Глава XVIII О МОЛЕКУЛЯРНОМ ПРИТЯЖЕНИИ16
Притяжение исчезает между телами незначительных размеров и появляется снова в их элементах, принимая бесконечно разнообразные формы. Твёрдость, кристалличность, преломление света, поднятие и понижение жидкостей в капиллярных пространствах, а также все химические реакции суть результаты действия сил, познание которых является одной из главных целей изучения природы. Так, материя подчинена власти различных притягивающих сил: одна из них, бесконечно простираясь в пространстве, управляет движениями Земли и небесных сил; всё, что относится к внутреннему строению составляющих их веществ, зависит главным образом от других сил, действие которых чувствительно только на неуловимо малых расстояниях. Поэтому почти невозможно познать законы их изменения с расстоянием. К счастью, свойство быть заметными лишь в непосредственной близости контакта достаточно, чтобы подвергнуть анализу большое число интересных явлений, зависящих от этих сил. Здесь я представлю вкратце главные результаты этого анализа и этим дополню математическую теорию притягивающих сил в природе.
Мы видели в книге I, что световой луч, переходя из пустоты в прозрачную среду, отклоняется так, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянно. Этот фундаментальный закон диоптрики есть результат действия среды на свет, причём мы предполагаем, что это действие заметно только на неощутимых расстояниях. В самом деле, представим себе среду, ограниченную плоскостью. Ясно, что молекула света перед тем, как её пересечь, притягивается со всех сторон от перпендикуляра к этой поверхности одинаково, потому что на ощутимом расстоянии от молекулы со всех сторон находится равное число притягивающих молекул. Поэтому их равнодействующая направлена по этому перпендикуляру. После вхождения в среду молекула света продолжает притягиваться вдоль перпендикуляра к поверхности. Если вообразить эту среду разделённой на бесконечно тонкие слои, параллельные её поверхности, то поскольку притяжение слоёв, лежащих выше притягиваемой молекулы, уничтожается притяжением равного числа нижележащих слоёв, мы увидим, что молекула света притягивается в точности так, как она притягивалась бы на том же расстоянии от поверхности перед тем, как её пересечь. Поэтому испытываемое ею притяжение неощутимо, когда она заметно проникла в прозрачную среду, и её движение тогда делается равномерным и прямолинейным. Из принципа сохранения живых сил, изложенного в книге III, вытекает, что квадрат начальной скорости молекулы света, разложенной перпендикулярно к поверхности среды, увеличивается всегда на одну и ту же величину, какова ни была бы эта скорость. Параллельно этой поверхности действием среды скорость не изменяется, и, следовательно, возрастание квадрата полной скорости, как и самой этой скорости, не зависит от начального направления светового луча. Отношение скорости в направлении, параллельном поверхности, к начальной скорости образует синус угла падения, а её отношение к скорости в среде есть синус угла преломления. Поэтому эти два синуса относятся друг к другу как скорости света до и после его входа в среду, и, следовательно, они находятся в постоянном отношении. Разность их квадратов, делённая на квадрат синуса преломления и умноженная на квадрат скорости света в пустоте, выражает действие среды на луч. Разделив его на удельную плотность этой среды, получим её преломляющую силу.
Искривлённая поверхность, ограничивающая прозрачную среду, может быть заменена плоскостью, касательной в точке её пересечения с лучом, так как поскольку действие тел на свет заметно только на неуловимых расстояниях, можно пренебречь действием мениска, заключённого между касательной плоскостью и поверхностью. Поэтому, восставив перпендикуляр к этой поверхности в точке, где её встречает луч, и взяв синусы углов падения и преломления в том же отношении, как если бы поверхность была плоской, мы получим направление луча в среде.
Переходя из одной среды в другую, свет преломляется таким образом, что синусы углов падения и преломления находятся в постоянном отношении, но тогда преломление света вызывается только разностью действий, испытываемых им со стороны этих сред. Когда один луч проходит несколько прозрачных сред, ограниченных плоскими и параллельными поверхностями, его скорость в каждой среде равна и параллельна той, которую он имел бы, если бы прошёл в эту среду непосредственно из пустоты. Вообще, каким бы образом световой луч ни приходил из пустоты в прозрачную среду, его скорость одинакова.
Гипотеза о незаметности действия на ощутимых расстояниях позволяет распространить эти результаты на бесконечно тонкие слои прозрачной среды с переменной плотностью.
С помощью этих принципов, которыми мы обязаны Ньютону, все явления прохождения света через любое число прозрачных сред, а также в атмосфере были подвергнуты строгим расчётам. Эти явления не определяют закона притяжения света телами. Они подчиняются ему только при условии, что он действует лишь на неощутимых расстояниях.
Прозрачная среда различным образом действует на лучи разных цветов. В силу этой разницы белый луч, проходя через прозрачную призму, разлагается на множество цветов. Неравенства скоростей, которое можно предположить у разных лучей, недостаточно, чтобы объяснить явления, наблюдающиеся при дисперсии света, так как в этом случае дисперсия была бы одинаковой для всех сред, которые одинаково преломляют средние лучи, что противоречит опыту, который только один может её установить.
Из этих различий в дисперсии света при прохождении через линзы из разных сортов стекла извлекли большую пользу, устранив цвета, появляющиеся вокруг предметов в обычных телескопах, что придало большое совершенство этим инструментам, столь полезным в астрономии.
Описанные выше законы прохождения света изменяются в прозрачных кристаллах. Свет в них представляет особое явление, наблюдённое впервые в кристалле исландского шпата. Световой луч, падающий перпендикулярно на грань природного ромбоида этого кристалла, разделяется на два пучка: один из них проходит кристалл, не меняя своего направления; другой отклоняется и проходит через плоскость, параллельную плоскости, проведённой перпендикулярно грани по линии, соединяющей два тупых угла этого ромбоида. Эта линия, следовательно, одинаково наклонена к сторонам этих углов. Она называется осью кристалла, а главным сечением натуральной или искусственной грани называют плоскость, проведённую по этой оси перпендикулярно грани, а также всякую параллельную ей плоскость.
Разделение светового луча имеет место при любом угле падения. Одна часть его следует закону обычного преломления, другая часть подчиняется закону, открытому Гюйгенсом; этот закон, который можно рассматривать как результат опыта, может быть поставлен в ряд самых прекрасных открытий этого редкого гения. Он пришёл к этому закону тем остроумным способом, каким он рассматривал прохождение света, который он считал образованным волнами эфирного флюида. Он полагал, что в прозрачных некристаллических средах скорость этих волн меньше, чем в пустоте, и одинакова во всех направлениях. Но в кристалле исландского шпата он предположил два вида колебаний. Скорость первого из них представлялась, как в некристаллических средах, радиусами сферы, центр которой находится в точке падения светового луча на грань кристалла. Скорость второго была переменной и представлялась радиусами эллипсоида вращения, сжатого у полюсов и имевшего тот же центр, что и предыдущая сфера, причём ось вращения эллипсоида была параллельна оси кристалла. Гюйгенс не указывал причину различия этих колебаний; и удивительные явления, которые даёт нам свет, проходя из одного кристалла в другой, о них мы поговорим после, не объясняются его гипотезой. Вместе с трудностями, представляемыми теорией световых волн, это является причиной, почему Ньютон и большинство следовавших ему геометров не оценили по достоинству закон, который связывался Гюйгенсом с этой теорией. Таким образом, этот закон испытал то же, что и прекрасные законы Кеплера, которые долго оставались непризнанными, потому что их ассоциировали с идеями порядка, которыми, к несчастью, этот великий человек заполнил все свои работы. Однако Гюйгенс подтвердил свой закон большим числом опытов. Выдающийся физик Волластон, проделав очень хитроумным способом различные эксперименты с двойным лучепреломлением в кристалле исландского шпата, нашёл их согласными с этим замечательным законом. Наконец, Малю провёл множество очень точных опытов с естественными и искусственными гранями этого кристалла и постоянно наблюдал при этом самое полное согласие между опытом и законом Гюйгенса. Поэтому, не колеблясь надо отнести его к числу наиболее достоверных и прекрасных результатов физики. Непосредственные опыты показали Малю, что этот закон распространяется также и на горный хрусталь.
