16
Роберт Гук
(к 350-летию со дня рождения)
Кандидат
физико-mатематических наук
С. Р. ФИЛОНОВИЧ
Здание Грешем-колледжа.
В этом доме Гук жил и работал почти пятьдесят лет.
В истории науки есть периоды, когда происходитила кругая ломка представленной о природе и методах ее исследования. Такие периоды принято называть научными революциями. Одна из них относится к XVII столетию, в течение которого были заложены основы многохарактеристикой физики. Характер революции в физике XVII века определялся, прежде всего, обращением ученых к эксперименту как средству познания законов природы. Одним из величайших эксперименторов—the эпохи был Галилей. Его простые, оструемые и очень убедительные опыты вдохновили многох력 ученых на исследование в развитие области физики. XVII столетие чрезвычайно расширило круг изучаемых физических законов и явлений. При этом научная специализация еще не зашла в то время очень далеко, и многие выдающиеся учены успешно работали сразу в нескольких областях физики. К таким ученым-учиверсалам относится Галилей, Кеплер, Гюйгенс, Ньюотон. К этому перечню следует добавить и имя выдающегося английского естественногоателя Roberta Гук, который по широте научных интересов и разнообразию полученных им результатов занимает одно из самых заметных мест вblicяшей плеяде ученых XVII века.
О жизни этого ученого, о его научной деятельности и о судьбе его работ мы рассакjem в этой статье.
17
Роберт Гук родился 18 июля 1635 года в местечке Фрешутер на английском острове Уайт в семье настоящего местной церкви. Отец хотел, чтобы Robерт тоже стал священником, но от этих планов пришлось отказыться. У мальчика было такое слабое здоровье, что он даже не мог ходить в начальную школу вместе со сверстниками. (Более преследовали Гука всю жизнь, и это сказалось на его характере: современники часто отмечали его вспыльчивость, резкость и раздражительность.)
Имея большой доступ, юный Гук много времени посвящал конструкрованию и моделированию различных устройств и механизмов. Можно сказать, что страсть к изобретательству проявилась у него еще в раннем детстве. Однако безмятежная жизнь в семье была рано превращена трагическим собитием. Когда Roberty было 13 лет, умер его отццей, и Гук пришлось задуматься о своем будущеем. Стремясь с пользователем оставшись ему в наследствю 100 футов стерлингов, Гук поступает учеником к одному лондонскому живописцу. Однако вскоре он убеждается, что и без специальной подготовки достаточно хорошо рисует, а запах масляной краски вызывает у него головную боль. Отсюда и решение уйти от живописца и поступить в школа извлечного педагога Р. Башби. В школе Robерт изучил латинский и греческий языки, познакомился с геометрией Евклида, одним словом, получил подготовку, достаточно для поступления в университет.
В 1653 году Гук становится студентом знаменитого Оксфордского университета. К тому времени деньги, оставленные ему отцом, были исчерпаны, и молодому человеку надо было искать средства для продолжения учебных. Robерт устанавливается хористом в церковь. Однако петь ему пришлось недолго, поскольку очень скоро он находится место, лучше отвечающей его склонности: молодого человека берет к себе в качестве ассистента химик Т. Уиллис. Видимо, Гук работал добросовестно, и Уиллис рекомендовал его в том же качестве молодому аристократу, увлеченному научкой, имя которого вошло во все учебники физики, — Roberty Бойлю.
Бойль, человек столбя же знатийный, сколь и богатый, не желая участвовать в сложной политической борьбе, раздирашей Англлю в середине XVII века, удалился в Оксфорд, где на свои средства организовал химический laboratorium. Ранее он получил прекрасное образование во Франции, Италии и Швейцарии и занимался научными исследованиями не как дилетант, а в полне професссионально. К тому времени, когда Гук стал его ассистентом, Бойль был заинтересован изобретением О. Геррике воздушным насосом и опытами, произведенными немецким естественспытателем с помощью этого устройства. Понимая, что конструкция насоса Геррике далека от совершенства и что для проведения количественных экспериментов
18
Отрывки из сочинений Гука
Без обращения к первосточикам невозможно составить правильное представление о том, как излагали свои взгляды учены прошло. Иноzdда современная формулировка закона, посчитаю имя того илиного ученого, в действительности очень сильно отличается от той, которую давал ему автор. Но чаще знакомство с работами классиков естественного вызывает восхитение именно тем, как точно учены прошло удавалось представлять свои идеи: высказанные или несколько столетый назад сужения звучат волне современно. Последнее относится к многим работам P. Гука. Мы предложаем читателю несколько отрывков из произведений ученого, касающиеся природы света и закона управления.
Публикацию подготовил С.Р. Филонович.
О свете
«Свет — колебательное илирожательное движение в среде…, произходшее из подобного же движения в светящемся теле, подобно звуку, который обычно объясняет продолжательным движением среды, проводящей его, взвванием продолжательным движением звучшего тела. И также как в звуке пропорциональные колебания производят различные гармоники, так и в свете различные страны и приятные цвета создают при смешении пропорциональных и гармоничческих движений. Первые воспринятия ухом, а вторые — глазом.»
В следующем отрывке речь идет о возниклении световой волны и, по существу, воздействия о фермерском волновом фронте.
«…свет распространяется с одинаковой скоростью, откуда необходимо, чтобы каждый импульс или колебание светящемся тела возбудал сферу, которая непрерывно увечивалась бы так же, хотя и намного быстрее, как волны или круги на поверхности воды расходятся вокруг точки,
(Продолжение см. на c. 20)
требуется ее сервершенствование, Бойль поручил Гуку занять этим вопросом. Новый ассистент блестящие справился с заданием.
На рисунке 1 изображен внешний видстройства, которое вошло в историю физики под названием «насос Бойля — Гука». Используя этот насос, Бойль выполнил цикл экспериментов, которые привели к установлению одного из основных газовых законов, впоследствии названного «законом Бойля — Мариотта» *).
Итак, еще во время учебы в университете Гук приобщился к научным исследованием. Закомство с Уиллисом и Бойлем имело для начинающего ученого особое значение еще и потому, что они вели Гука в крупок любительей естественногония, регуляро собственнойся в Оксфорде, многие члены которого несколько лет спустя (в 1660 году) стали основателями Лондонского Королевского общества (Академии наук Англлии). Члены крупка были хорошо осведомлены о талантах Гука, и когда в 1662 году встал вопрос о кандидаттуре на должность демонстратора Королевского общества, они без колебаний обратились к Гука. Гук приял это предложение. В его обязанности входила подготовка трех-четырех экспериментов, которые демонстрировались на еженедельных заседаниях Королевского общества.
Середина XVII века — это время, когда экспериментальные исследования только входят в практику учены. Поэтому Гук приходит осеньмного работать, чтобы удовлетворить требования человека человека, ведь он должен был не только ставить опыты, придуманные им самим, но и повторять эксперименты, сообщения о которых до Англлии, проводить астроνομические наблюдения и т. д. И Гук с целью справлялся с этим обязаностями в течение нескольких десятилетий.
С 1665 года Гук становится профессором геометрии в Грешем-коледже и читает там lekции. В 1666 году меценат Кутлер предложает Гука за довольно большое вознаграждение начать чтение lekций для членов Лондонского Королевского общества по различным проблемам науки. Гук, нуждающийся в средах, принимает и это предложение, и в течение многих лет регуляро выступает с lekциями на разнообразные темы.
Кажется, что дел, которые занимаются Гук,xbатилю бы на несколько лодей. Но он находится все новые применения своего таланту. В 1666 году произошло трагическое событие: в результате страшного пожара была уничтожена значительная часть англійской столицы (он вошел в историю как Бойшой Лондонский Пожар — с большой буквы). Сразу после трагедии отцы города обращались в Королевское общество с просбой предста-
*) Результаты независимых исследований французского физика, Э. Мариотта были опубликованы спустя 14 лет после выхода в свет основной работы P. Бойля.
19
вить проекты перестройки Лондона. Гук за несколько недель подготовил оригинальный проект. По его плану улицы Лондона должны были пересекаться стого под прямыми углами. Хотя этот план не был принят (идея ученого была вопросена в жизнь лишь значительное позже, при застройке Нью-Йорка), проект Гук оценен по достоинству, и он был привлечен к работе по перестройке Лондона в качестве смотрителя. В конце 60-х — начале 80-х годов под руководством Гука в городе было возведено множество зданий. Получили известность и работы Гука как архитектора. В частности, по его проекту было возведено здание печально знаменитой больницы Марии Вифлеемской, превращенной в последствия в дом для умалишенных. Ее второе название — «Бедлам» — стало нарушательным и обозначает хаос, неразбериху. К сожалению, ни одно из зданий, построенных по проекту Гука, до наших дней не сохранили.
Вот так, в непрерывной, неустанной деятельности проектили дни Робerta Гука. Однако средние множества его занятый основное место, безусловно, принадлежит научным исследованием. Какими же открытиями и изображениями обогатил Гук научу?
Как уже говорилось, своего научного работу Гук начал с участия в экспериментах Бойля. Однако из открытий Бойля послужило темой и первого самостоятельного исследования Гука. Бойль затем, что жидкость в тонких трубках (капилларах) не подчиняется закону сообщающихся сокудов: вода в стеклянном капиллере поднимается выше уровня воды в широком сосуде. Гукtlsательно исследовал явления подобного рода, которые получили названия капиллярных. Выяснить их причину он не смог, но им было сделано несколько важных наблюдений и обобщений. В частности, он установил связь между капиллярностью и движением соков в стволах деревьев.
Важной особенность творчества Гука была глубокая взаимосвязь проблем, которые он знамался. На это обстоятельство надо обратить особое внимание, поскольку широта интересов Гука необсячна. Ярким примером разнообразия занимающих его вопросы является «Микрофрагфика» — самое известное произведение Гука, изданное в 1665 году.
В этой относительной небольшей книге Гук описывает множество наблюдаемых, произведенных с помощью усовершенствованияного им микросопа. На рисунке 2 показан внешний вид этого микросопа, а на рисунке 3 — изображения микросопических объектов, исследований Гуком. (Эти и другие рисунки для книги «Микрофрагфика» Гук выполил сам.)
Усовершенствование микросопа позволяет Гуку проверить уникальные по систематическому и разнообразию наблюдаемых. Исследование глаза мужи было настоящим научным открытом — Гуку удалось обьясить, почему полез зрения этого насекомого очень велико. «… ряды глаз располо-
Рис. 2. Микросопон Гука.
Рис. 3. Изображения микросопических объектов, исследований Гуком: грибница плеесени; «мозаичный» глаз мухи; различные типы снежинок.
20
где от упавшего камня началось движение. Из этого следует, что все части этих сферы волнообразно распространяются через однородную среду, пересекая лучи под прямыми углами.»
Гук одним из первых исследовал цвета тонких пленок. Он пытался объяснить возможности сложения «импульсов» — волны, отражения от различиной поверхности пленки. По поводу этого объяснения Т. Юнз, впервые формулировавший закон интерференции, писал, что среду ученых, занимающих оптикой, только у Гука есть намек на прицили интерференции.
«После двух предложений и одного отражения распространяется род ослабленного луча, который ослаблен не только вследствие двух предложений, но и вследствие потери времени, необходимого для прохождения луча туда и обратно между двумя поверхностями… Ослабленный импульс подходит к первому отражению импульсу так, что смешанный или удвоенный таким образом импульс, передняя часть которого более сильная…, вызывает на сетчатке опущение желтого цвета. Если немного удалить поверхности друг от друга, то ослабленный импульс совпадает со вторым или следующим импульсом, отраженным от первой поверхности, отставая от него, затем с третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым или восемым… Таким образом, если есть тонкое произведение тело, толщина которого возрастает…, то цвет будет повторяться столь же часто, на сколько ступеней отстает ослабленный импульс от первого начального или первого импульса, совпадает с последующими.»
(Окончание см. на c. 22)
жены таким образом, что нет ни одного направления, видимого от головы, на которое не были направлены несколько этих полусфер, так что справедливо говорят, что муxa имеет глаза во всех направлениях и что она действительное обозревает все вокруг себя. Замечено также, что когда муxa подвигает свое тело назад, эти поверхности поднимаются над поверхностью ее плеечей и спины, так что она может смотреть над своей спиной»,— так Гук описывает глаза муxa.
Среди других биологических наблюдений в первую очередь надо отметить описание клеточного строения растений. Сам термин «клетка», прочно вошедший в язык науки, был введен Гуком.
Хотя «Микрофрагия» в основном посвящена описанию микросоппических наблюдений, в ней не мало страниц, где обсуждаются вопросы из разных областей естественногоника. Так, Гук касается вопросов, связанных с превматическими и барометрическими опытами; вовь обсуждает явление капиллярности; излагает оригинальную теорию тела и горения; описывает свои астрономические наблюдения. Среди астрономических проблем, которые затрагивают луниных кратеров. Для ответа на него учены стали моделиные опыты; он наблюдается образованным/herновостем, похожих на кратеры, на поверхности кипящого альбестра и на поверхности размягченной глины, в которой падают небольшие ядрышки. Эти моделиные эксперименты можно рассматривать как косвенное обоснование двух основных современных гипотез о проискждении кратеров на Луне: вулканической и meteorитной.
Среди наблюдений и гипотез, касающиеся самых различных проблем, особое значение для развития физики имела та часть книги, в которой Гук обсуждал вопрос о природаве света. Занитересовавшись явлением цветов тонких пленок и выполив целяй ряд оринитальных наблюданий, он формулировал гипотезу о природаве света, которое считают истоком волновой теории света.*) Гук приобрел такой авторитет в этом вопросе, что именно ему руководство Лондонского Королевского общества поручило в 1672 году высказатьскуюждение о работе по теории цветов, представленной в Общество И. Ньюотоном. В работе Ньюотона были высказаны некоторые сообщения, касающиеся природу света, с которых Гук не согласился. Будучи человеком решительным, он выступил с резкой критикой точки зрения Ньюотона. С этого времени в течение ряда лет Гук и Ньюотон полемизировали по вопросам оптики.
В истории физики имя Гука наиболее прочно связано с формулировкой закона ургогости, известного как домому старшекласснику как «закон Гука». Исследованиями ургогих свойства веществ Гук
*) Читателью, желающей составить представление о том, как Гук формулировал свои научные представления, мы предлагаем ответки из работ Гука по оптике (с. 18) и механике (с. 22).
21
занитесовался еще в юности, когда принимал участие в опытах Бойля. Затем он столкнулся со скодными проблемами, занявшись конструктивным хронометра со спиральнойружиной. Итом работ Гука в этой области стала его lekция «О восстановитель способности, или об управости», изданная отдельной брошюрой в 1678 году, в которой формулирован закон управления.
В своей лекции Гук описал множество опитов с управими телами, обобщением результатов которых и стал знаментийной закон. На рисунке 4, записованием из указанной брошюры, показаны схемы опитов Гука по исследованию различных видов деформаций. Характерно, что Гук подходил к этим исследованиям, с одной стороны, как практик, изучая, например, деформации часовныхружин или изгиб деревянных балок, используемых в строительной практике, а с другой — как ученый-естественныйатель, проводящий точные количественные эксперименты и делаюший глобкие обобщения. (Отметим также, что закон управления — это один из немногих научных результатов, приоритет на который всегда за Гуком.)
Наконец, еще одна проблема физики, включая Гука в решение которого весма значительен, — это теория гравитации. Как и многими другими вопросами, гравитацией Гук запointerсовался еще в начале своей научной карьеры. В первые годы деятельности Лондонского Королевского общества он проводил опыты, в которых пытался выяснить, меняется ли сила притяжения, действующая на тело со стороны Земли, при изменении расстояния от центра Земли. Ожидаемых результатов Гук не получил, но не потерял интерес к этой проблеме.
Занятия астрономией, в частности попытка обнаружить параллельное недоввижных звезд — явление, которое неисредственно доказывает движение Земли вокруг Солнца, побудили Гука изложить свои взгляды на движение и взаимодействие тел. В 1674 году он опыликовал работу «Попытка доказать движение Земли наблюдениями», где, в частности, указал на существование универсальной силы гравитации. Однако найти функцию, определяющую зависимость этой силы от расстояния между взаимодействующими телами, Гук не смог. Некоторые время спустя он обработался к Ньюотону с вопросом о возможном виде этой функции, а затем высказал предположение, что сила гравитации подчиняется закону обработных квадратов. Ньюотон в своей знаментийной книге «Математические начала натуральной физики», где он изложил основные законы диамники, даже не упомянул о заслуках Гука в изучении гравитации, чем глубоко его осkopил. Между Гуком и Ньюотоном, как и в случае дискусии о природаве света и цветов, резко обстрились отношения. Известный советский физик и историк науки С. И. Вавилов в научной биографии Ньюотона по этому поводу писал: «Ньюотон был, оченьindo, неправ: