Введение

Астрофизика — наука, изучающая физические явления и химические процессы, происходящие на небесных телах, в их системах и в космическом пространстве. Ее историю обычно принято начинать с середины XIX в., когда был открыт спектральный анализ. Однако многие проблемы, входящие в компетенцию современной астрофизики, были поставлены еще учеными XVII—XVIII вв. Как правило, астрофизические вопросы, с которыми сталкивались эти ученые, включали сложный комплекс астрономических, метеорологических и других наблюдений, лабораторных экспериментов и теоретических рассуждений и обобщений.

Одним из первых встал вопрос о том, есть ли атмосфера на Солнце и Луне. Он был связан с наблюдениями солнечных затмений, которыми в то время широко пользовались для определения географических долгот. Как известно, в момент наступления полной фазы затмения, когда темный диск Луны закрывает от земного наблюдателя Солнце, вокруг него вспыхивает узкий светящийся ободок. Физическая природа этого хромосферного кольца стала понятна лишь во второй половине XIX в., однако причину его возникновения живо обсуждали еще в XVII—XVIII вв.

Так, И. Кеплер в 1604 г. объяснил это кольцо свечением лунной атмосферы, пронизываемой солнечными лучами [1]. Дж. Д. Кассини, исходя из своих наблюдений зодиакального света (1683 г.) [2], думал, что светится атмосфера Солнца, которую он счел весьма протяженной. Существование атмосферы на Солнце подтверждали и наблюдения солнечных пятен и факелов, открытых Г. Галилеем в 1610 г. [3].

Ж.Н. Делиль заинтересовался этими вопросами с 1706 г., когда еще юношей он впервые увидел полное солнечное затмение в Париже и решил стать астрономом, чтобы понять природу хромосферного кольца. Такая возможность ему вскоре представилась. 3 мая 1715 г. в Париже наблюдалось полное солнечное затмение, 28 июня — покрытие Венеры Луной, а 25 июля — покрытие Юпитера Луной. Все эти явления были видны на территории Европы и привлекли пристальное внимание французских и английских ученых. Друг Делиля Ж.Е. Лувиль, наблюдавший затмение в Лондоне вместе с Э. Галлеем, объяснил хромосферное кольцо за счет рефракции света в лунной атмосфере, которую он считал весьма протяженной [4]. Парижские наблюдатели с этим не согласились. На основании собственных наблюдений покрытий звезд и планет Луной они хорошо знали, что столь плотной и протяженной атмосферы на Луне быть не может, потому что она дала бы о себе знать при этих наблюдениях. Однако никто из французских астрономов никогда такого влияния лунной атмосферы не отмечал. Пришлось искать другое объяснение замеченных явлений.

Парижская дискуссия о дифракции света. Тогда-то Делиль и вспомнил о дифракции света. Это явление наблюдается при прохождении света мимо резких краев тел или через узкие отверстия и щели. При этом нарушается прямолинейность распространения света. Дифракция всегда сопровождается явлениями интерференции. В результате дифракции и интерференции света возникает так называемая дифракционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных областей — полос, колец или пятен. При этом белый свет разлагается на составные цвета. Дифракция и интерференция — важнейшие свойства света, доказывающие его волновую природу. Дифракция света была открыта итальянским ученым-иезуитом Ф.М. Гримальди в 1663 г. в Болонье, где он работал вместе со своим учеником Дж. Д. Кассини, будущим основателем Парижской обсерватории. Результаты экспериментов Гримальди были опубликованы через два года после его смерти, в 1665 г. [5]. Эти опыты удачно повторили выдающиеся английские физики Р. Бойль в 1664 г. [6], а позднее, в 1672—1675 гг., Р. Гук [7], а затем и И. Ньютон [8], подтвердившие реальность описанных Гримальди явлений. Однако французские физики О. Фабри и Э. Мариотт в 1679 г. не смогли воспроизвести столь тонкие эксперименты и сочли их ошибочными. Так новое свойство света оказалось надолго забытым в Париже. Гримальди назвал открытое им свойство света дифракцией (от лат. diffrango — «дробить», «ломать»), а Ньютон — изгибанием (от лат. inflexio — «изгибать», «огибать»). Впоследствии предложенный Гримальди термин стал общепринятым.

Разработка теории дифракции оказалась очень сложной. Полной теории дифракции нет и сегодня. Считается, что первые шаги в ее создании были сделаны английским врачом и физиком-любителем Т. Юнгом в 1801—1804 гг. [9]. Более полную теорию дифракции и интерференции предложил французский инженер О.Ж. Френель в 1818 г. [10]. Для разработки обеих теорий много сделали основатели спектрального анализа Й. Фраунгофер и Г.Р. Кирхгоф. Первый ввел в лабораторную практику дифракционную решетку (1821 г.) [11], а второй дал строгое обоснование принципа Гюйгенса—Френеля (1882 г.) [12]. Разработка различных вопросов дифракции и интерференции продолжается и в наши дни.

Считается, однако, что в изучении дифракции света с момента ее открытия Гримальди и до работ Юнга и Френеля существовал перерыв в полтора столетия. Вот что об этом писал Э. Шрёдингер в 1932 г.: «На протяжении полутора столетий до Юнга и Френеля не пытались повторить этот опыт (опыт Гримальди. — Н.Н.), хотя это можно было сделать простейшими и доступными средствами» [13, с. 25]. Почти то же самое можно прочесть у Г.С. Ландсберга (в предисловии к книге Френеля, см. [10, с. 9—10]), С.И. Вавилова [14] и многих других авторов.

Итак, крупнейшие физики XX в. полагали, что в изучении дифракции света существует перерыв в 150 лет! И хотя правильность экспериментов Гримальди была проверена Гуком и Ньютоном, физики XVIII в. не интересовались дифракцией. Причину этого физики XX в. видели в том, что:

1) в XVIII в. господствовали корпускулярные представления о свете, опиравшиеся на авторитет Ньютона;

2) физики XVIII в. были равнодушны к исследованиям по физической оптике;

3) в XVIII в. даже немногочисленные сторонники волновой теории света не проводили экспериментов, ограничиваясь обсуждением давно полученных результатов.

Изучение работ петербургских ученых XVIII в. убедительно показало, что подобное заключение верно лишь для большинства физиков XVIII в., но не относится к сотрудникам Петербургской Академии наук, которые были убежденными сторонниками волновой теории света. С дифракцией света и его волновой теорией их познакомил Ж.Н. Делиль [15].

Как выяснилось, в 1712 г. в Париже во время астрономических наблюдений он случайно открыл дифракцию света. Затем узнал, что она давно открыта Гримальди, учителем Дж. Д. Кассини. В дальнейшем Делиль познакомился с трудами Ньютона и других исследователей, занимавшихся изучением дифракции, и сумел воспроизвести все описанные в литературе эксперименты, даже и те, которых не воспроизвел сам Ньютон. Делиль понял, что именно дифракция мешала точным измерениям с помощью больших гномонов. Занимаясь лабораторными экспериментами, Делиль сумел получить четкую дифракционную картину с помощью объектива, расположенного в месте входного отверстия. В XVIII в. это был абсолютно новый метод, который вслед за Делилем стали применять и другие исследователи. Им пользовались также, сами того не зная, Юнг и Френель.

Делиль сразу же применил дифракцию для уточнения меридианных наблюдений Солнца. В камере-обскуре он получал изображение Солнца, отбрасывая его на экран, удаленный от входного отверстия на 15—20 футов (4,872—6,496 м). На экране получалось изображение Солнца, окруженное дифракционными кольцами общей шириной в две линии (4,5 мм). Для измерения моментов контактов изображения Солнца с меридианом Делиль использовал одни и те же дифракционные кольца и наводил на них не одиночную нить, а «много длинных волосков». С помощью дифракции удалось значительно повысить точность меридианных измерений. Он не случайно прославился искусством проводить линии меридиана. Делиль провел линии Парижского, Петербургского и Берлинского меридианов. Опыты по дифракции, очевидно, навели Делиля на мысль о волновой природе света. В этом он убедился, проведя эксперименты по измерению скорости распространения в воздухе света от вспышки молнии и звука грома. Эти эксперименты он проводил в Париже с 30 апреля по 21 июля 1712 г., однако опубликованы они были лишь в 1738 г. в Петербурге [16].

Итак, Делиль имел право вспомнить о дифракции и с ее помощью попытаться объяснить явление хромосферного кольца и других явлений, наблюдавшихся в столь богатом редкими астрономическими явлениями 1715 г. Однако прежде чем выступать с докладом, он провел серию лабораторных экспериментов «искусственными затмениями». В камере-обскуре, куда через крошечное отверстие пропускался луч света, на его пути Делиль подвешивал на нити шарики и кружочки из разного материала. Рассматривая такую «модель Луны» непосредственно или отбрасывая ее изображение на экран, легко было заметить, что вокруг «Луны» возникало светлое кольцо.

19 июля 1715 г. Делиль сообщил Парижской Академии наук о своих опытах по «искусственным затмениям». В докладе «Об атмосфере Луны» [17] он сообщил, как, воспроизводя в лаборатории «искусственные затмения», ему удалось установить тождественность хромосферного и дифракционного колец. Ф. де ла Гир повторил эксперименты Делиля с шероховатым каменным шариком и пришел к заключению, что хромосферное кольцо возникает при отражении солнечного света от лунных гор [18]. Делиль не мог с этим согласиться. Проведя новый ряд экспериментов с «искусственными затмениями», где в качестве «модели Луны» использовались как шероховатые, так и хорошо отполированные шарики, Делиль убедительно доказал, что возникновение кольца совершенно не зависит от шероховатости поверхности шарика. Оно возникает вокруг тел любой формы. Детальное сравнение дифракционной картины, полученной в лабораторном эксперименте, с астрономическими наблюдениями хромосферного кольца позволили Делилю обосновать правомерность сопоставления лабораторного эксперимента с астрономическими наблюдениями. Этот принцип лег в дальнейшем в основу современной астрофизики.

С докладом о дифракционной теории хромосферного кольца Делиль выступил 28 августа 1715 г. [19]. Изучив дифракционную картину как простым глазом, так и с помощью луп, зрительных труб и микроскопов (в том числе и «со многими стеклами»), Делиль заметил и ряд тонких деталей, не отмеченных другими наблюдателями. Так, например, он видел более шести светлых полос в тени тел, чего не видел даже И. Ньютон. Делиль установил также идентичность дифракционного и призматического спектров.

И наконец, 7 апреля 1717 г. он выступил с докладом в Парижской Академии наук, где сообщил все, что ему удалось выяснить во время лабораторных экспериментов с «искусственными затмениями». Парижские ученые не поверили в реальность дифракции. Работа Делиля не была опубликована в Париже и даже не упоминалась в отчетах Академии. Однако начатая им дискуссия взволновала французских и английских ученых, возбудила споры о дифракции света и побудила Ньютона выпустить 16 июля 1717 г. второе издание своей «Оптики» [20], куда он впервые включил и все вопросы. Именно с этого издания П. Костом был сделан прекрасный французский перевод [21]. В предисловии отмечалось, что этот перевод был сделан по приказу «мадам принцессы Галлии» в связи с повышением в обществе интереса к оптике и экспериментам по дифракции. Поскольку именно опыты Делиля вызвали этот интерес, а эта принцесса неоднократно присутствовала на его наблюдениях и экспериментах, можно полагать, что выходом второго издания «Оптики» Ньютона и ее французского перевода мы во многом обязаны Делилю.

Все многочисленные и редкие астрономические наблюдения 1715 г. не оправдали больших ожиданий. Однако Делиль во время наблюдений покрытия Венеры Луной 28 июня 1715 г. заметил любопытные цветовые эффекты. Вот как он их описывал: «Но самое странное из того, что я наблюдал, это то, что Венера вблизи освещенного края Луны за некоторое время до захождения (за край Луны. — Н.Н.) показалась мне красной с той стороны, которой она находилась на Луне, и синей — с противоположной стороны... Г. кавалер де Лувиль, который также видел эти цвета, приписывает их атмосфере, которую он допускает на Луне, но мне кажется, что без этой атмосферы можно очень хорошо их объяснить» [22]. Как Делиль говорил впоследствии своим друзьям в Петербурге, он заподозрил существование атмосферы на Венере. Однако надо было еще доказать это, исключив атмосферу Луны. Именно так и было сделано в три этапа:

1) в Петербурге во время наблюдений покрытия Венеры Луной в 1729 г. (см. главу II, с. 69);

2) в Петербурге и других городах Европы во время наблюдений кольцеобразного солнечного затмения 1748 г. в Петербурге (см. главу II, с. 71—75) и в ряде стран Европы по призыву Делиля;

3) в Петербурге в 1761 г., когда М.В. Ломоносов, применив разработанный Делилем метод, открыл атмосферу Венеры.

Пока же Ньютон и его соратники обратили внимание на Делиля как своего единомышленника во Франции. Однако с того же момента все «ньютонианские» статьи Делиля в Париже перестали печатать. Именно в это время в Париж и приехал Петр I, которому легко удалось убедить Делиля переехать в Россию, где он обрел полную свободу научных исследований, в том числе и по дифракции света. Правда, он далеко не сразу отправился в Россию, надеясь, что ситуация во Франции изменится для него к лучшему. Этого, однако, не произошло.

В 1724 г. Делиль побывал в Англии, где был встречен И. Ньютоном, Э. Галлеем и другими английскими учеными как друг и единомышленник. Ньютон подарил Делилю свой портрет с автографом, а Галлей — составленные им таблицы, которые еще не были опубликованы, с просьбой проверять их. Напутствуемый ньютонианцами, с женой, младшим братом и инструментальным мастером, прихватив купленный у Л. Шапото телескоп, Делиль отправился в Россию.

Работы в России. В Петербург он прибыл лишь в конце марта 1726 г. О его работах по астрометрии, геодезии, географии (вернее, картографии), небесной механике уже шла речь в предыдущих главах. Все эти науки были непосредственно связаны с задачами, интересовавшими Петра I. Все они были включены в программу, одобренную царем. Что же касается астрофизических проблем, то они не вошли в эту программу явно. Видимо, Делиль не был уверен в том, как отнесется к таким вопросам русский самодержец. Все же он включил в свою программу такие пункты, как «знание рефракций и их изменений» и «всякие эксперименты и физические наблюдения, которые отличие температуры России от других стран Европы могли бы сделать полезными для познания натуральных вещей» (см. главу I).

Вопрос об атмосферной рефракции Делиль упомянул не случайно. Уже с XVI в. считалось, что атмосферная рефракция зависит от географической широты места. Это мнение основывалось на сообщении голландских моряков, зимовавших близ Новой Земли в 1596—1597 гг. На основании этого сообщения Г. Вера высказал предположение о том, что рефракция световых лучей в северных районах может достигать максимально больших значений [23]. С первых же дней пребывания в Петербурге Делиль и его штатные и добровольные помощники тщательно изучали атмосферную рефракцию, и уже к 1737 г. стало совершенно ясно, что рефракция света звезд не зависит от широты места.

Для того чтобы изучить зависимость атмосферной рефракции от температуры воздуха, его влажности и других свойств, петербургские астрономы вели постоянные наблюдения. Для этого использовались термометры разных типов, барометры, гигрометры, ареометры и другие инструменты, многие из которых были изобретены петербургскими учеными и под их руководством изготовлены в академических мастерских. Особенно много здесь потрудились Д. Бернулли, И.Г. Лейтман и Ж.Н. Делиль. Последний разработал конструкцию ртутного термометра, сегодня известного нам под именем термометра Цельсия.

Термометр Делиля имел две крайние точки отсчета — точку кипения воды и точку таяния льда (при нормальном атмосферном давлении), причем точка кипения находилась внизу, а точка таяния льда — вверху шкалы. Термометр Делиля имел шкалу в 150—140°. Он долго употреблялся в Петербургской Академии наук. В 1742 г. друг и постоянный сотрудник Делили А. Цельсий предложил изменить шкалу этого термометра на 100-градусную. В дальнейшем шкала Делиля—Цельсия была перевернута: нуль-пункт оказался внизу, а точка кипения воды — вверху. В таком виде нам и известен сегодня термометр Цельсия. Первое описание термометра Делиля было опубликовано (вместе с рисунком) в книге Делиля, содержавшей работы его и других сотрудников Петербургской обсерватории, которая была опубликована в Петербурге в 1738 г. [16]. В Петербургской Академии наук термометры Делиля использовались довольно долго, но потом они (как и большинство других инструментов) были перестроены. В настоящее время в России не сохранилось ни одного инструмента такого типа, как и во всем мире. Остался лишь один термометр Делиля, который автор изобретения подарил своему другу А. Цельсию. Этот подарок Делиля до сих пор бережно хранится в Швеции.

Как отмечалось ранее, первые полгода, пока достраивалось здание Кунсткамеры, Академия размещалась в районе «Смольного двора», у теперешнего Смольного. И там Делиль не терял времени. Он начал астрономические наблюдения и организовал метеорологические и геофизические наблюдения, к которым постарался привлечь академическую молодежь. Наиболее активными его помощниками были Ф.Х. Майер и Г.В. Крафт, которые и стали первыми его штатными сотрудниками. Активная работа обсерватории началась, как отмечалось ранее, лишь с 12 июня 1727 г., когда Академия переехала в здание Кунсткамеры. Основные астрофизические исследования проводились на третьем этаже башни, где по указаниям Делиля была оборудована небольшая камера-обскура. Там сразу же начались лабораторные эксперименты по дифракции света. Они пользовались большой популярностью среди всех сотрудников Академии, преподавателей академического Университета и Гимназии, а также и всех студентов и гимназистов.

Делиль широко открыл двери обсерватории для всех желающих, свято выполняя данное им Петру I обещание не только готовить русские научные кадры, но и распространять научные знания, чтобы, по выражению Петра, «чрез розпложение оных польза в народе впредь была» [24, с. 409]. Делиль ухитрился и для астрономии извлечь отсюда пользу. Он считал, что полезно приглашать в обсерваторию всех желающих. Вначале они понаблюдают за работой ученых. Если что-нибудь их заинтересует, Делиль предлагал почитать им соответствующую литературу. Он имел список литературы, включающий около 500 источников по важным проблемам астрономии. Если, прочитав книгу по избранной теме, посетитель выражал желание сам что-либо сделать, ему предлагалось обучиться тому, что необходимо для выполнения избранной темы.

В этом случае Делиль получал нового сотрудника, способного активно работать в избранной области науки. Если посетитель оказывался неспособным самостоятельно работать в избранной им отрасли науки, то, может быть, он мог предложить какую-нибудь свежую идею. Делиль и его ученики готовы были с благодарностью принять и разработать ее. И наконец, если посетитель оказывался неспособным предложить какую-нибудь новую идею, то даже и в таком случае можно было извлечь для науки пользу. Тот, кто понял свою неспособность активно работать в науке, по крайней мере проникался большим уважением к тем, кто смог одолеть столь сложные материи. А если этот посетитель оказывался богатым и знатным (а таких среди студентов академического Университета было немало), то он становился спонсором, поддерживавшим науку материально.

Вопросы И. Ньютона. Лабораторные эксперименты подкреплялись чтением «Оптики» Ньютона, особенно 31-го вопроса, приложенного ко второму изданию. Как говорилось выше, выпуск этого издания был спровоцирован опытами Делиля по дифракции света. Естественно, что этой проблеме главным образом и были посвящены вопросы Ньютона. Он включил сюда множество вопросов по физике и астрономии, которые в настоящее время никто и не связывает с дифракцией света, но в XVIII в. это было еще неясно. Так, первые четыре вопроса касались взаимодействия света с телами, а также особенностей дифракционного и призматического спектров. Вопросы 5—11 рассматривали соотношение света и теплоты: 6-й вопрос касался причин нагревания черных тел, 7-й — взаимодействия света с серыми телами, а также особенностей их горения, 8-й — причин свечения нагретых твердых тел, которое, как полагал Ньютон, могло объясняться колебанием частичек этих тел, 9-й — особенностей огня, 10-й — особенностей воспламенения тел, 11-й — проблем нагревания тел.

Вопрос 12 предлагал выяснить сущность процесса зрения. Различные детали этого процесса рассматривались в вопросах 14, 15 и 16. 13-й вопрос предлагал проверить гипотезу о том, нельзя ли разными сортами колебаний объяснить ощущения разных цветов и звуков. 17-й вопрос предлагал проверить гипотезу о колебательном или дрожательном происхождении ощущений цвета и звука в деталях. В вопросах 18—24 обсуждалась гипотеза эфира — некоей среды, заполняющей все мировое пространство. Говорилось о возможных свойствах эфира, о движении в нем небесных тел, о сопротивлении эфира их движению, а также рассматривался вопрос о процессе зрения в эфире. Вопросы 25, 26 касались трудностей в объяснении явления двойного лучепреломления в кристаллах исландского шпата. В 27-м вопросе обсуждалось, не ошибочны ли гипотезы, объясняющие, что такое свет.

И наконец, в вопросах 28—31 анализировались волновая и корпускулярная гипотезы света. Ньютон был сторонником корпускулярной гипотезы, но он хотел обосновать свой выбор, ссылаясь при этом на свои эксперименты. Так, он писал: «Если бы свет состоял в давлении или движении, распространяющемся мгновенно или во времени, он должен бы загибаться внутрь тени» [20, с. 274]. Но именно такого «загибания света в тень тел» Ньютон и не заметил, тогда как Делиль четко наблюдал светлые полоски в тени тел и показывал их своим коллегам. Итак, все петербургские ученые, присутствуя на лабораторных экспериментах в камере-обскуре, наглядно убеждались в волновых свойствах света. Кроме того, по предложению Делиля летом 1727 г. в Петербурге были проведены опытные стрельбы из пушки, ствол которой устанавливался вертикально вверх. Изменяя вес ядра, величину порохового заряда и длину ствола, удалось получить предварительные оценки упругости воздуха, скорости распространения в нем света от вспышки и звука выстрела. В этих экспериментах от Академии наук участвовали Делиль, Д. Бернулли и только что приехавший в Россию Л. Эйлер. Результаты эксперимента нашли отражение в работах Эйлера, Бернулли [25—28] и других авторов. После этого никто в Петербурге уже не сомневался в том, что свет имеет волновую природу. К сожалению, вместе с тем петербургские ученые твердо поверили и в полную аналогию между светом и звуком, что привело их к представлению о продольных, а не поперечных колебаниях света.

Работа по физиологической оптике. Важным этапом в исследовании дифракции были и занятия физиологической оптикой. При экспериментах по дифракции света, как неоднократно отмечалось, очень важно было устранить окрашивание изображения. Как известно, Ньютон считал, что хроматизм линзовых телескопов и микроскопов устранить невозможно. Именно поэтому он и предложил перейти к зеркальным инструментам. Однако петербургские ученые случайно нашли способ усовершенствовать и линзовые инструменты. Как уже отмечалось, они детально изучали «Оптику» Ньютона, а затем стали штудировать и аналогичные труды других авторов. Особое их внимание привлекла «Оптика» арабского ученого Ибн ал-Хайсама [29]. Эту книгу петербургские ученые штудировали особенно внимательно. На полях латинского перевода этой книги сохранилось такое множество пометок, что их авторы стали подписывать свои замечания, чтобы скорее их находить. В книге Ибн ал-Хайсама был очень верный рисунок глаза человека, который вскоре пригодился петербургским ученым при описании анатомической коллекции знаменитого голландского анатома Ф. Рюйша. Эта коллекция была куплена Петром I в 1716 г. и передана Академии. Необходимо было составить ее каталог. Этим должен был заниматься академик-анатом И.Г. Дювернуа. Следует отметить, что он сам очень интересовался астрономией, особенно оптикой телескопов и микроскопов. Дювернуа решил пригласить Делиля и его сотрудников помочь ему в описании большой коллекции препаратов глаз. В нее входили 109 препаратов глаз человека, теленка, кита, курицы и лягушки. Дювернуа добавил к ним препараты глаз слона, мухи, совы и тюленя.

Делиль и его добровольные сотрудники с радостью взялись за это дело и великолепно с ним справлялись. Подраздел II «О зрении», входящий в раздел «Сокровища об органах чувств», выгодно отличается от других. Он поражает стройностью и логичностью расположения материала, тогда как другие разделы представляют собой нагромождение случайных предметов, как это было принято в кунсткамерах XVIII в., стремившихся прежде всего поразить посетителей.

Разбирая экспонаты анатомической коллекции глаз, петербургские ученые убедились в том, что развитие органа зрения от животных к человеку шло от простого к сложному, от простых, однолинзовых систем к сложным системам из нескольких линз. Схема глаза человека, приведенная в «Оптике» Ибн ал-Хайсама, убедительно показала, что глаз человека состоит из трех преломляющих сред, что дает гораздо более четкое изображение, чем однолинзовая система. Стало ясно, что линзовые телескопы и микроскопы можно усовершенствовать, увеличив количество линз и подобрав их соответствующим образом. В первых исследованиях по оптике участвовали Ж.Н. Делиль, И.Г. Дювернуа, Г.В. Крафт, Д. Бернулли, Ф.Х. Майер и Л. Эйлер, который и разработал впоследствии теорию ахроматов.

Еще в 1725—1726 гг. Эйлер пытался рассчитать трехлинзовый объектив телескопа [30, с. 95]. Вспоминая о возникновении основных идей своей теории, Эйлер писал в 1747 г.: «Вот источник... из которого я постарался позаимствовать для усовершенствования стеклянных объективов... я убедился, что в наших глазах находятся различные жидкости, расположенные таким образом, что не дают никакой диффузии фокуса. По моему мнению, это совершенно новый предмет в устройстве глаза, достойный удивления» [31, с. 279]. Оказалось, что глаз человека также не свободен от хроматизма, хотя он значительно меньше, чем хроматизм одно линзовой оптической системы. Во всяком случае набором нескольких линз можно значительно уменьшить хроматизм объективов телескопов и микроскопов, хотя и не уничтожить его полностью.

Усовершенствованием телескопов и других оптических приборов много занимались М.В. Ломоносов, Д. Бернулли, Г.В. Крафт, X. Н. Винсгейм и многие другие ученые. Эта тематика была в Петербурге традиционной. Традицией стало также и обязательное изучение анатомии для всех оптиков. Не случайно, что именно здесь в 1784 г. Ф. У.Т. Эпинус сконструировал и первый ахроматический микроскоп, названный им «телескопическим».

Эксперименты по дифракции. Итак, петербургские ученые убедились в реальности дифракции света, поняли, что дифракция характеризует волновые свойства света. Чтобы использовать эти знания в изучении атмосфер небесных тел, необходимо было выяснить, все основные свойства дифракции в лаборатории. В результате длительных и многократно повторявшихся экспериментов все петербургские ученые убедились в том, что обнаруженные Делилем дифракционные полосы в тени тел действительно существуют, была выяснена кривизна дифракционной картины и независимость дифракционной картины от источника света, от природы тел, от их формы, массы и размеров. Судя по некоторым высказываниям Делиля, петербургские ученые пытались разработать и математическую теорию дифракции, но эта попытка оказалась неудачной. Делиль долго не печатал результаты лабораторных экспериментов по дифракции, видимо, надеясь на то, что к описанию экспериментов удастся приложить и теорию дифракции. По свидетельству историографа Г.Ф. Миллера, большая статья Делиля, подводившая итоги экспериментам по дифракции света, была уже полностью готова к 1735 г. Наконец, в 1738 г. сборник основных работ Делиля и его сотрудников был опубликован на французском языке и приурочен к 25-летию его научной деятельности.

В сборник вошла большая статья «Эксперименты по свету и цветам» [16, с. 205—266]. В ней подробно излагалась история открытия и изучения дифракции, а также приводились результаты 257 экспериментов, выполненных самим Делилем и под его руководством, и наконец, перечислялись свойства дифракции, установленные экспериментаторами. До 1984 г. эта работа, да и сам сборник, в котором она была опубликована, оставался забытым. И это несмотря на то, что сборник был разослан во все научные центры Европы, где он и хранится до сих пор. Только в результате исследований Петербургской астрономической школы XVIII в., когда были подняты все публикации и архивные документы представителей этой научной школы, этот интереснейший сборник был обнаружен и изучен. Однако в то время не удалось опубликовать какие-либо материалы ни в оригинале, ни в русском переводе. Теперь благодаря содействию Фонда фундаментальных исследований эти интереснейшие материалы представляются на суд русского читателя в переводе с французского.

Результаты всех экспериментов по дифракции, выполненных Делилем как в Париже, так и в Петербурге, с точным описанием методики их проведения хранятся в Архиве Парижской обсерватории, в папке, озаглавленной «Астрономическая рефракция и эксперименты по свету». Как нам удалось выяснить, с созданием в Париже в 1795 г. Бюро долгот (по образцу петербургского Географического департамента!) туда была передана из Морского министерства астрономическая часть архива Делиля (последние годы жизни он работал в обсерватории этого министерства). Д.Ф. Араго, в те годы секретарь Бюро долгот, стал внимательно изучать этот архив. Он широко пользовался коллекцией рукописей Делиля при проведении собственных исследований (по астрономии, геодезии, физике, истории астрономии) и рекомендовал это делать своим современникам (в том числе и приезжавшему в Париж О.В. Струве). Высоко ценя архив Делиля, Араго добился передачи его Парижской обсерватории, директором которой он стал с 1830 г.

Среди других рукописей внимание Араго привлекли и исследования по дифракции света. Успешно повторив некоторые из экспериментов Делиля, Араго, вероятно, стал сторонником волновой гипотезы света. Однако открыто выступить в защиту этих взглядов он не решился, так как большинство членов Парижской Академии наук состояло тогда из ревностных приверженцев корпускулярной гипотезы света (в их числе был и П.С. Лаплас). Араго убедил Т. Юнга и О.Ж. Френеля провести по его указаниям (почерпнутым из архива Делиля) ряд экспериментов по дифракции света. После успешного завершения этих экспериментов Араго сообщил о них Парижской Академии наук и горячо выступил в их защиту. Так эксперименты Делиля и его петербургских коллег помогли Араго, Юнгу и Френелю «переоткрыть» в XIX в. свойства дифракции и ввести их в научный оборот [32, с. 373—376].

Польза экспериментов по дифракции света для астрономии. Вернемся теперь к Делилю и его петербургским сотрудникам. После того как они установили основные свойства дифракции света в эксперименте, можно было взяться за детальное объяснение астрономических явлений. Начало этим исследованиям положила неопубликованная заметка Делиля «Польза экспериментов по дифракции для астрономии» (см. с. 320 настоящего издания). Ее оригинал находится в Архиве Парижской обсерватории (шифр A21, шифр Делиля № 15, 14, Q). Рукопись была изучена нами по позитивному микрофильму. Она не датирована, но по соседним материалам ее можно отнести к началу 30-х гг. XVIII в. Работа состоит из 10 небольших заметок, непосредственно не связанных друг с другом и объединенных лишь общей тематикой. Это набросок плана предстоящих исследований.

Две первые заметки касаются вопроса о возможном влиянии дифракции на наблюдения затмений или соединений планет. Для решения этого вопроса необходимо было провести тщательное измерение видимых диаметров Луны и Солнца. И такие именно исследования проводил Г.В. Крафт в начале 30-х гг. XVIII в. [33, с. 141—146].

В третьей заметке обсуждалось сходство и различие рефракции и дифракции света. Предлагалось провести серию экспериментов по дифракции и рефракции с разными телами. Именно такие эксперименты проводили Г.В. Рихман [34, с. 499, 500] и М.В. Ломоносов в 1744—1745 гг. Ряд этих вопросов Делиля живо обсуждался Ломоносовым в его «276 заметках по физике и корпускулярной философии» [35, т. 1, с. 105 и др.]. Ломоносов также решал и поставленную Делилем задачу об изучении эффектов рефракции и дифракции света в растворах солей и металлов. Об этой работе Ломоносов докладывал 31 мая 1742 г. [ПФА РАН, р. I, оп. 96, д. 91, л. 163].

Четвертая и пятая заметки Делиля касались эффектов дифракции и рефракции света в атмосферах Земли, Юпитера и Венеры.

В шестой заметке обсуждался вопрос о возможности объяснить с помощью дифракции ряд эффектов, замеченных при покрытиях Луной ряда других планет и звезд.

Седьмая, восьмая и девятая заметки затрагивали ряд вопросов, связанных с объяснением некоторых цветовых эффектов, замеченных при наблюдении солнечных пятен. Как известно, наблюдением солнечных пятен Делиль и его сотрудники занимались регулярно с 1730 г. В 1735 г. заметка о них, написанная Г.В. Крафтом, одним из активных наблюдателей солнечных пятен, была напечатана в «Примечаниях на Ведомости» [1735, ч. 23—27].

И наконец, десятая заметка Делиля касалась вопроса об изучении цветовых каемок, возникающих вокруг пламени свечи. Этот вопрос живо интересовал и Ломоносова, как это видно по 107-й его заметке из «276 заметок» [35, т. 1, с. 103—167]. В этих заметках Ломоносова детально обсуждаются почти все поставленные Делилем вопросы. Всесторонне анализируются там и книги, включенные в рекомендательный список Делиля.

Еще одним веским доказательством того, что Ломоносов имел доступ к архиву Делиля, куда допускались лишь близкие друзья и сотрудники, может служить заметка Ломоносова № 183 [35, т. 1, с. 141]. Она представляет собой выписку из работы Э. Мариотта, содержащей описание эксперимента по дифракции, проведенного этим физиком в 1679 г. По утверждению А.А. Елисеева [35, т. 1, с. 53], изучавшего работу Ломоносова, он цитировал здесь Мариотта по изданию 1733 г. почти дословно, опустив лишь две несущественные фразы. Интересно отметить, что приведенная Ломоносовым цитата в точности совпадает с отрывком из архива Делиля. Именно эта цитата находится в бумагах Делиля рядом с работой «Польза экспериментов по дифракции света для астрономии».

Предположение о знакомстве Ломоносова с личным архивом Делиля подтверждает и тот факт, что «276 заметок» были написаны Ломоносовым в 1741—1743 гг. Как известно, именно тогда, только что вернувшись в Петербург из-за границы, где он проходил обучение, Ломоносов вместе с Г.В. Рихманом начал регулярные метеорологические наблюдения в обсерватории, а затем подключился и к другим исследованиям под руководством Делиля. Одним из таких исследований и стало изучение различных эффектов дифракции и рефракции, которые наконец и привели Ломоносова к открытию атмосферы Венеры.

Исследование планетных атмосфер. После того как было выяснено все, что можно, относительно лабораторных экспериментов и правомерности сравнения результатов лабораторных экспериментов с астрономическими наблюдениями, можно было взяться вплотную за изучение атмосфер планет. Прежде всего решили начать с атмосферы Земли. Опытные стрельбы, в проведении которых летом 1727 г. участвовали Делиль, Д. Бернулли и Л. Эйлер, дали материал, говорящий о большой упругости атмосферы Земли. Эйлер в том же году предложил модель «атмосферы-облака» [26]. Обратив главное внимание на упругость атмосферы, Эйлер предположил, что атмосфера Земли представляет собой скопление мельчайших пузырьков, оболочка которых состоит из воды. Пузырьки эти, по мнению Эйлера, вплотную прилегают друг к другу. От жары они могут расширяться, от холода сжиматься, но между ними никогда не бывает промежутков. Такая модель действительно напоминала облако, которое вблизи кажется прозрачным, а издалека будет казаться темным телом. Такую атмосферу невозможно обнаружить, глядя на нее с Земли.

Д. Бернулли в своей «Гидродинамике» [27] предложил совершенно иную модель атмосферы, которая легла в дальнейшем в основу кинетической теории газов. Он полагал, что упругостью обладает не каждая отдельная частица атмосферы, а совокупность таких частиц. Между ними должны быть большие промежутки, поэтому атмосфера обладает определенной прозрачностью, а значит, ее можно обнаружить издалека по эффектам дифракции или рефракции в ней. Эту модель Бернулли начал разрабатывать с 1729 г., когда выяснились недостатки модели Эйлера. Свою «Гидродинамику» Бернулли закончил в Петербурге, но опубликовал уже за границей.

Ломоносов усовершенствовал модель Бернулли и резко раскритиковал модель Эйлера. Особенности обеих моделей он проанализировал в работе «Опыт теории упругости воздуха» [35, т. 2, с. 105—139]. Ломоносов писал: «Частицы воздуха можно представить себе двояким образом: либо отдельные частицы сложены так, что... они стремятся распространить образующие их части, и, таким образом, каждая отдельная частица может расширяться в большее пространство и сжаться в меньшее, либо свойство упругости проявляют не единичные частицы... но... совокупность их» [35, т. 2, с. 111]. В первом случае атмосфера должна была бы быть настолько плотной, что людям на поверхности Земли «пришлось бы обретаться в вечной ночи». Но поскольку этого не происходит, атмосфера Земли скорее устроена так, как думал Д. Бернулли. Интересно отметить, что именно эту статью, где Ломоносов так едко высмеял модель Эйлера, И.Д. Шумахер отправил на отзыв Л. Эйлеру, работавшему тогда в Берлине. Однако Эйлер вопреки ожиданию Шумахера дал восторженный отзыв о работе Ломоносова.

Тем не менее Эйлер не отказался от своей модели атмосферы Земли, но в 1738 г. пытался несколько ее усовершенствовать. В парижской части архива Делиля хранится статья Л. Эйлера с его сопроводительной записочкой, датированной 26 декабря 1738 г. Статья озаглавлена: «О рефракции лучей света». Закончив статью, Эйлер переслал ее Делилю, который вместе с Г.В. Крафтом просмотрел ее, исправив несколько ошибок и неточностей. 30 апреля/11 мая 1738 г. рукопись была возвращена Эйлеру. Он внес в нее необходимые изменения и передал для печати. Однако работа так и не была напечатана. Она приводится в этой главе настоящего издания.

Вплоть до 1761 г. Эйлер действительно верил в то, что атмосферы планет похожи на облака, которые издалека будут казаться черными телами, в которых нельзя обнаружить никаких эффектов дифракции или рефракции. Его убеждение было так сильно, что он даже не пытался наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца в 1761 г., несмотря на призывы Делиля. Но когда он узнал, что М.В. Ломоносов действительно открыл атмосферу Венеры, то по возвращении в 1766 г. в Петербург Эйлер лично руководил всеми работами по организации экспедиций и обработке полученных наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца в 1769 г., когда ни Ломоносова, ни Делиля не было уже в живых.

Как известно, М.В. Ломоносов, опираясь на разработанный Делилем метод наблюдения двух внутренних контактов Венеры с Солнцем, обнаружил при наблюдении второго контакта «тонкое, как волос, сияние», а при наблюдении третьего контакта заметил на краю Солнца светлый «пупырь», которые он правильно истолковал как атмосферу этой планеты. Так лабораторные эксперименты Ж.Н. Делиля по дифракции света привели наконец к открытию атмосферы Венеры, т. е. действительно к астрофизическому открытию. М.В. Ломоносов успешно завершил самое любимое направление исследований своего учителя.

Интересно отметить, что именно у Ломоносова можно найти четкую формулировку целей и задач астрофизики, а также и почти современное название этой науки: «астрономическая физика». В 1762 г. Ломоносов писал: «Астрономическо-физические наблюдения неподвижных звезд и наших планет со спутниками при помощи труб с максимально возможным увеличением полезны тем, что важные явления, которые в течение многих веков не случаются на нашем Солнце и нашей Земле, могут происходить и наблюдаться на многих светилах» [35, т. 4, с. 429].

Литература

1. Kepler J. Epitome astronomiae Copernicanae. Francofurti, 1621. Libr. VI.

2. Cassini G.D. Sur un nouveau phénomène ou sur une lumière céleste // Mémoires de l'Académie royale des sciences. Paris, 1683. Vol. VIII et X.

3. Galilei G. Nuncius sidereus. Venedig, 1610.

4. M. Louville. Observation faite à Londre de l'éclipse total du Soleil du 3 May 1715, n. st. // Mémoires de l'Académie royale des sciences (1715). Paris, 1718. P. 94.

5. Grimaldi P. Physico-mathesis de luminibus et iride. Bononiae, 1665.

6. Boyle R. Experiments and observations touching colours. London, 1664.

7. Hooke R. Postumus works. London, 1705.

8. Newton I. Optics: or a Treatise of the reflexons, refractions, inflexions and colours of light... 2-d ed. London, 1717.

9. Young Th. Miscellaneous works. London, 1855. Vol. I.

10. Френель О. Избранные труды по оптике. М.: Наука, 1971.

11. Fraunhofer J.F. Neue Modification des Lichtes durch gegenseitige Einwirkung und Beugung der Strahlen und Gesetze desselben // Denkschriften der konigl. Bayerischen Akad. der Wissenschaften zu München. 1821—1822. Bd8. S. 1—76.

12. Столетов А.Г. Г.Р. Кирхгоф // Собр. соч. М.; Л., 1941. Т. 2.

13. Шрёдингер Э. Новые пути в физике. М.: Наука, 1971.

14. Вавилов С.И. Физическая оптика Леонарда Эйлера // Леонард Эйлер, 1707—1783: Сборник статей и материалов к 150-летию со дня смерти. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1935. С. 35.

15. Невская Н.И. Петербургская астрономическая школа XVIII в. Л.: Наука, 1984. Гл. 5.

16. Delisle J.N. Mémoires pour servir à l'histoire et au progrès de l'Astronomie, de la Géographie, et de la Physique. SPb., 1738.

17. M. Delisle le cadet Sur l'atmosphère de la Lune // Mémoires de l'Académie royale des sciences (1715). Paris, 1718. P. 147—148.

18. M. de la Hire. Explication de l'anneau lumineux qui paroit autour du disque de la Lune dans les éclipses de Soleil qui sont totales // Ibid. P. 164.

19. M. Delisle le cadet. Réflexions sur l'expériences que j'ai rapportée à l'Académie d'un anneau lumineux semblable a celui que l'on appercoit autour de la Lune dans les éclipses totales du Soleil // Ibid. P. 166—169.

20. Ньютон И. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света / Пер. с 3-го англ. изд. 1721 г., с примечаниями С.И. Вавилова. Изд. 2-е, просмотренное Г.С. Ландсбергом. М.: Гостехиздат, 1954.

21. M. le Chev. Newton. Traité d'optique sur les réflexions, inflexions et couleurs de la lumière / Traduit de l'anglais par M. Coste. Amsterdam, 1720.

22. Delisle le cadet. Observation de l'éclipse de Venus par la Lune // Mémoires de l'Académie royale des sciences (1715). Paris, 1718. P. 136.

23. Vera G. Historia navigationis in Arcton. Amstelodami, 1598.

24. История Академии наук СССР. М.; Л.: Наука, 1958. Т. 1.

25. Эйлер Л. Размышления по поводу недавно предпринятых опытов стрельбы из орудий // Исследования по баллистике. М.: ГИФМЛ, 1961. С. 497—504.

26. Euler L. Tentamen explicationis phaenomenorum aëris // Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae. 1729. T. 2. P. 347—368.

27. Бернулли Д. Гидродинамика или записки о силах и движениях жидкостей. Л.: Изд-во АН СССР, 1959.

28. Bernoulli D. Dissertatio de actione fluidorum in corpora solida et motu solidorum in fluidis // Commentarii Academiae Scientiarum Imperialis Petropolitanae. 1729. T. 2. P. 304—342.

29. Alhazeni. Opticae thesaurus. Basiliae, 1572.

30. Рукописные материалы Л. Эйлера в Архиве Академии наук СССР. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1962. Т. 1. С. 95, № 310, 311.

31. Euler L. Sur la perfection des verres objectifs des lunettes // Mémoires de l'Académie royale des sciences et des belles-lettres de Berlin. 1749. Vol. 3.

32. Невская Н.И. Дифракция света в работах астрофизиков XVIII в. // Историко-астрономические исследования. М.: Наука, 1977. Вып. XIII. С. 339—376.

33. Протоколы заседаний Конференции Императорской Академии наук с 1725 по 1803 год. СПб., 1897. Т. 1. С. 141—146.

34. Рихман Г.В. Труды по физике. М.: Изд-во АН СССР, 1956.

35. Ломоносов М.В. Полн. собр. соч. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1950—1967. Т. 1—10.