Предньютоновская эра

Период между серединой 15 века и серединой 17 в Европе получил в истории название "научной революции". Эта революция происходила синхронно с изменениями в религиозном, художественном, политическом, да и просто в бытовом сознании населения Западной Европы, которые сопутствовали переходу от средневекового к новоевропейскому обществу. Именно с научной революцией связаны глобальные перемены в науке, которые во многом определили лицо нового общества.

В науке зарождается экспериментальное естествознание. Его появление было подготовлено протестантской Реформацией и католической Контрреформацией, когда под сомнение были поставлены самые основы средневекового мировоззрения. Так Лютер и Кальвин преобразовали религиозные доктрины. Работы Коперника и Галилея привели к отказу от астрономии Птолемея, а труды Везалия и его последователей внесли существенные поправки в медицину. Все эти события положили начало процессу, ныне называемому научной революцией. Теоретическое обоснование новой научной методики принадлежит Фрэнсису Бэкону, обосновавшему в своём «Новом органоне» переход от традиционного дедуктивного подхода (от общего - умозрительного предположения или авторитетного суждения - к частному, то есть к факту) к подходу индуктивному (от частного - эмпирического факта - к общему, то есть к закономерности).

Середина XVII века – время больших перемен в оптике. Буквально за несколько лет она меняет свою структуру – наряду с геометрической и физиологической оптикой формируется оптика физическая.

Начало изменений подхода к оптике, преобладающими в средневековье, положило появление книги И. Кеплера «Дополнения к Витело, в которых сообщается об оптической части астрономии». Переход от астрономии к оптике был логичен: атмосферная рефракция была известна Птолимею, и её необходимо было учитывать для определения точного положения звезд. Эта книга являлась по сути итогом средневековой оптики. Кеплеру безусловно известны произведения и античных авторов, например, Эвклида. В главах своей книги Кеплер рассматривает вопросы о природе света и цветов, законы отражения от полированных поверхностей, пытается найти связь между падающим и преломленным лучами и теорию зрения. По структуре книга продолжает традиции средневековых авторов. В своём труде он не высказывает новых мыслей, а лишь суммирует ранее известные знания. В своём следующем труде «Диоптрика» И. Кеплер объясняет действие зрительных труб на основе двух и трёх линз (телескоп Галилея). Впервые вводит понятия «фокус линзы», и находит пропорциональность углов падения и преломления, если угол падения не превышает 30⁰. Точный закон преломления ему найти не удалось. Таким образом Кеплер ввел в оптику построения изображения с помощью гомоцентричных пучков и заложил фундамент современной теории оптических инструментов [Го76].

Также Кеплер, в своих попытках найти верный закон преломления обнаруживает эффект полного внутреннего отражения света – первого нового эффекта в оптике за многие столетия.

У Кеплера в работах по оптике появилась ясность изложения мыслей, без путанных объяснений. Далее эта особенность проявляется и у Р. Декарта в его труде «Диоптрика». Декарт рассматривает свет как движение или воздействие, распространяющиеся мгновенно в весьма разреженной материи, заполняющей поры тела. Переходя к анализу конкретных проблем, он вынужден прибегать к различным сравнениям, иногда весьма далеким от его представлении о природе света. Например, процессы преломления, отражения и рассеяния рассматриваются, как движения мяча, посланного ракеткой. Как ни странно такое сравнение очень удачно, так как вводя скорость мяча и вязкость среды можно найти правильный закон преломления, что и сделал Декарт. (Стоит отметить, что параллельно с Декартом данную закономерность обнаружил Снелль, в честь которого и был назван этот закон). Декарт оставляет открытым вопрос о экспериментальном подтверждении своих выводов [Де89].

Учеными постепенно осознавалась необходимость экспериментальных исследований наряду с теоретическими. Блестящие образцы сочетания опыта и теории продемонстрировал Г. Галилей. Это была реакция на многовековое засилье схоластики и отклик на выдвигаемые развитием общества новые задачи науки. Развитие экспериментов привело к неоднократным проверкам ранее полученных законов и развитию техники эксперимента [Ги01].

Проблема преломления света стала решающей в оптике XVII века. Попытки, кроме механической интерпретации, дать и теоретическую упирались в понимание природы света. Декарт отошёл от этих вопросов, но для остальных ученых они стояли очень остро. Вопрос природы света, пытался решить Галилей, через опыты по определению скорости света. Однако на расстояниях менее 1 мили он не нашел доказательства конечности скорости света [Ку64]. Но Декарт и здесь обошёл Галилея, предположив, что доказательства конечности скорости света стоит искать в астрономических наблюдениях. Что уже после смерти Декарта, обнаружил О. Рёмер в нерегулярности затмений спутников Юпитера.

Разные ученые, основываясь на разных основах своих теорий с помощью математики приходят к правильному выводу закона преломления. Например, Гоббс впервые вводит понятие лучевого фронта, тем самым положил начало кинематической традиции в развитии оптики. Основываясь на терминах лучевого фронта, он получает вывод закона преломления. Таким образом, несмотря на математически верные выводы, природа света является ключевым вопросом и в предньютоновскую эру развития оптики. Вопросы философского познания наблюдаемых явлений все ещё являются ключевыми. На данном этапе развития общества и науки начинается постепенный отход от философии в научном познании. Новые исследования оптики способствуют этому процессу.

Гримальди (1618 – 1663 гг.), в изданном посмертно сочинении по оптике (1665 г.), впервые отчетливо описал и объяснил новое явление – дифракцию света. Его объяснение проводит аналогию с волнами на воде, огибающими предмет. Возможно в дифракционных явлениях он видел наглядную картину распространения света.

В первой половине XVII века постепенно все большее значение начинает приобретать учение о цветах. Главными при изучении этой проблемы становятся физические, а не философские аргументы. Сейчас мы знаем, что преломление света и разложение белого света в спектр призмой имеют единую природу. Однако тогда все концепции о теории цветов были связаны с представлениями Аристотеля. Возникновение цветов связывалось со взаимодействием света с темнотой. Причём различие в цветах определялось количеством добавлявшейся к белому свету темноты. Декарт же, экспериментируя со стеклянной колбой, наполненной водой, первый связал преломление и разложение белого света в спектр. Однако объяснить причину возникновения цветов Декарт мог. Он отвечает на этот вопрос в духе механистической философии: возникновение цветов связано с различной скоростью вращения, которую приобретают шарики среды, передающей свет.

Вселенная Декарта заполнена телами и всепроникающей материей (эфиром). И тела, и эфир состоят из частиц; характер взаимодействия между ними аналогичен передаче движения при ударе. Эти же частицы способны вращаться, тем самым передавая цвета. Желтый цвет – быстрое вращение, фиолетовый – медленное. Тень же объясняется замедлением вращения на границе предмета. Декарт первым попытался объяснить оптические явления, исходя из механических соображений. Именно поэтому дальнейшее развитие оптики пошло по Декарту.

Теорию Декарта разрушили открытия новых явлений в оптике: дисперсии и интерференции. Р. Гук в труде «Микрография» (1665 г) описывает интерференцию в тонких параллельных плёнках в виде различных цветов на поверхности плёнки. То, что цвета возникают в параллельных пластинках слюды, без преломления противоречила теории Декарта. Р. Гук модифицирует теорию Гоббса о световых лучах. Свет рассматривается как волна, распространяющаяся в однородной среде. Преломление и интерференция рассматриваются как процессы проникновения света в другую среду с неодинаковой «легкостью».

Таким образом, вопросы возникновения цветов, несмотря на прогресс в экспериментальном изучении, в теоретическом плане не вышел за рамки общенаучной натурфилософской проблемы.