Преломление света

Почти все труды Френеля относятся к оптике. Для избежания скучных повторений я не буду обращать внимания на их хронологический порядок, а расположу их по однородности вопросов. Начинаю с явлений преломления света.

Палка, погруженная в воду, кажется преломленною; это значит, что лучи света, идущие от погруженной ее части, переменяют свое направление или преломляются, переходя из воды в воздух. Обыкновенно думают, что в этом состояли все знания древних физиков о преломлении света. Но в пыли библиотек погребено много сокровищ, и открыв из нее манускрипт птоломеевской оптики, уверимся, что в Александрийской школе не ограничивались одним доказательством этого явления: в оптике Птоломей содержатся довольно точные числовые величины уклонения света для всех углов его падения, при его переходе из воздуха в воду и стекло и из воды в стекло.

Что же касается математического закона упомянутых уклонений, то его тщетно искали аравитянин Алгазен, поляк Виттелион и немец Кеплер; он был найден Декартом. Говорю — Декартом, и одним Декартом, потому что поздние свидетельства Гюйгенса в пользу его земляка Снеллия не могут быть уважены: иначе надобно совсем отказаться от истории наук.

Математический закон важнее самого явления, потому что он становится источником всех будущих открытий. Посредством аналитических преобразований наблюдатели выводят из него множество других более или менее скрытых и неожиданных явлений; но надобно помнить, что новые открытия только тогда не подлежат сомнению, когда основной закон определен строгими измерениями, без которых нельзя им пользоваться в объяснении явлений, доказанных точнейшими наблюдениями.

Вот почему закон преломления света Декарт старался подтвердить чисто математическими соображениями; даже не можно ли предположить, что единственно этим путем дошел он до своего открытия? Ферма опровергал доказательства Декарта и заменил его строжайшим, но, к сожалению, он основался на метафизическом начале, необходимость которого ничем не оправдана. Гюйгенс достиг того же самого закона из принятых им предположений о натуре света. По важности декартова закона, занималась им большая часть геометров XVII столетия, и Ньютон вывел его из общего закона тяготения.

В этом состоянии находился вопрос о преломлении, когда один путешественник привез из Исландии в Копенгаген прекрасные кристаллы, собранные им в заливе Роэрфордском. По величине и по замечательной их прозрачности они оказались весьма способными для опытов над преломлением света. Бартолин первый начал заниматься ими и весьма удивился, когда заметил, что свет в исландских кристаллах разделяется на две части, или когда он увидел, что удваиваются все рассматриваемые через них предметы. После того подобные кристаллы были найдены и в других местах, потому что везде много кислоугольной извести. Итак, надобно было начать новые исследования о преломлении; по крайней мере, прежние сделались недостаточными, как относившиеся только к одному лучу, и притом направление и величина раздвоения переменялись различным образом, когда луч переходил из кристалла в кристалл или когда переменялись углы его падения на одну и ту же сторону кристалла. Гюйгенс победил все затруднения и составил общее правило, содержащее в себе подробности явления. Но это правило, несмотря на его изящную простоту, не было принято. В продолжение многих веков уверились, что гипотезы бывают или бесполезны, или обманчивы, и во время Гюйгенса образовалась реакция, которая и в политике и в науках редко удерживается в благоразумных пределах. Гюйгенс основал свое правило на гипотезе, и правило его было отвергнуто без рассмотрения; даже пренебрегли точными его измерениями, как основанными на ложном начале. Сам Ньютон принадлежал к числу противников Гюйгенса и остановил успехи оптики более, нежели на столетие; одни только многочисленные опыты знаменитых членов академии, Волланстона и Малюса, указали правилу Гюйгенса достойное его место в физических теориях.

После продолжительных споров о математическом законе двойного преломления в исландском кристалле решили, что второй луч происходит от неправильного преломления только одной части падающего света, другая же часть преломляется по закону Декарта, потому что кислоугольная известь, кристаллизуясь, приобретает некоторые особенные свойства, не теряя, однако ж, общих свойств прозрачных тел. Положим, что сбивчивое объяснение справедливо для исландского кристалла: но почему частный случай осмелились сделать общим? Вот главная ошибка физиков того времени: существуют другие кристаллы, в которых общий закон преломления не оправдывается; в них оба луча, на которые разделяется падающий свет, преломляются так неправильно, что по закону Декарта совсем нельзя определить их направления.

Френель, объявив в первый раз такое неожиданное явление, поверил его непрямым способом, замечательным той странностью, что в нем преломление света выводится из опытов, в которых не бывает никакого преломления. Как же можно было положиться на такие опыты? Правда, самая странность открытия требовала некоторой осторожности: даже, подобно правилу Гюйгенса, некоторые физики имели право считать его основанным на гипотезе. Но как бы то ни было, Френель не остановился пред такою трудностью: он уничтожил все возражения, доказав, что в параллелепипеде, составленном из двух призм с разными углами, никакой луч не проходит без уклонения сквозь противоположные и параллельные его стороны.

И так физики, между которыми можно указать на имена знаменитые, старавшиеся в одно правило заключить все возможные случаи двойного преломления, ошибались, допуская, что половина света, лучи, называемые обыкновенными, при одинаковых углах падения уклоняются одинаково, в каком бы направлении ни был разрезан кристалл. Истинный закон этих сложных явлений, закон, содержащий в себе правила Декарта и Гюйгенса, как частные случаи, принадлежит Френелю. Такое открытие доказывает соединение великого таланта производить опыты с духом изобретательности.

Признаюсь, что явления двойного преломления, разобранные Френелем, и связывающие их законы весьма сложны. На это жалуются многие ленивые умы, потому что они желают, чтоб всякая наука ограничивалась поверхностными исследованиями, которые можно усвоить в несколько часов и почти без труда. Но кто не поймет, что при таких условиях науки не пройдут вперед, и что пренебрегать явлениями, затруднительными для слабых умов, значит преградить путь к открытиям?

Так астрономия, ограниченная знанием созвездий и некоторыми незначительными наблюдениями над восхождением и захождением звезд, была всем по силам; но такую астрономию можно ли назвать наукою? Когда колоссальный, буквально беспримерный труд Кеплера равномерное движение планет по кругам переменил на неравномерное их движение по эллипсисам, тогда его современники имели право жаловаться на сложность теории; но что из нее вышло? В руках Ньютона сложные движения сделались основанием величайшего открытия нового времени, — открытия закона простого и всеобъемлющего; они послужили доказательством, что каждая планета управляется единственной силой, притяжением солнца.

Наблюдатели, распространившие труды Кеплера, показали, что даже эллиптические движения недостаточны для объяснения истинных перемещений планет, и наука сделалась еще сложнее; но изменения в эллиптических движениях, известные под именем возмущений, не уничтожились бы от пренебрежения их по причине сложности; не допустив их в науку, лишили бы ее важнейших следствий, как например, определения масс светил, составляющих нашу солнечную систему; упорствуя в наблюдениях только одних простых явлений и пренебрегая весьма малыми неравенствами в планетных движениях, никогда бы не узнали, что вес почти трехсот пятидесяти тысяч земных шаров равняется весу солнца.

Не распространяясь более в этих замечаниях, я соглашаюсь, что до современных открытий оптика была весьма легка, по силам каждому и чрезвычайно удобна для преподавания в публичных курсах; но новые открытия составляют существенное ее богатство, способны к любопытнейшим приложениям, указывают на несообразности различных теорий света, ведут к другим открытиям и учат, что ни один опыт не бесполезен; напротив, надобно как можно более разнообразить опыты. Человек ума всеобъемлющего и часто под шуткою скрывавший глубокие истины, словом, Вольтер, всякую теорию сравнивал с мышью, «которая пролезла через девять щелей, но не могла проскользнуть сквозь десятую». Увеличивая число лазеек до бесконечности, или — говоря без шуток — собирая наибольшее число наблюдений, удовлетворяющих теории, астрономы поставили свою науку на первое место между человеческими знаниями.

Идя по этому пути, различным отраслям физики можно сообщить тот характер очевидности, которого недостает многим из них.

Во всякой наблюдательной науке надобно обращать внимание на явления, на связывающие их законы и на их причины. Затруднения часто останавливают наблюдателей на первом шаге, т. е. на первом из упомянутых предметов, и почти никогда не достигают до третьего.

Открытия, сделанные Френелем относительно явлений и законов двойного преломления, должны были побудить его к изысканию их причин: и здесь он действовал с блестящим успехом; но стесняемый временем, я могу предложить только важнейшие из его заключений.

Когда Гюйгенс издал свой «трактат о свете», тогда знали только два камня, производящие двойное преломление, — кислоугольную известь и кварц; ныне же можно скорее пересчитать те кристаллы, в которых не происходит двойного преломления, нежели те, которые одарены способностью раздваивать лучи света. Прежде надобно было заметить в кристалле очевидное раздвоение луча, чтоб уподобить его кристаллу исландскому; всякий раз, когда это раздвоение было весьма мало, едва приметно для глаза, наблюдатель оставался в сомнении, не смел сказать решительного мнения; ныне же, посредством весьма простого способа, изобретенного одним из членов нашей академии (Араго), можно увериться в существовании двойного преломления по признакам, совершенного независящим от двух раздельных изображений предмета. Этим новым способом можно исследовать двойное преломление в самых тончайших телах. Однако ж зная, что двойное преломление не может существовать без очевидных явлений, на которых основывается новый способ, нельзя сказать утвердительно, что оно непременно сопровождает их. Это сомнение подтверждается тем, что сам изобретатель способа нашел стеклянные пластинки, которые, не разделяя приметно изображений предмета, производят все упомянутые явления. Отличный берлинский ученый Зеебек открыл, что всякое стекло, сильно и скоро охлажденное, имеет те же свойства, и наконец, один весьма искусный эдинбургский физик произвел те же самые явления в стеклах, сильно сжимаемых по определенному направлению. Принимая во внимание эти опыты, Френель задал себе важную задачу и счастливо разрешил ее: он несомненно доказал, что обыкновенное стекло, измененное охлаждением или механическим сжатием, всегда разделяет свет на две части.

Помещая стеклянные призмы в одной железной оправе с остроумно расположенными винтами, Френель сжимал их и сообщал им способность двойного преломления. В оптическом смысле собрание кусков обыкновенного стекла представляет истинный исландский кристалл; но здесь разделение изображений и все прочие происходящие из него явления исключительно производятся действием винтов; само же сжатие может только сближать частицы стекла по его направлению, а перпендикулярно к нему частицы не переменят своих взаимных расстояний, и потому можно ли сомневаться в том, что подобное размещение частиц кристаллизацией есть общая причина двойного преломления в кислоугольной извести, в кварце и во всех того же рода минералах? Если рассмотрим внимательно остроумные снаряды, посредством которых Френель сообщил обыкновенному стеклу двойное преломление и тем подвинул науку далеко вперед, то удивимся изобретательности ума, находившего пособие или в искусствах, или в ловкости производить опыты. Некогда Франклин желал, чтоб физики умели пилить ножом и резать пилою: Френель удовлетворял требованию американского типографщика.

Недостаток времени не позволяет мне упомянуть о других различных трудах нашего товарища, относящихся также к преломлению света, и о которых без преувеличения можно сказать, что они могли бы прославить многих первоклассных физиков. Поэтому спешу перейти к оптической теории, не менее любопытной и совершенно современной, к теории интерференции. Она дает нам новые доказательства необыкновенной проницательности Френеля и неистощимости его изобретательного ума.