Краткая история развития оптики
Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это истор поиска ответа: Одна из первых теорий света – теория зрительных лучей – была выдвинута греческим философом Платоном около 400 г. до н. э. Данная теория предполагала, что из глаза исходят лучи, которые, встречаясь с предметами, освещают их и создают видимость окружающего мира. Взгляды Платона поддерживали многие ученые древности и, в частности, Евклид (3 в до н. э.), исходя из теории зрительных лучей, основал учение о прямолинейности распространения света, установил закон отражения.
В те же годы были открыты следующие факты:
– прямолинейность распространения света;
– явление отражения света и закон отражения;
– явление преломления света;
– фокусирующее действие вогнутого зеркала.
Древние греки положили начало отрасли оптики, получившей позднее название геометрической.
Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Альгазен впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.
В эпоху Возрождения было совершено множество различных открытий и изобретений; стал утверждаться экспериментальный метод, как основа изучения и познания окружающего мира. На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:
– корпускулярная, предполагавшая, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами;
– волновая, утверждавшая, что свет представляется собой продольные колебательные движения особой светоностной среды – эфира – возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.
Все дальнейшее развитие учения о свете вплоть до наших дней – это история развития и борьбы этих гипотез, авторами которых были И. Ньютон и Х. Гюйгенс.
Истории о миражах…
(относится к теме «Миражи»)
Первое же описание миража было сделано древнегреческим историком Диодором Сицилийским:
«В Африке в некоторые сезоны, особенно при полном отсутствии ветра, происходят удивительные вещи… В воздухе появляются изображения различных зверей, неподвижных и движущихся. Звери то бегут от зрителя, то преследуют его. Когда они настигают человека, то словно окутывают его холодным туманом»
«…Французский колониальный отряд пересекал алжирскую пустыню. Впереди, километрах в шести от него, шла гуськом стая фламинго. Но когда птицы пересекли границу миража, ноги у них вытянулись и сдвоились, вместо двух у каждой стало по четыре. Ни дать, ни взять — арабский всадник в белом одеянии. Командир отряда, встревожившись, послал разведчика проверить, что за люди в пустыне. Когда солдат сам проник в зону искривления солнечных лучей, он, конечно, разобрался, с кем имеет дело. Но… вот же он нагнал страху на своих товарищей! Ноги его лошади стали такими длинными, что казалось, он сидит на фантастическом чудовище. Впрочем, такой мираж объясняется элементарно. Изображение птиц и всадника приподнялось над горизонтом в результате рефракции.»
(Типичный мираж второго класса. Вытянутые же ноги — эффект границы миража.)
Вот какую страну увидел и описал художник В. Переплетчиков, побывавший на Новой Земле в 1913 году:
“Густо повалил из пароходной трубы черный дым, заработал пароходный винт. Становище, горы быстро уменьшались в размерах на наших глазах. На безоблачном небе сияло Солнце. Мы выходили в море. Качки нет, чуть плещет зеленовато-синяя волна. С одной стороны беспредельность воды и неба, с другой — цепи береговых гор. Все они покрыты снегом. Берег уходит мыском в море, но кончается какой-то странной фигурой, как будто берег обломился и висит в воздухе. У дальнего берега плавают какие-то странные белые фигуры, а там, где расстилается беспредельный океан, — там тоже плавают какие-то фантастические предметы: громадный белый гриб на тоненькой ножке, что-то похожее на судно, но не судно, что-то похожее на горы, но не горы, киты — не киты…”
«В 1878 г . в Северной Америке во время войны с индейцами из форта «Авраам Линкольн» вышел отряд карателей. Спустя несколько часов охрана форта с ужасом увидела своих товарищей марширующими по небу. Караул не сомневался, что карательный отряд погиб и на небе — души умерших. Через несколько дней отряд действительно был уничтожен индейцами…»
Солдаты, оставшиеся в форте «Авраам Линкольн», видели обыкновенный мираж. Фантастические, непонятные картины миражей в прошлом воспринимались как своеобразные предзнаменования трагических событий и порождали страх перед неизвестным. Люди верили, что миражи-дело духов воздуха, что они — воздушные призраки. А когда появлялась какая-то особенно красивая картина миража, многие считали, что видят «небесный рай»…
Исторический экскурс
(относится к факультативному курсу)
Во 11 веке н. э. Птолемей указал, что рефракция должна отсутствовать для лучей идущих от объекта, находящегося в зените, и должна постепенно увеличиваться по мере того, как объект приближается к линии горизонта. Рефракцией света в атмосфере интересовался видный арабский ученый Х1 века Ибн Аль-Хайтан, известный на Западе под именем Альхазена. Он отмечал, что вследствие рефракции света длительность дневной части суток немного возрастает.
В начале XVII века Иоганн Кеплер в труде «Дополнение к Виттелю» изложил свою теорию рефракции света, упрощенно предполагая, что атмосфера представляет собой однородный слой воздуха, имеющий на всех высотах одинаковую плотность. Не следует удивляться такому предположению, ведь во времена Кеплера воздух считался невесомым. Пройдет несколько десятилетий и Торричелли докажет, что давление воздуха убывает с высотой.
Исключительно большой вклад в развитие теории астрономической рефракции света внес Исаак Ньютон. К сожалению, он не включил эти исследования ни в «Лекции по оптике», ни в «Оптику». Сегодня мы можем познакомиться с ними лишь благодаря счастливой случайности. Дело в том, что более чем через сто лет после смерти великого ученого, в 1832 году на чердаке одного из домов Лондона были обнаружены 27 писем Ньютона Флемстиду. Флемстид занимался астрономическими наблюдениями на обсерватории в Гринвиче; он имел звание королевского астронома, дарованное ему королем Карлом 11.
