предметы испускают некие «образы», «призраки», которые, попадая в наши глаза, и создают ощущение зрения. Эти две концепции были объединены Платоном, согласно концепции которого, образ в сознании человека возникает при взаимодействии «мягкого света дня», «ровно и сильно бьющего» из наших глаз, с флюидом, исходящим от тела. При этом, согласно Платону, человек видит только те тела, флюиды которых родственны «зрительным лучам», однако могут существовать и такие объекты, флюид которых не родственен «зрительным лучам» и никакого зримого образа в сознании не создает [2]. Вероятно, к таким объектам относились идеи и понятия, которые, согласно Платону, являются первичными по отношению к вещам.