Парижская дискуссия об атмосфере Луны

В истории изучения атмосфер небесных тел 1715 г. занимает особое место. Этот год был богат интересными астрономическими явлениями, всколыхнувшими старый спор о природе хромосферного кольца. 3 мая 1715 г. произошло полное солнечное затмение, 28 июня — покрытие Венеры Луной, а 25 июля — покрытие Юпитера Луной. Все явления были видны на территории Европы и привлекли к себе пристальное внимание английских и французских астрономов. Наблюдая солнечное затмение в Лондоне вместе с Галлеем, друг Делиля адъюнкт Парижской Академии наук Лувиль предложил объяснить хромосферное кольцо за счет рефракции света в атмосфере Луны. Он писал: «Тому, кто рассматривает природу этого светлого кольца, не остается никакого места для сомнения в том, что оно было вызвано атмосферой, имеющейся вокруг Луны, подобной той, которая есть вокруг Земли..., что именно воздух, окружающий шар Луны и вызывающий рефракцию в лучах Солнца, отклоняет их от прямой линии и, делая их сходящимися, возвращает на Землю» [175, с. 91]. Лувиль обратил внимание и на прерывистость излучения хромосферного кольца и яркие вспышки в нем, которые он с легкостью объяснил вспышками молний на высоких лунных горах [175, с. 96, 97].

Однако остальные парижские астрономы не согласились с мнением Лувиля, так как на основании собственных наблюдений покрытий звезд и планет Луной они ясно понимали, что столь плотной атмосферы на Луне быть не может. Пришлось искать другое объяснение замеченных Лувилем и Галлеем эффектов. Тогда-то Делиль и вспомнил о дифракции света — явлениях, наблюдающихся при прохождении света мимо резких краев тел или через узкие отверстия и щели. При этом нарушается прямолинейность распространения света. Дифракция всегда сопровождается интерференционными явлениями. В результате дифракции и интерференции света возникает так называемая дифракционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных областей (полос, колец, пятен), причем 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 с Кассини, будущим основателем Парижской обсерватории. Результаты экспериментов Гримальди были опубликованы в 1665 г. [176] и удачно повторены выдающимися английскими физиками Р. Бойлем в 1664 г., а позднее, в 1672—1675 гг., Р. Гуком и И. Ньютоном, подтвердившими реальность описанных явлений. Однако французские физики О. Фабри и Э. Мариотт в 1679 г. не смогли воспроизвести эти тонкие эксперименты и сочли их ошибочными. Вот почему новое свойство света было надолго забыто в Париже. Гримальди назвал его дифракцией,¹ а Ньютон — изгибанием света.² Впоследствии предложенный Гримальди термин стал общепринятым.

В 1712 г. Делиль, не зная о работе Гримальди, заново открыл это явление. Измеряя высоты Солнца с помощью маленького квадранта с телескопом, он заметил появление яркой светлой полосы у края далекой дымовой трубы. Вот как сам Делиль описывал свои наблюдения: «...направив этот телескоп на край одной дымовой трубы,... я заметил, что... край трубы в том месте, откуда Солнце должно было показаться, был ограничен светлой полосой, столь же яркой, как само Солнце» [132, с. 260]. Несколько раз повторив и видоизменив наблюдения и познакомившись впоследствии с работами Гримальди и Ньютона, Делиль понял, что именно дифракция мешала точным измерениям на больших гномонах, применявшихся в XVII—XVIII вв. для определения момента прохождения Солнца через меридиан места. С помощью ряда усовершенствований он значительно повысил точность меридианных измерений. Так, пропуская свет через объектив, установленный в месте входного отверстия, Делиль получил на экране камеры-обскуры не размытое изображение Солнца, как это обычно делалось, а четкую дифракционную картину. Для измерений Делиль использовал одни и те же дифракционные кольца, наводя на них не одиночную нить, а «много длинных волосков» [132, с. 207]. По-видимому, все эти эксперименты привели его к мысли о волновой природе света. Во всяком случае, с 30 апреля по 21 июля 1712 г. он выполнил серию экспериментов по измерению скорости распространения звука и света в воздухе [132, с. 128—130, 132, 133, 135].

Итак, в мае 1715 г. Делиль решил использовать дифракцию света для объяснения хромосферного кольца. Однако для этого необходимо было прежде всего доказать тождественность хромосферного и дифракционного колец. Делиль провел ряд опытов по моделированию «искусственных затмений», о которых он сообщил Парижской Академии наук 19 июня 1715 г. в докладе: «Об атмосфере Луны» [177, с. 147, 148]. Сложность проблемы и недостаточная изученность дифракции света помешали ученому сделать какой-либо определенный вывод.

Вопрос об атмосфере Луны вновь живо обсуждался французскими астрономами в связи с наблюдениями 28 июня 1715 г. покрытия Венеры Луной. Рассматривая моменты контактов этих планет в 7-футовую трубу вместе с Лувилем и английским ученым Шарделу, Делиль заметил интересные цветовые эффекты. «Но самое странное из того, что я наблюдал, — писал ученый, — 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...» [178, с. 136]. Лувиль и эти эффекты приписал атмосфере Луны, тогда как Делиль предложил объяснить их с помощью дифракции света, указав, однако, на то, что для обоснования своей гипотезы ему «придется еще открыть законы этого изгибания и причину цветов, которые оно вызывает» [178, с. 137]. В заключение сообщения, представленного Парижской Академии наук 3 июля 1715 г., Делиль призывал астрономов внимательно наблюдать аналогичные эффекты во время покрытий звезд и планет Луной.

10 июля 1715 г. представил свои наблюдения покрытия Венеры Луной Ж. Кассини, который подробно рассмотрел причину цветовых эффектов, замеченных Делилем и Лувилем. Внимательно изучив одни и те же звезды в телескопы с разным увеличением, Кассини пришел к выводу, что цветовые эффекты следует отнести за счет несовершенства оптики телескопов. Он писал: «Эти эксперименты, кажется, показали с достаточной очевидностью, что различные цвета, замеченные на планете Венере во время этого затмения несколькими астрономами, были вызваны стеклами телескопа и никоим образом не дают какого-либо изменения цвета Венеры из-за ее прохождения в атмосфере Луны...» [179, с. 139]. Кассини выразил надежду на то, что вопрос об атмосфере Луны будет окончательно решен при наблюдениях покрытия ею Юпитера 25 июля 1715 г. Однако при этом, как он указывал, необходимо постоянно держать Юпитер точно в центре поля зрения телескопа [179, с. 139, 140].

Вопреки ожиданиям этого не случилось. 27 июля 1715 г. в Парижской Академии наук были рассмотрены результаты наблюдений Ф. де ла Гира, Дж. Ф. Маральди, Ж. Кассини, Делиля и Шарделу. Оказалось, что при изучении контактов Юпитера с Луной никаких цветовых эффектов в центре поля зрения телескопа заметить не удается. Окрашивание изображения на краю поля зрения или при наблюдениях близ горизонта не имело отношения к атмосфере Луны. Оно возникало либо из-за преломления света в оптической системе телескопа, либо в земной атмосфере.

Итоги дискуссии подвел Делиль в своем выступлении 28 августа 1715 г.: «Рассуждение об эксперименте, о котором я сообщал Академии, со светящимся кольцом, подобным тому, что наблюдают вокруг Луны при полных затмениях Солнца» [180]. Детальное сравнение полученной в лаборатории дифракционной картины с астрономическими наблюдениями хромосферного кольца позволило ему обосновать правомерность сопоставления астрономических явлений с лабораторными экспериментами. Этот метод стал впоследствии ведущим во всех астрофизических исследованиях. В том же докладе Делиль подробно изложил свою теорию хромосферного кольца, согласно которой кольцо, наблюдавшееся во время полных солнечных затмений, возникало из-за дифракции лучей Солнца на краю лунного диска. Темные разрывы в светлом кольце и яркие вспышки в нем Делиль качественно объяснил комбинацией темных и светлых дифракционных полос.

Тщательно изучив дифракционную картину как простым глазом, так и с помощью оптических приборов (луп, зрительных труб и микроскопов), он смог заметить 6 светлых полос, разделенных темными линиями, качественно оценить их интенсивность и цвет, а также установить идентичность дифракционного и призматического спектров. Так Делиль сделал свои первые шаги в области спектрофотометрических исследований, которые стали обычными для астрофизиков XIX—XX вв. И, наконец, в ходе этих экспериментов была четко отработана методика лабораторного изучения дифракции, забытая к концу XVIII в. и вновь примененная О. Френелем лишь в XIX в.

Как видно из приведенных выше материалов, опубликованных в Мемуарах Парижской Академии наук за 1715 г., первоначальный спор об атмосфере Луны постепенно «обрастал» все новыми и новыми вопросами, без выяснения которых нельзя было решить основную проблему, и наконец перешел в дискуссию о дифракции света. Все парижские астрономы приняли участие в обсуждении проблемы лунной атмосферы, однако решать вопрос о дифракции света, т. е. «не чисто астрономический, но связанный также с физикой вопрос», по выражению Ж. Кассини, они не стали. По-видимому, это объяснялось тем, что вплоть до 1723 г. в Париже никому, кроме Делиля, не удавалось успешно повторить эксперименты Гримальди. Вот почему в Парижской Академии наук не были опубликованы и материалы дискуссии по дифракции света, возникшей по поводу доклада Делиля 7 апреля 1717 г.

В то же время английские ученые XVIII в. живо заинтересовались его экспериментами по дифракции света и, считая отныне Делиля своим единомышленником, внимательно следили за его работами. Убедительнее всего об этом говорит тот факт, что все издания Британской экциклопедии, выходившие как при жизни ученого, так и позднее, дают обзор всех его исследований и обязательно в той или иной форме упоминают предложенную им дифракционную теорию светлого кольца, наблюдаемого во время полных солнечных затмений. Этой традиции и поныне следуют все английские и американские энциклопедии [181, 182]. Отметим для сравнения, что во французских, немецких и русских энциклопедиях, изданных как при жизни Делиля, так и после, вплоть до настоящего времени, совершенно не упоминаются его астрофизические исследования, а говорится лишь об астрометрических и географических работах ученого [183—186].

Парижская дискуссия об атмосфере Луны и дифракции света значительно повысила интерес к оптике как в Англии, так и во Франции и 16 июля 1717 г. побудила Ньютона выпустить новое, второе английское издание своей «Оптики», куда впервые был включен и список нерешенных вопросов. Именно с этого издания был сделан великолепный, по отзывам специалистов, французский перевод П. Коста, а также выполненный С.И. Вавиловым русский перевод 1187—189].

Стараясь подчеркнуть важность проведения точных лабораторных экспериментов по дифракции света для решения вопроса о физической природе хромосферного кольца, Ньютон писал в предисловии к своей книге: «Я стремился дать понятие о цветных коронах, иногда появляющихся вокруг Солнца и Луны (так он называл хромосферное кольцо, — Н.Н.), но за отсутствием достаточных наблюдений оставляю этот предмет для дальнейшего исследования. Материал третьей книги (посвященной дифракции света, — Н.Н.) я также оставил несовершенным, я не выполнил всех опытов, которые намеревался сделать... Единственная моя цель при опубликовании этих бумаг — сообщить о том, что я испробовал.

и предоставить остальное другим для дальнейшего исследования» [189, с. 5, 6]. «Оптика» Ньютона пользовалась в свое время большим успехом и оказала сильное влияние на современников ученого, которые усиленно обсуждали поставленные Ньютоном вопросы. Однако для их решения необходимо было обладать незаурядным экспериментаторским талантом и в то же время быть искусным астрономом-наблюдателем. Делиль взял на себя проведение этих сложнейших исследований. В 1724 г., как уже говорилось, он посетил Англию и был тепло принят там Ньютоном как продолжатель его работ, в том числе и в области астрофизики. Через год Делиль отправился в Россию, где он надеялся продолжить все свои исследования.

Примечания

1. От лат. diffrango — дробить, ломать.

2. От лат. inflexio — изгибать.