Ньютон использовал свои открытия в области света для усовершенствования телескопа. Тип телескопа, изобретенный Галилеем, позволял свету проходить через линзу, которая загибала его к точке, называемой фокусом. Чем больше света можно было собрать и загнуть к фокусу, тем большее увеличение давал телескоп. Количество собранного света зависело от ширины линзы. Чем шире была линза, тем толще ее приходилось делать. Однако когда свет проходил сквозь все более толстое стекло, некоторая часть драгоценного света поглощалась стеклом, а это приводило к ухудшению изображения.
Было и более серьезное возражение. Свет, проходивший сквозь линзу, изгибался, искривлялся или, если использовать правильный термин, преломлялся. Телескопы такого типа назывались рефракторными (от латинского слова, означающего «поворачивать назад»). Свет, проходивший через такие линзы, как и свет, проходивший через призму Ньютона, отчасти разбивался на отдельные цвета. В результате этого небесные тела, видимые в телескоп, были окружены узкими ореолами цвета, и это тоже мешало их видеть.
Это появление цвета называлось «хроматической аберрацией» (эти латинские слова можно перевести как «цвета разбредаются»). Астрономам, работавшим после Галилея, приходилось создавать очень длинные и неуклюжие телескопы, пытаясь получить большое увеличение с как можно меньшей хроматической аберрацией.
Теория Ньютона относительно преломления света оказалась ошибочной (даже гении не безупречны), так что он считал невозможным создание таких линз, которые не давали бы хроматической аберрации. Поэтому он решил создать телескоп, в котором вместо изогнутых линз использовались бы изогнутые зеркала. Такие телескопы, собиравшие и фокусировавшие свет за счет отражения, а не преломления, назывались телескопами-рефлекторами.
Рефлекторы давали несколько преимуществ по сравнению с рефракторами. Во- первых, тщательно полировать нужно было только отражающую поверхность зеркала, а в линзе тщательной полировке подвергались обе ее поверхности. Это давало возможность создавать зеркала, которые были больше линз. Во-вторых, свет не проходил сквозь стекло зеркала, а отражался от слоя металла на его поверхности, так что свет не терялся за счет поглощения, как в рефракторах. В-третьих, в телескопах-рефлекторах не было хроматической аберрации. В-четвертых, они могли быть более короткими и менее неуклюжими, чем рефракторные телескопы с тем же увеличением.
Ньютон придумал и создал первый телескоп-рефлектор в 1668 г. Он был чуть больше фута в длину, но давал увеличение в 35 раз, став предшественником большинства крупных телескопов современности, включая огромный 200-дюймовый (5 метров) телескоп-рефлектор в обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии.
Все это настолько прославило молодого Ньютона, что в 1670 г. он стал профессором математики в Кембридже и читал лекции по поведению света.
В 1758 г., через тридцать один год после смерти Ньютона, английский оптик Джон Цоллонд доказал полную ошибочность его теоретических доводов, доказывавших, что в линзах невозможно избежать хроматической аберрации. Он создал линзы с использованием двух различных видов стекла двух разных форм. Каждый вид стекла по-своему разбивал белый свет на цвета радуги. Два эффекта нейтрализовали друг друга, гак что при их соединении хроматическая аберрация отсутствовала.
Такие линзы называются ахроматическими (от греческого слова, обозначающего «бесцветный»). Теперь такие линзы стало возможно использовать для создания крупных рефракторов. Самый крупный телескоп-рефрактор наших дней с линзой в 102 сантиметра стоит в Йерксской обсерватории в Висконсине.
Тем не менее, хотя теория Ньютона оказалась ошибочной, мы можем этому только радоваться, поскольку эта ошибка привела его к столь полезному открытию.
Радуге Ньютона суждено было оказать еще одно очень важное воздействие на астрономию. В 1814 г. немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер сообщил, что при определенном положении призмы солнечный спектр пересекают многочисленные темные линии (видимо, Ньютон их просто не заметил). В честь того, кто их открыл, эти линии называют Фраунгоферовыми линиями.
Позднее астрономы и физики, изучавшие эти линии, обнаружили, что каждую образовывает один определенный элемент, и никакой другой, хотя один элемент мог образовывать много различных линий. Элемент — это ; один из сотни с небольшим основных типов материи, из которых состоит вся Вселенная. Прибор, называемый спектроскопом («наблюдателем за спектрами»), был создан для определения точного положения этих линий.
Поскольку эти линии были, так сказать, следами элементов, спектроскопы можно было использовать для анализа минералов. Их можно было использовать (и использовали) для обнаружения ряда новых элементов, которых прежде не знали.
И что важнее всего, спектроскоп стал одним из наиболее важных инструментов астронома. С его помощью стало возможно определить, какие именно элементы присутствуют в Солнце и в далеких звездах, узнать, является ли звезда по-настоящему двойной, приближается ли она к нам или удаляется от нас, какие магнитные процессы идут на ее поверхности.
Однако эта книга посвящена главным образом Солнечной системе, а не звездам, так что я больше не стану говорить о спектроскопе. Тем не менее интересно, сколь многое произошло из радуги Ньютона!
Если бы даже Ньютон больше ничего не сделал, он был бы находкой для астрономии, а ведь ему принадлежит еще очень много открытий!
ПОЧЕМУ ЛУНА НЕ ПАДАЕТ
Например, еще до того, как были сделаны открытия относительно света, Ньютон проявил себя блестящим математиком. В 1665 г. он разработал то, что называется теорией биномов, которая помогает изучать свойства определенных алгебраических выражений.
Еще более важным было создание нового раздела математики, который он начал создавать начиная с 1666 г. и который назвал «флюксиями»; он сейчас носит название дифференциального и интегрального исчисления. С его помощью стало возможно анализировать величины, которые постоянно менялись. Дифференциальное и интегральное исчисление стало гораздо более мощным инструментом анализа движения небесных тел, нежели греческая геометрия. Современные физики и астрономы были бы без него беспомощны.
Сам Ньютон стал использовать свое исчисление для того, чтобы решить ту задачу, которая один раз уже поставила его в тупик, — что и привело его к самому важному открытию. Это произошло так.
Ньютон был членом лондонского Королевского общества по развитию научных знаний, которое обычно называют просто Королевским обществом. Оно было официально учреждено в 1660 г. хартией Карла II (отсюда и название), хотя в течение многих лет и до того шли неформальные собрания.
Еще одним членом этого общества был Роберт Гук, склочный человек, который постоянно заявлял, что придумал нечто раньше, чем это сделал кто-то еще. Он не был полным мошенником, а был по-настоящему талантлив и иногда действительно придумывал что-то первым. ,
Ньютон хоть и не был таким громким, но тоже был неуживчив. И кроме того, его раздражала манера Гука вечно всех критиковать, так что они с Гуком постоянно ругались.
В 1684 г. Гук вместе с другими членами общества заявил, что сумел понять природу сил, управляющих движением небесных тел. Его подробно расспросили, но ответы не удовлетворили остальных. А в то время была обещана премия тому, кто сможет решить эту задачу.
Среди членов общества, выслушавших Гука, был Эдмунд Галлей, преданный друг и почитатель Ньютона. Он бросился к Ньютону с этой новостью. Галлей спросил Ньютона, как, по его мнению, двигались бы планеты, если бы между телами существовали силы притяжения, которые уменьшались бы как квадрат расстояния.
Ньютон тут же ответил:
— По эллиптическим орбитам.
— Но откуда ты это знаешь?