Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Уральское Отделение Российской Академии Наук
Институт философии и права
Кафедра философии
Реферат по истории и философии науки
Тема:
История развития оптики, как составная часть научного познания окружающего мира
Исполнитель: аспирант института физики металлов УрО РАН,
Бессонов Владимир Дмитриевич
Научный руководитель: д.ф.-м.н., Сухоруков Юрий Петрович
Руководитель реферата:
Екатеринбург
2013
Содержание
Введение 3
Натурфилософский этап 5
Античность 5
Средние века 9
Аналитический этап 13
Предньютоновская эра 13
Открытия Исаака Ньютона 17
Синтетический этап 22
Теория относительности 22
Квантовая механика 25
Заключение 28
Литература 30
Введение
Наука – это сложное многогранное общественное явление, которое вне общества не могло ни возникнуть, ни развиваться. Поэтому наука появляется только тогда, когда для этого создаются особые объективные условия: более или менее четкий социальный запрос на объективные знания о мире; социальная возможность выделения особой группы людей, чьей главной задачей становится ответ на этот запрос; накопление знаний, навыков, познавательных приемов, способов символического выражения и передачи информации, которые и подготавливают революционный процесс возникновения нового вида знания – объективных общезначимых истин науки.
Общий процесс развития науки включает в себя несколько основных ступеней познания природы и мира.
Учение о свете является одним из самых важных в современной физике. Человек имеет пять различных органов чувств, но через зрение, то есть оптическими методами человек получает 90% информации об окружающем мире. Поэтому учение о свете – оптика, играло ключевую роль во все времена. Это учение основывается на волновых и квантовых представлениях. Технические приложения оптики огромны. Оптические методы широко внедряются в научные исследования и в технику (при измерениях размеров тел, в спектральном и люминесцентном анализе, исследованиях упругих свойств материалов и т.п.). Законы оптики широко применяются в оптотехнике, связанной с получением изображений в оптических инструментах, светотехнике, занимающейся освещением и источниками света, и в фототехнике, в которой используются квантовые свойства света. Также оптическими методами возможно изучать практически все свойства конденсированного состояния вещества, начиная от упругости и деформации, и заканчивая магнетизмом. Оптические методы являются одними из самых тонких и чувствительных. Все это говорит о том, что изучение оптики и истории её развития являются важной частью образовательного процесса, особенно для тех, кто занимается оптическими методами исследования.
Натурфилософский этап
Античность
Натурфилософский этап в первую очередь связан с древнегреческой культурой. До античного мира были древневосточные цивилизации (Египет, Шумер, Вавилон, Индия, Китай). Восток обладал хорошо отлаженным механизмом для хранения и передачи информации, но не имел столь же хорошего, как в Древней Греции, механизма по получению новых знаний. Восток выработал конкретные знания в области математики, астрономии, были известны и законы оптики. Но они передавались по принципу наследственного профессионализма, от старшего к младшему внутри касты жрецов. Только в их руках были сосредоточены знания, в том числе и научные. Это знание считалось идущим от бога – покровителя касты. В силу кастовости, знание было тайным, доступным только посвященным. По отношению к нему отсутствовала критическая позиция, так как не дело человека – исправлять богов. Такое знание было невозможно подвергнуть каким-либо существенным изменениям, оно функционировало как набор готовых рецептов. Процесс обучения этому знанию сводился к заучиванию различных рецептов наизусть, без доказательств. Вопрос о том, как были получены знания и можно ли заменить их более совершенными, даже не вставал. Новые знания, если и появлялись в такой системе передачи информации, то только случайно и очень редко. В этом кроется одна из причин гиперстатичности древнеегипетской цивилизации, просуществовавшей почти четыре тысячи лет без существенных изменений. Чуть более динамичной была древневавилонская цивилизация. Так, вавилонские жрецы настойчиво визуально исследовали звездное небо и добились в этом больших успехов, но это был не научный, а вполне практический интерес. Или была создана астрология, как прикладное знание, без которого не начиналось ни одно более или менее важное дело, включая сельское хозяйство. То же самое можно сказать и о развитии знаний в Индии и Китае. Эти цивилизации дали миру множество конкретных знаний, но это были знания, необходимые для практической жизни, для религиозных ритуалов, всегда бывших в этих странах важнейшей частью повседневной жизни.
Совершенно иная ситуация сложилась в Древней Греции, в которой не было замкнутой касты жрецов и доступ к знаниям имел любой свободный человек. Большая часть знаний была открытой.
Причинами развития науки в Греции (первой трети I тысячелетия до н.э) являлись следующие общественные явления: появление частной собственности и товарное производство, ориентированное на рынок. Господство частной собственности вызвало к жизни свойственные ей политические, правовые и иные институты:
Так, демократия сделала народ властелином государства, кардинально изменила отношения между народом и властью. Теперь каждый гражданин лично обсуждал и принимал законы, по которым жило его государство. Автором этих законов мог быть любой гражданин. Таким образом, общественная жизнь высвобождалась из-под власти религиозных и мистических представлений, закон переставал быть слепой силой, продиктованной свыше и неподвластной человеку, а становился демократической нормой, принятой большинством голосов в процессе всенародного обсуждения. Обсуждение этих законов основывалось на риторике, искусстве убеждения и логической аргументации. Все, входящее в интеллектуальную сферу, подлежало обоснованию, хотя каждый имел право на особое мнение. Так постепенно формировалось убеждение, что истина – не продукт догматической веры, принимаемой в силу авторитета, а результат рационального доказательства, основанного на аргументах и понимании.
Таким образом, постепенно сформировался аппарат логического, рационального обоснования, превратившийся в универсальный алгоритм производства знаний в целом, в инструмент передачи знания от индивида к обществу. Так появилась наука как доказательное познание, теперь она удовлетворяла критерию рациональности знания. Отныне ничего не принималось на веру. Рациональное доказательство неизбежно приводило к требованию систематизации знаний. Не случайно идеалом научной теории стала геометрия Эвклида, представляющая собой систему аксиом и выведенных из них по правилам логики теорем.
Именно Эвклиду принадлежит первые труды по оптике, которые дошли до наших дней и с которыми были знакомы Кеплер и Ньютон. Это известные трактаты «Оптика» и «Катоптрика» (III в. до н. э.). Эвклид в области оптики опирался на разработанную атомистами концепцию зрительных лучей, согласно которой от вещей отделяются образы, вызывающие в глазу зрительные ощущения. Он геометрически вывел законы перспективы, которые были результатом оптических наблюдений. Наиболее важные из них.
На этих и других постулатах Эвклид основывает геометрическое рассмотрение оптики. В «Оптике» он исследует геометрические проблемы, связанные с постулатом о прямолинейном распространении света: образование тени, изображения, получающиеся с помощью малых отверстий, кажущиеся размеры предметов и их расстояние от глаза. В «Катоптрике» рассмотрены явления, связанные с отражением от плоских и сферических зеркал. Из постулатов «Катоптрики» замечателен второй постулат: «Все, что видно, видно по прямой». Это основной принцип физиологической оптики.
Дальнейшее развитие в античном мире принадлежит Архимеду. Архимед в концепцию «лучей зрения» ввел поправки, основанные на влиянии величины зрачка на результат измерения. Далее развитие оптики принадлежит Герону Александрийскому, который ввел следующие разделы: оптику (учение о видении, о природе света), диоптрику (учение о визировании, визирных инструментах) и катоптрику (учение об отражении). Рассматривая отражение света от зеркала он доказал, что при равенстве угла падения и угла отражения сумма длин путей, которые проходит падающий луч от глаза до зеркала и отраженный луч от зеркала до объекта, является наименьшим расстоянием из всех возможных.
Наиболее полное исследование преломления света осуществлено Птолемеем в его «Оптике», где описаны результаты экспериментирования по преломлению света в стекле и воде. Он стремился выявить причину того, что при отражении углы падения и отражения равны, а при преломлении углы падения не равны углам преломления. Он посчитал угол преломления пропорциональным углу падения.
Античная оптика изменялась и эволюционировала крайне медленно. Трактат Птоломея (II век н. э.) написан через 4,5 века после Эвклида. Однако единственной новой чертой этого сочинения служит количественный эксперимент, необычный для античной физики. Птоломей сообщает углы преломления света при переходе из воздуха в воду, из воздуха в стекло, из воды в стекло. Числа Птоломея, удивительно точны для своего времени. За этими цифрами и всем трактатом Птоломея видится совсем другой образ физика конца античности, соединяющего в себе математические знания, теоретическую широту и искусство количественного опыта.
Средние века
Но за веками античного расцвета последовала многовековая «зона молчания», время, когда наука, оптика в том числе, в лучшем случае остановилась. Важнейшей чертой этого мировоззрения, бесспорно, является теоцентризм – представление о Боге как единственной подлинной реальности. Вся жизнь средневекового человека была так или иначе связана с религией. Особенно это относилось к духовной культуре Средневековья. Поэтому картина мира, сформировавшаяся в это время, не может считаться научной, она является возвращением к мифологическому объяснению мира.
Дальнейшее развитие науки выпало на долю арабов. С начала VIII века в арабском мире появился большой интерес к различным наукам. Правители заботились о сохранении, приумножении и распространении знаний, высоко ценили ученых и создавали условия для тех, кто желал целиком посвятить себя служению науке. Халифы с первых же шагов новой религии сделали обретение светских знаний, развитие науки, техники, искусства одним из требований Ислама. Период расцвета исламской культуры характеризуется бурным подъемом во всех областях науки, доступных человеческому разуму той эпохи. В то время, когда Европа и Дальний Восток переживали упадок, в мусульманских странах расцвели философия, математика, астрономия, историография, лингвистика, химия, фармакология, искусство врачевания и искусство слова. Арабская оптика нашла наиболее полное выражение в знаменитом трактате Ибн-аль-Хайтама, или Альхазeна (965–1039 г.). Оптика не была главной специальностью Альхазена, в его жизнеописании [We06] перечисляется 25 трудов по математическим наукам, а 44 по физике (в аристотелевом смысле) и по метафизике. Поэтому можно предполагать, что «Opticae Thesaurus» Альхазена мало индивидуален и, вероятно, является только сводкой знаний Х века.
Трактат Альхазена разделен на 7 книг, из них первые три посвящены вопросу о глазе и зрении. Альхазен впервые в истории оптики дает анатомическое описание глаза, и для него совершенно бесспорно, что зрение вызывается внешними лучами, приходящими в глаз от предметов, причем он предполагает, что изображение формируется внутри хрусталика прежде, чем достигнет оптического нерва. В связи с резкой переменой исходных теоретических позиций большое значение у Альхазена получает вопрос о действительном изображении от зеркал и преломляющих сред. Последняя книга трактата, разбирающая вопросы преломления, особенно конкретна и нова: она содержит задачи, касающиеся преломления в прозрачных сферах. Правда, здесь можно говорить скорее о постановке задач, чем об их решении; практически наиболее важная проблема о действии прозрачного тела, ограниченного двумя поверхностями (линза), не решается вовсе.
От эпохи составления «Opticae Thesaurus» нужно отсчитать снова около половины тысячелетия, прежде чем встретится что-нибудь не только новое, но и важное в оптической науке. Несомненное оживление оптики можно отметить в XIII в. Об этом свидетельствуют труды: англичанина Роджера Бэкона (1214-1294), Джона Пекхэма (1228-1291) и тюрингенского поляка Витело. Произведение Эразм Циолек Витело - это трактат об оптике в десяти книгах, полное название которого можно перевести так: «Ученого математика Витело рассуждения об оптике, то есть о существе, причине и падении лучей зрения, света, красок и форм, обыкновенно называемой перспективой, десять книг». Трактат издан в 1272 г. в Базеле.
Первая книга содержит теоремы и их математические доказательства, в том числе оригинальные теоремы Витело, нашедшие затем применение в его трактате об оптике. В истории науки трактат Витело сыграл крупную роль; с него много раз снимали копии, переписывали и переиздавали, часто под кратким заглавием «Оптика» или «Перспектива». Достойно внимания то, что, хотя трактат и не содержал каких-либо новых идей, он все же стал основным трудом по оптике - учебным пособием, которым пользовались многие выдающиеся ученые, такие, например, как Коперник, Кеплер, Региомонтан. Через четыреста лет после выхода в свет «Оптики» Витело, Кеплер скромно назвал один из своих трактатов «Ad Vitellonem Paralipomena» (Дополнения к Витело). Заслуги Витело в области оптики настолько общепризнанны, что один из лунных кратеров назван его именем. Книги Альхазена, Витело, Бэкона мирно покоились в монастырских и университетских библиотеках, в университетах читались оптические курсы как часть основного курса, именитые люди исправляли свое зрение в старости очками, но оптическая наука в XIV и XV вв., если не говорить о перспективе, имевшей значение только для художников, стояла на месте. Только на грани XVI века наблюдается, наконец, резкий сдвиг в оптике, который осуществил гениальный Леонардо да Винчи (1452 - 1519).
Сохранилось большое количество записей и рисунков Леонардо по вопросам оптики, зрения, анатомии глаза. Его можно с полным основанием считать ученым-оптиком, знавшим основные оптические трактаты своего времени, изумительным наблюдателем и экспериментатором. До известной степени даже живописные творения Леонардо могут рассматриваться как выражение его оптических представлений и знаний. Нам известно несколько попыток анализа оптики Леонардо, но все они не дают истинного представления о том громадном месте, которое занимала в его жизни и творчестве эта наука. Некоторые такие попытки являются просто случайным собранием сырого материала [Ma38], в других господствует тенденция доказать, что чуть ли не каждая мысль Леонардо чужая и где-то заимствована; есть и иные попытки связать с именем Леонардо почти все основное содержание оптики до и после него [Do89].
Однако все оптические открытия, мысли, опыты и наблюдения Леонардо, перемешанные с выписками из прочитанных книг, никогда не были им самим собраны в целое; не сделали этого и историки. Оптические записи Леонардо остались, насколько мы знаем, без влияния на развитие науки о свете. Примерно такова же судьба оптических изысканий другого примечательного оптика XVI в. аббата Франческо Мавролико (1494 - 1575). Мысли Мавролико, собранные в его сочинении с шутливым названием «Photismi de Lumine», (Игра света) написанном в 1567 г., были впервые изданы только в 1611 г., вскоре после астрономических открытий Галилея. Причем издатель К. Клавиус в предисловии указывает, что поводом к публикации книги послужило как раз «новое и удивительное открытие оптической трубы, возбудившей великие ожидания во всех умах». Трактат Мавролико, написанный в сжатой и отчетливой форме, отличается от работ предшественников исключительной ясностью, простотой и научной откровенностью.
Аналитический этап
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.
Открытия Исаака Ньютона
На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений:
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.
Обратившись к оптике Ньютон начал не с эксперимента, а с собственных рассуждений о природе света, которые свидетельствуют о том, что Ньютон был приверженцем корпускулярной теории света.
В своих исследованиях оптики И. Ньютон занимался вопросами разложения белого света в спектр призмой, исследованиями законов преломления, исследованиями законов интерференции на примере тонких пленок, исследованиям причин цветов тела.
В своих работах по преломлению и построению изображений линзами Ньютон приходит к выводу о невозможности исключения цветовой аберрации из полученного изображения. Несмотря на то, что все исследуемые Ньютоном законы оптики были известны ранее, он первый делает этот вывод, основываясь только на хорошо поставленном эксперименте. При своих экспериментах с призмой он последовательно исключает параметры призмы (т.е. прибор) из своих опытов, приходя к выводу о сложности белого света и выделяет семь основных цветов радуги. Таким образом поднимается дополнительный вопрос об экспериментальной технике и её влияния на результат, что не было сделано ранее. В экспериментах с интерференцией в тонких плёнках, он первый находит количественные соотношения, из которых уже легко делает правильные выводы о природе наблюдаемого эффекта. В дальнейшем все эксперименты по оптике Ньютон подводит к единой своей теории, объединяющей все направления оптики, существовавшие на тот момент: теорию цветов, катоптрику, построению изображений линзами, дифракцию и интерференцию света.
Теория Ньютона включала в себя следующие положения:
Это была странная теория для того времени. Как уже говорилось выше, было несколько теорий цветов, развитой из теории Аристотеля. Цвета в ней являлись модификацией света, а свет солнца (белый свет) – простым. Темнота была отдельным качеством, и играла основную роль в образовании цветов из белого света. Во всех этих теориях отсутствовали какие-либо количественные характеристики, которые можно было измерить на эксперименте [По81].
И. Ньютон создал стройную систему оптики. Он начинал там, где останавливались его современники: он не удовлетворился описанием качественных закономерностей, а стремился получить количественные результаты. От современников его отличали очень точные эксперименты. Второе отличительное качество работ Ньютона сочетание эксперимента, послужившего основой создания теории, и теории, направляющей создание эксперимента. Это явилось причиной крупных успехов Ньютона и позволило ему построить единую теории охватывающие все известные тогда явления оптики. Направляющей идеей, которая во многом определила характер его исследований, была концепция о корпускулярной природе света.
Также в то время была развита континуальная (волновая) теория света. Только в XVII веке в связи с новыми открытиями в механике и оптике обсуждение этой проблемы стало более физичным, аргументы философские и натурфилософские стали уступать место соображениям физическим.
Ньютон завершил научную революцию, и с его системой мира обретает лицо классическая физика. Но не только астрономические или оптические, а также математические открытия (он, независимо от Лейбница, изобрел дифференциальное и интегральное исчисление) обессмертили его имя. Ньютон занимался также актуальными теологическими проблемами, вырабатывая точную методологическую теорию. Без правильного понимания идей Ньютона мы не сможем понять вполне ни значительную часть английского эмпиризма, ни Просвещения, особенно французского, ни самого Канта. Действительно, как мы увидим ниже, «разум» английских эмпириков, лимитируемый и контролируемый «опытом», без которого он уже не может свободно и по желанию перемещаться в мире сущностей, - это «разум» Ньютона.
Физика Ньютона исследует не сущности, а функции; она не доискивается до сути тяготения, но довольствуется тем, что оно есть на самом деле и что им объясняются движения небесных тел и земных морей. Также Ньютон замечает в работе «Оптика»: «Первопричина, разумеется, не является механической».
Ограниченное и контролируемое опытом рассуждение основное составляющее наследство, которое эпоха Просвещения получила от Ньютона. В то же время как материалисты XVIII в. изберали в качестве теоретической базы механицизм Декарта. Для последователей Декарта в мире нет пустоты, для Ньютона это не так: тела взаимодействуют "на расстоянии". Последователи Декарта и Лейбниц увидели в этих таинственных силах, действующих на неограниченных расстояниях, возврат к старым «скрытым свойствам».
Другой, противоположной теории Ньютона, была теория Гюйгенса. Основные его положения были:
Однако теория Гюйгенса не была так распространена среди современников, как теория Ньютона. Она получила свое подтверждения много лет спустя. Хоть сейчас для построения оптических систем мы пользуемся теорией Гюйгенса, и математическим аппаратом Френеля, разработанным для этой теории, в философском восприятии мира на том этапе развития общества идеи Гюйгенса не внесли особого вклада.
Таким образом, после И. Ньютона сформировалась новая картина описания мира, базирующаяся на аналитическом описании, что предопределило дальнейшее развитие оптики и науки в целом.
Синтетический этап
В конце XIX начале XX веков был сделан ряд крупнейших открытий, с которых началась революция в физике. Она привела к пересмотру практически всех классических представлений в физике. Возможно, одной из самых крупных по значимости, сыгравших наиболее важную роль в становлении современной физики, наряду с квантовой теорией была теория относительности А.Эйнштейна.
Теория относительности
Создание теории относительности позволило пересмотреть традиционные взгляды и представления о материальном мире. Такой пересмотр существовавших взглядов был необходим, так как в физике накопилось много проблем, которые не могли быть решены с помощью существовавших теорий. Именно оптические эксперименты поставили под сомнения стройную теорию мироздания, существовавшую до последнего времени.
Одной из таких проблем был вопрос о предельности скорости распространения света, которая с точки зрения господствовавшего тогда принципа относительности Галилея исключалась. Наряду с этим существовало множество экспериментальных фактов в пользу представлений о постоянстве и предельности скорости света (универсальной постоянной).
Примером здесь может служить осуществленный в 1887 г. опыт Майкельсона и Морли показавший, что скорость света в вакууме не зависит от движения источников света и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
В последствии его не раз повторяли. По существу, эксперимент Майкельсона соответствовал сравнению скорости сигналов, идущих к экранам на корме и на носу движущегося корабля, но в качестве корабля была использована сама Земля, движущаяся в пространстве со скоростью около 30 км/сек. Далее, сравнивали не скорость луча, догоняющего тело и луча, идущего навстречу телу, а скорость распространения света в продольном и поперечном направлениях. В инструменте, примененном в опыте Майкельсона, так называемом интерферометре, один луч шел по направлению движения Земли - в продольном плече интерферометра, а другой луч - в поперечном плече. Различие в скоростях этих лучей должно было продемонстрировать зависимость скорости света в приборе от движения Земли. Результаты эксперимента Майкельсона оказались отрицательными. На поверхности Земли свет движется с одной и той же скоростью во всех направлениях. Такой вывод казался крайне парадоксальным. Он должен был привести к принципиальному отказу от классического правила сложения скоростей. Скорость света одна и та же во всех телах, движущихся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно. Свет проходит с неизменной скоростью, приблизительно равной 300 000 км/сек., мимо неподвижного тела, мимо тела, движущегося навстречу свету, мимо тела, которое свет догоняет.
Другая значимая проблема, возникшая в физике, была связана с представлениями о пространстве и времени. Существовавшие в физике представления о них основывались на законах классической механики, поскольку в физике господствовал взгляд, согласно которому всякое явление имеет, в конечном счете, механистическую природу, так как принцип относительности Галилея представлялся всеобщим, относящимся к любым законам, а не только к законам механики. Из принципа Галилея, основывавшегося на преобразованиях Галилея, следовало, что пространство не зависит от времени и наоборот время от пространства.
Пространство и время мыслились как заданные и независимые друг от друга формы, в них укладывались все делавшиеся в физике открытия. Но такое соответствие положений физики концепции пространства и времени существовало лишь до тех пор, пока не были сформулированы законы электродинамики, выраженные в уравнениях Максвелла. Ранее (1861 г.) Максвелл сформулировал уравнения описывающие всевозможные электромагнитные взаимодействия, в том числе и свет. Принятая сейчас простая и понятная система уравнений Максвелла была сформулирована Герцем и Хевисайдом в 1899 г. Тогда же и выяснилось, что уравнения Максвелла не инвариантны относительно преобразований Галилея.
Незадолго до создания теории относительности, Лоренцем были найдены преобразования, при которых уравнения Максвелла оставались инвариантными. В этих преобразованиях, в отличие от преобразований Галилея, время в различных системах отсчета не было одинаковым, но самым главным было то, что из этих преобразований уже не следовало, что пространство и время независимы друг от друга, так как при преобразовании координат участвовало время, а при преобразовании времени - координаты. И как следствие этого встал вопрос - как поступить? Существовало два решения, первое - считать, что электродинамика Максвелла ошибочна, или второе - предположить, что классическая механика с ее преобразованиями и принципом относительности Галилея является приближенной и не может описать всех физических явлений.
Таким образом, на этом этапе в физике проявились противоречия между классическим принципом относительности и положением об универсальной постоянной, а также между классической механикой и электродинамикой. Было много попыток дать другие формулировки законам электродинамики, но они не увенчались успехом. Все это сыграло важную роль при созданию теории относительности.
Чтобы отказаться от классических принципов, казавшихся совершенно очевидными и непререкаемыми, понадобилась гениальная сила и смелость физической мысли. И таким гением стал Альберт Эйнштейн.
Его теория относительности перевернула привычное представление о нашем мире.
Работы Эйнштейна наряду с громадным значением в физике имеют, также, большое философское значение. Очевидность этого следует из того, что теория относительности связана с такими понятиями как материя, пространство, время и движение, а они являются одними из фундаментальных философских понятий. Диалектический материализм нашел аргументацию своим представлениям о пространстве и времени в теории Эйнштейна. В диалектическом материализме дается общее определение пространства и времени как форм бытия материи, а следовательно, они неразрывно связаны с материей, неотрывны от нее. «С позиций научного материализма, который основывается на данных частных наук, пространство и время - не самостоятельные независимые от материи реальности, а внутренние формы ее бытия». Такую неразрывную связь пространства и времени с движущейся материей с успехом показала теория относительности Эйнштейна.
Квантовая механика
Также большое влияние на современное представление об окружающем мире и теорию революций (скачков) в развитие общества и науки дала новая физическая доктрина – квантовая механика. Огромную роль при создании новой науки положили исследования по оптике, а именно исследования фотоэффекта.
В 1839 году Александр Беккерель наблюдал явление фотоэффекта в электролите. В 1873 году Уиллоуби Смит обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. При работе с открытым резонатором он заметил, что если посветить ультрафиолетом на цинковые разрядники, то прохождение искры заметно облегчается.
Исследования фотоэффекта показали, что, вопреки классической электродинамике, энергия вылетающего электрона всегда строго связана с частотой падающего излучения и практически не зависит от интенсивности облучения.
В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области, в том числе выведен первый закон внешнего фотоэффекта.
Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований
Квантовая механика по сути отказалась от всех основных принципов классической механики, сформулированной некогда Галилеем, Декартом и Ньютоном. Прежде всего, квантовая механика упразднила принцип непрерывности, столь важный для новоевропейской науки и философии. Что касается последней, то для нее отказ от принципа непрерывности, рассматриваемого Лейбницем в качестве основополагающего, был так же губителен, как в свое время для схоластики отказ от концепций материи и формы.
Отказ от принципа непрерывности был не единственным сюрпризом, который преподнесла квантовая теория. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал так называемый принцип неопределенности, указывавший на предел точности наших знаний о координате и скорости частицы и фактически приведший к отказу от понятия траектории. Примерно в то же время австрийский физик Э. Шредингер ввел понятие волновой функции, описывавшей положение квантового объекта в пространстве и во времени, заменившей, таким образом, прежнее понятие траектории. Когда, однако, попытались понять, что представляет собой волновая функция (каков ее физический смысл), то выяснилось, что квадрат модуля волновой функции дает нам не что иное, как вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Одно из самых интересных следствий теории Шредингера заключалось в том, что с некоторой вероятностью квантовый объект мог находиться там, куда, с точки зрения классической механики, он вообще не мог попасть. Рассмотрим, например, преодоление частицей так называемого потенциального барьера. С точки зрения классической механики, частица не может преодолеть барьер, если ее исходная кинетическая энергия меньше, чем энергетическая высота барьера. В квантовой механике преодоление потенциального барьера сделалось возможным для частиц с любой кинетической энергией (хотя, разумеется, чем ниже кинетическая энергия частицы, тем меньше вероятность преодоления ею потенциального барьера).
Задача, с которой столкнулись физики, состояла, таким образом, в том, чтобы рациональным образом обобщить классическую физику, гармонически включив в нее квант действия. В общефилософском аспекте знаменательно здесь то, что в отношении анализа и синтеза в других областях знания мы встречаемся с ситуациями, напоминающими ситуацию в квантовой физике. Так, цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания [Бо71]. Передача опытных фактов в этих обширных областях знания требует богатого словаря, а из-за того, что словам иногда придается различный смысл и прежде всего из-за различия в принятых в философской литературе толкованиях понятия причинности, цель такого рода сопоставлений часто понималась превратно. Но постепенно развитие терминологии, пригодной для описания более простой ситуации в области физики, показывает, что мы имеем здесь дело не с более или менее туманными аналогиями, а с отчетливыми примерами логических связей, которые в разных контекстах встречаются в более широких областях знания [Бо71].
Заключение
Оптика, как часть физики, играла огромную роль в создание передовых научных концепций. Она влияла на мировоззрение людей в различные исторические периоды.
В настоящее время в научные работы по оптике вкладываются большие материальные и человеческие ресурсы. Помимо фундаментальных исследований, работы, связанные с оптикой, имеют большое прикладное значение. Например, автор реферата в своей научно-исследовательской работе над диссертацией на соискание степени кандидата физико-математических наук использует в основном оптические методы. Благодаря оптическим методам исследуется взаимодействие магнитостатической спиновой волны с искусственно созданными структурами. Подобная методика была разработана относительно недавно и принесла большой прорыв в твердотельной СВЧ электронике. Также в последние два десятилетия были открыты новые оптические и магнитооптические эффекты, например магниторефрактивный эффект – эффект изменения коэффициента преломления под действием магнитного поля в неполяризованном свете [Гра11]. Лаборатория магнитных полупроводников ИФМ УрО РАН занимается исследованием этих эффектов с самого начала их открытия в этой лаборатории в 1989 г [Ау89]. Подобные эффекты имеют большую перспективу развития и дальнейшее использование в различных оптоэлектронных устройствах.
Итак, оптика продолжает свое активное развитие. Однако зачастую задачи ставит общество – объект изучения социологии и философии. Например, в фантастической литературе давно используются различные приборы, создающие невидимость. Пол века назад начали разрабатываться подобные устройства и на данный момент, уже созданы материалы дающие невидимость в широком спектральном интервале в видимой области спектра. В природе таких материалов не существует, однако человек, используя геометрическую организацию внутреннего строения этих новых материалов смог загнать свет внутрь вещества так, чтобы свет огибал находящийся за материалом объект. И здесь опять встает задача перед философией - осмыслить то, что человек уже на основе изученных законов природы, сам создает нужные ему физические явления.
Таким образом, история развития науки и неотъемлемой её части – оптики шло от непосредственного философского осмысления наблюдаемых явлений, к следующему этапу отказа от философских воззрений а лишь физическим анализом, к современному этапу синтеза философии и физики, когда философия ставит задачи для научного исследования, или объясняет новые физические открытия.
Литература
Do89 - Domenico Argentieri. L'optica di Leonardo (сборник L. da Vinci. Edizione curata della mostra dl L. da Vinci in Milano, p. 405, 1989)
Ma38 - Е. MacCurdy. The notebooks of Leonardo da Vinci, vol. I, 1938
We06 - Е. Wiedemann. Ibn al Haitam, ein arabischer Gelehrter («Festschrift fur J. Rosenthal; 149, 1906, Leipzig); A. N. Disney, loc. cit.
Ау89 – М.И. Ауслендер, Е.В. Барсукова, Н.Г. Бебенин, Б.А. Гижевский, Н.Н. Лошкарёва, Ю.П. Сухоруков, Н.М. Чеботаев. Спектр поглощения монокристаллов ферромагнитного полупроводника HgCr2Se4, n- и p-типов в магнитном поле//Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 1989. -Том 95. - Выпуск 1.С. 247-252.
Ах76 - Ахутин А.В. История принципов физического эксперимента от античности до XVII века. М.: Наука, 1976
Бо71 - Нильс Бор. Избранные научные труды. Т. II. М.: Наука, 1971. – С 526-532
Ги01 - Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках. — 3-е изд. — М.: МЦНМО, 2001.
Гра11 – А.Б. Грановский, Ю.П. Сухоруков, А.В. Телегин, В.Д. Бессонов, Е.А. Ганьшина, А.Р. Кауль, И.Е. Корсаков, О.Ю. Горбенко, Х. Гонзалес. Гигантский магниторефрактивныйэффект в пленках La0.7Ca0.3MnO3 // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. – 2001. -Том 139. -Выпуск1. -С. 90-100.
Го76 - Голованов Я.К. Этюды об ученых. Иоганн Кеплер. М.: Молодая гвардия, 1976.
Де89 - Декарт Р. Сочинения в двух томах. М.: Мысль, 1989
Ку64 - Кузнецов Б. Г. Галилео Галилей. — М.: Наука, 1964.
По81 – Е.И. Погребысская Оптика Ньютона. Издательство Наука. Москва 1981