Ни концепция «зрительных лучей», ни концепция «образов», испускаемых материальными телами, не может объяснить, скажем, от чего человек видит днем лучше, чем ночью, или от чего подчас зрительный образ отличается от действительных вещей. Например, человек видит предметы, отраженные в зеркале, там, где их заведомо нет, а если смотреть на отражение предмета в кривом зеркале или на предмет, частично погруженный в воду, то изображение получится искаженным. Однако, как уже упоминалось выше, несоответствие теории видимым фактам в эпоху Античности скорее говорило против фактов или против истинности их восприятия, но уж никак не против теории.
Тем не менее, уже в Древней Греции были известны некоторые законы геометрической и физиологической оптики [2]. Например, первый постулат в «Оптике» Евклида гласит: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Этот постулат в виде основного принципа физиологической оптики, дожил до наших дней. Сходное утверждение содержится и в «Катоптрике»: «Все, что видно, видно по прямой». Евклид не ограничивается простой констатацией факта, на десяти (по другим сведениям, двенадцати) постулатах «Оптики» он строит геометрическое рассмотрение оптики, исследует геометрические проблемы, связанные с прямолинейным распространением света, например, образование тени. Закон перспективы так же является одним из постулатов «Оптики»; понятия «конуса зрения» и точки наблюдения из этого закона актуальны и сейчас:
«Фигура, образуемая лучами зрения, представляет собой конус, вершина которого находится в глазу, а основанием служит граница предмета».
В «Катоптрике» дается точный закон отражения света, рассматривается ряд задач с отражением от плоских и сферических зеркал. Решения этих задач и ряд выводов, сделанных из них, вполне согласуется и с современной наукой. И не удивительно. В самом деле, для решения задач геометрической оптики в принципе не важно направление распространения лучей света: от предметов к глазам или от глаз к предметам. При изменении направления распространения лучей на противоположное конфигурация прямых или ломанных (с точками излома на зеркале) линий, вдоль которых распространяются лучи, углы, которые эти линии образуют друг с другом и с поверхностью зеркала, расстояния до предметов и размеры предметов остаются неизменными. Для решения таких задач на основе постулатов «Оптики» и «Катоптрики» Евклида требуется лишь знание геометрии. Однако в «Катоптрике» содержится и внутреннее противоречие: если свет отражается от зеркала, то почему же человек «видит по прямой»?
Другой античный трактат по оптике - «Оптика» Птолемея - написан в том же духе, что и работы Евклида. Однако Птолемей не ограничился рассмотрением прямолинейного распространения и отражения света - он исследовал законы преломления, установил, что в результате астрономической рефракции кажущееся положение звезд выше истинного. Кроме того, Птолемей исследовал не только геометрическую оптику, но и описал процессы, лежащие в основе восприятия оптических иллюзий.
Исследование вопросов оптики философами Античности показывают, что несмотря на приоритет, принадлежавший рационализму, как методу познания, а первооснове и первопричине, как объекту исследования Вероятно, отсюда проистекает прекрасное изучение геометрии в период Античности (недаром та геометрия, которой мы пользуемся и сейчас для описания мира, в котором живем, носит имя Евклида). Ведь геометрия, как область математики, работает в основном с идеальными объектами, для изучения которых логические наблюдения и построения нужны много более, чем наблюдения., другие области исследования все же не оставались вовсе без внимания. Более того, на взгляд автора реферата, изучение оптики невозможно без использования хоть в какой-то мере знания, полученного путем наблюдений и опытов.
Античная теория оптики, запутывающая физиологическую и геометрическую оптику, порой оказывала последующему развитию науки «медвежью услугу», особенно в Средние Века, когда отдельные труды древних мыслителей были возведены в ранг догматов, не подлежащих обсуждению или оспариванию. Однако именно в период Античности были заложены первые основы оптики.
2.2 Оптика в Средние Века
После упадка древнегреческих цивилизаций и завоевания Египта, части территории Испании, Италии и Византии - стран, где была распространена Античная культура - арабами началась ассимиляция культуры Античности с культурой Средневекового Востока. Благодаря этому труды и достижения мыслителей Древней Греции сохранились и вернулись в Европу уже с Востока.
Самая оригинальная работа по оптике, написанная в Средние века, принадлежала, пожалуй, перу Ибн аль-Хайсама, более известного в Европе под именем Альхазен [2, 3, 4, 11]. Используя анатомическое строение глаза, приведенное Галеном во II веке нашей эры, и подкрепив его медицинскими исследованиями Альхазен рассматривал различные случаи ослепления, в особенности, боль в глазах и возможное ослепление, которое причиняют яркий свет., Альхазен делает фундаментальный постулат:
«Естественный свет и цветовые лучи воздействуют на глаза».
Второе открытие Альхазена, по значимости не уступающее первому, а то и превосходящее его, состояло в том, что человек не воспринимает весь зрительный образ объекта со всех сторон целиком и одновременно. Напротив, Альхазен разложил этот сложный процесс на множество элементарных, положив, что каждой точке наблюдаемого предмета соответствует определенная воспринимающая точка глаза. Здесь стоит отметить, что Альхазен почему-то считал воспринимающей частью глаза не сетчатку, а хрусталик. Подобное мнение выглядит весьма странно для блестящего ученого, великолепно для своего времени знавшего не только оптику, но и строение глазного яблока - ведь хрусталик тело прозрачное. Кроме того, если воспринимает хрусталик, зачем бы понадобилась вся остальная часть глаза за ним? Льоцци [2] объясняет это тем, что, продолжив ход лучей внутри глаза за хрусталик на сетчатку, Альхазен пришел к выводу, что изображение на сетчатке непременно должно быть перевернутым. Однако подобный вывод противоречит «здравому смыслу» - ведь никто же не видит мир перевернутым.
Альхазен, пожалуй, одним из первых использовал камеру - обскуру, причем свои опыты он ставил, судя по сохранившимся описаниям, с величайшей тщательностью. В результате этих опытов Альхазен приходит, например, к выводу о том, что лучи, исходящие от разных тел, вполне могут пересекаться и при этом не взаимодействуют. Этот вывод невероятно важен для оптики. Он означает, что (во всяком случае, до некоторого предела мощности) лучи света не видоизменяют друг друга или же среду, в которой распространяются В противном случае было бы возможно взаимодействие лучей через это изменение среды.. Каждая последующая теория о природе света должна была согласовываться с этим принципом. Если свет - флюид, то флюид этот не может иметь ни веса, ни плотности, ни упругости. Если поток корпускул, то корпускулы эти должны быть достаточно малы и достаточно разряжены, чтобы не сталкиваться друг с другом. Если же свет - это волна, то такие волны должны взаимодействовать по линейным законам, когда эффект от наложения двух волн всегда есть только сумма эффектов.
Работа Альхазена, пожалуй, дала первый толчок к разделению физиологический и геометрической оптики. Эта работа содержит очень важные для оптики выводы, значение которых трудно переоценить. Однако, к сожалению, работа Альхазена мало была известна в Европе, хотя и знаменита. Более распространен в Средние Века был трактат Вителлия, человека, о личности которого мало что известно [2]. В его трактате, по существу, изложено содержание и методы физики арабов, там есть лишь два новых факта по сравнению с Альхазеном: доказательство того, что параболическое зеркало имеет единственный фокус (однако это положение, похоже, было сформулировано еще греческими авторами) и тщательное изучение радуги.
2.3 Оптика в период Возрождения
Из-за оптических иллюзий, описанных еще мыслителями Античности, а затем - Альхазеном в Средние Века, - к оптике в Средние Века сложилось настороженное, недоверчивое отношение [2]. Зрение считалось самым обманчивым из всех чувств. Вероятно, это удержало Франческо Марволика от опубликования его труда по оптике - самого оригинального труда по оптике со времен Вителлия. Трактат Марволика разделен на две части: первая посвящена прямолинейному распространению света и его отражению от зеркал различной формы (плоским, сферическим, коническим и так далее), вторая - преломлению, радуге, аномалиям глаза и коррекции зрения с помощью очков. Так, Марволик вводит фундаментальное положение теории зрения - лучи преломляются на хрусталике Отсюда следует, что именно аномалии хрусталика приводят к таким пробемам со зрением, как близорукость и дальнозоркость., органом же восприятия является сетчатка глаза. Однако вместо того, чтобы принять перевернутое изображение на сетчатке, Марволик использует сложное построение, должное показать, что изображение получается непременно прямым.
В геометрической оптике основная заслуга Марволика связана с изучением преломления света. Так, Марволик исследовал преломление света стеклянной сферой и наблюдал диакаустику. Марволик первым обнаружил способность призмы раскладывать солнечный свет в спектр, и, что кажется удивительным, первым описал семь цветов радуги (у Вителлия упоминалось всего три цвета). Кроме того, Марволик заметил, что эти цвета совпадают с цветами солнечного спектра, полученного при помощи призмы. Это открытие могло бы показать, что радуга образуется из-за процесса, аналогичного происходящему с солнечным светом в стеклянной призме. Но, к сожалению, в те времена господствовала точка зрения, высказанная еще в Античности: свет сам по себе не имеет цвета, цвет - нечто другое, совершенно отдельное, связанное скорее со свойствами поверхности вещей. В период от Марволика до Ньютона считалось (вероятно, так считал и сам Марволик, хотя на это прямых указаний нет), что призма «навязывает» цвета свету, то есть, обладает свойством значительно (и, скорее всего, необратимо) изменять солнечный свет, примешивая к нему изначально несвойственное качество цвета.
Но все же роль этого открытия в создании теории света весьма значительна. Поставив на пути веерообразно расходящихся после призмы цветных лучей белый экран, можно наблюдать на этом экране цвета, изначально ему не присущие. Если затем убрать призму, то можно убедиться, что сам по себе экран цвет не изменил и остался белым. Следовательно, цвет далеко не обязательно есть свойство поверхности предмета, а может быть связан со светом. Автор реферата не находил в литературе свидетельств, что кто-либо до Ньютона проводил подобный опыт и, тем более, сделал именно такие выводы. Сейчас этот опыт представляется простым и даже естественным: ведь солнечные лучи могут наблюдаться либо с помощью экрана, либо в сильно запыленном (задымленном или заполненным туманом) воздухе, и первое представляется более простым для реализации, нежели второе. Так же очень сомнительно, что призма непрерывно стояла на своем месте и освещалась так же непрерывно в течение многих суток под одним и тем же углом. В какой-то момент ее должны были убрать или (если опыт и вправду проводился более нескольких часов), призма перестала бы освещаться солнцем (из-за ночи или плохой погоды). В любом случае, в какой-то момент «цветные лучи» перестали бы падать на экран, при этом нетрудно заметить, что экран сам по себе окрашенным не стал. Однако такое явление, во-первых, надо заметить, а во-вторых, задуматься, почему же оно произошло, как оно могло произойти, если цвет бывает заключен только в материальном теле. До подобного опыта и подобной мысли нетрудно дойти в наше время, во время существования вполне сформированной теории цвета, однако придумать их самостоятельно могло быть значительно труднее. Таким образом можно было бы прийти к современной теории о свете и цвете. Но чтобы это сделать, потребовался гений Ньютона.
Обратимся к истории.
Великий ученый: математик, оптик, механик и астроном, первооткрыватель законов движения планет Солнечной Системы - Иоганн Кеплер - написал в 1604 году фундаментальный труд по оптике «Паралипомены к Вителлию», а в 1611 году - уточняющую и дополняющую его «Диоптрику» [1, 2, 3, 4, 6, 7, W]. В этих работах прекрасно для того времени рассматриваются вопросы геометрической оптики и механизмов зрения, Кеплер делает важные открытия:
1) При преломлении лучей, проходящих через задиафрагмированную сферу, одна точка изображения соответствует одной точке предмета, а параллельный поток лучей сходится в точке, которую Кеплер назвал «фокусом».
2) Кеплер продолжил ход лучей света до сетчатки глаза и показал, что изображение на сетчатке непременно будет перевернутым, однако из этого не следует, что мы видим мир перевернутым, опрокинутым, «вверх ногами»: глаз может воспринимать нижнюю точку изображения на сетчатке, как верхнюю, а левую - как правую, таким образом обеспечивая восприятие мира именно таким, как он есть.
3) Кеплер усовершенствовал рефрактор Галилея, заменив схему с выпуклой (собирающей) и вогнутой (рассеивающей) линзами на схему с двумя выпуклыми линзами. Данная схема обеспечивала значительно более широкое поле зрения, в котором все объекты были видны отчетливо, по сравнению с «голландско-галилеевой трубой» с выпуклой и вогнутой линзами.
Но вот что пишет Кеплер о природе цвета в «Паралипоменах к Вителлию» [2, 8]:
«Цвет - потенциальный свет, заключенный в прозрачной материи (если вообще он может считать чем-то независимым от зрения), а различные свойства в природе материи, в зависимости от ея разреженности или плотности, прозрачности или непрозрачности, обуславливают разнообразие цветов. (…) Несомненно, что они [цвета] обязаны своим существованием ослаблению света и прибавлению водянистого материала.»
Сходного мнения придерживался знаменитый (так его называл сам Ньютон) Антониа де Доминика. В его трактате о свете читаем (цитаты из доклада Мандельштама, [6]):
«Если в теле заключен чистый свет, как, например, в звездах или огне, и этот свет теряет по какой-нибудь причине свой блеск, то он кажется белым светом.
Если к свету примешивается некоторое количество тьмы, которая все же позволяет свету проходить и не поглощает его всецело, тогда появляются промежуточные цвета. На этом основании огонь кажется красноватым, потому что смешан с дымом, затемняющим его… Существуют три промежуточных цвета: наименьшая примесь тьмы производит красный цвет…»