При подходе к гробнице Исаака Ньютона нельзя не задержать взгляд на линиях огромного пространства сводчатого мраморного потолка и на массивных опорах, которые не дают этому потолку подчиниться законам тяготения. Такой же тяжелой кажется и тишина, нарушаемая только эхом ваших шагов, когда вы поднимаетесь по лестнице к урне с прахом великого ученого.
Только теперь вы заметите луч света. Входя через крохотное отверстие примерно в шести метрах от уровня пола, он под углом попадает на зеркало, вмонтированное в декорированную стойку, и отражается от него. Затем луч пересекает помещение, проходит через призму и распадается на последовательность цветных лучей, хорошо известных в природе: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Этот пантеон существует только на картине «Аллегорический памятник сэру Исааку Ньютону» кисти венецианского художника Джованни Баттиста Питтони. Полотно было написано в 1729 году сразу после смерти Ньютона. (На самом деле великий ученый похоронен в Лондоне, в Вестминстерском аббатстве.) Памятник Ньютону — весьма неожиданная тема для Питтони, более известного своими композициями на религиозные и мифологические темы («Святое семейство», «Принесение в жертву Поликсены»). Но эта его картина необычна еще и по другой причине.
Ньютон прежде всего прославился (как и Лейбниц) благодаря открытию дифференциального и интегрального исчисления (метод производных), которое помогло сделать то, что не сумел сделать Галилей, а именно: показать, каким образом ускоряется объект за каждый из бесконечно малых отрезков времени. В своем выдающемся труде «Принципы математики» (Principia Mathematica) он описал движение небесных сфер и показал, что одна и та же сила гравитации заставляет падать яблоко и удерживает планеты вокруг Солнца. Но на картине Питтони отдавалось должное Ньютону не как теоретику, открывающему новые законы на бумаге, а как великому экспериментатору.
В 1665 году, когда Ньютон только закончил Тринити-колледж в Кембридже, разразилась Великая чума, заставившая людей бежать куда глаза глядят из больших городов. Оказавшись на родительской ферме в Вулсторпе, Исаак все свое время отдавал занятиям математикой и теорией движения, а также размышлениям над природой цвета и света.
Платон и отдельные досократики верили в то, что пучки света, излучаемые глазами? могут осветить весь мир. Аристотель, отвергавший эту идею, учил, что цвета — это смесь темноты и света. Желтый, например, близок к белому, а синий — это почти черный. Ко времени Ньютона у ученых возникло более глубокое понимание природы цвета, а натурфилософы развивали вполне точную науку — оптику.
Уже было известно, что, когда свет попадает на зеркало, угол падения равен углу отражения. Когда свет проходит через прозрачную среду и снова оказывается в воздухе, его луч либо отклоняется, либо преломляется. Именно поэтому, когда человек ступает в воду, кажется, что его ноги кто-то слегка поломал. Величину преломления можно рассчитать, используя способ, который в то время был известен как закон Снелла. Изучая радугу, французский философ и естествоиспытатель Рене Декарт наблюдал за гигантской каплей — стеклянной сферой, заполненной водой, стараясь понять, как меняются цвета внутри ее. Примерно так же цвет меняется, если смотреть на предметы сквозь мыльные пузыри, осколки слюды, рыбью чешую и колеблющиеся в солнечном свете крылья насекомого. В 1637 году в эссе под названием «Диоптрика» Декарт пытался дать объяснение происхождению цвета, считая, что он возникает от вращения капелек эфира, — чем быстрее вращение, тем краснее свет.
Однако наверняка происхождения цветов не знал никто. Получалось, что чистый белый свет становился окрашенным при столкновении с веществом — при отражении от цветного предмета либо при прохождении через окрашенную жидкость или стекло- Представители следующего после Декарта поколения ученых, три светила европейской науки — Христиан Гюйгенс, Роберт Бойль и Роберт Гук, — продолжали выдвигать все новые теории. Никто из них не слыхал об Исааке Ньютоне — на то не было никаких причин. И по правде говоря, Гуку вообще лучше было бы никогда не слышать это имя.
Похожий на сутулого тролля Гук был настолько известен своими элегантными опытами, что удостоился чести стать первым куратором экспериментов в Лондонском королевском обществе, образование которого ознаменовало начало научной революции. Будучи одним из первых исследователей микромира, Гук делал точнейшие зарисовки увиденного: вошь и блоха, увеличенные до размеров монстра, плесень, которая казалась чудесными цветами из тропического влажного леса, — все это и многое другое стало иллюстрациями в его знаменитой книге «Микрография». Изучая под увеличительным стеклом кусок пробки, он исследовал лабиринты пустот, впервые назвав их клетками. Будучи выдающимся изобретателем, он создал воздушный насос и помог Бойлю сформулировать обратную зависимость между объемом и давлением газа. Так появился закон Бойля. Существует также и закон, носящий его, Гука, имя. Этот закон очень точно описывает природу упругости: твердое тело деформируется пропорционально прилагаемой к нему силе. Сам Гук называл его «ceiiinosssttuv», что расшифровывалось как «Ut tensio sic vis» (каково растяжение, такова и сила). (Чтобы утвердить за собой приоритет и предупредить кражу интеллектуальной собственности, он первоначально опубликовал результаты своих исследований в виде латинской анаграммы.)
Гук был уверен, что ему удалось разгадать загадку цвета и света. Белый — основной, а остальные цвета — это аберрации: «Синий — это воздействие на сетчатку глаза косого, рассеянного импульса света, который начинается со своей слабейшей части и завершается сильнейшей». Красный и синий можно смешать и, разбавив, получать различные смешанные цвета. У Гюйгенса и Бойля были свои собственные теории, которые, к сожалению, в основании имели все то же объяснение цвета как окрашенного света.
Начав с нуля, Ньютон тщательно проанализировал наблюдения, сделанные до него, и добавил к общей картине некоторые собственные. Кусочек золотой фольги, тонкий настолько, что кажется почти прозрачным, отражает желтый свет. Но если разместить его между «вашим глазом и свечой», отмечал Ньютон, то проходящий через фольгу свет становится синим. Если взять древесину под названием lignum nephriticum, которую аптекари продают как лекарство от печени, разрезать ее на тонкие пластины и настоять в воде, то «настой (помещенный в прозрачный фиал) отражает синие лучи и пропускает желтые». То же справедливо и в отношении некоторых плоских стекол: «…они кажутся одного цвета, когда на них глядишь сверху, и совсем другого цвета, когда глядишь сквозь них». Но это аберрации. «В целом же, тела, которые кажутся глазу одного цвета, такого же цвета и остаются в любом положении».
Вынужденный из-за чумы вести жизнь затворника, он изучал мир словно слепец, который неожиданно прозрел. Если растереть в порошок или настрогать темные или полупрозрачные вещества, то они становятся светлее, поскольку такое измельчение создает «множество отражающих поверхностей», которые до этого не существовали. И наоборот, вещества, смоченные в воде, становятся темнее, «ибо вода заполняет отражающие свет поры».
Он также поигрывал с плоскими стеклышкам», устанавливая плоскопараллельную пластину, а на нее — слегка изогнутую выпуклую линзу. Направляя луч света на поверхность, он наблюдал, как переливаются цветные круги, названные кольцами Ньютона. «В зависимости от плотности контакта между стеклами кольца становились то шире, то уже». Если такое устройство поместить в темной комнате под синий луч, излучаемый призмой, можно видеть чередующиеся темные и светлые круги. Красный луч давал такую же картинку.
К тому времени Гук уже описал явление интерференции в книге «Микрография», но Ньютону удалось намного глубже проникнуть в это явление и сделать так, чтобы оно ассоциировалось с его именем.
Оптические опыты превратились в настоящую его страсть. Он стал экспериментировать даже с собственными глазами: брал палочку с тупым концом, которую называл «шпилькой», и вдавливал ее «между глазом и костью, как можно ближе к боковой части глаза». Нажатие и потирание глазного яблока таким «инструментом» приводило к тому, что он начинал видеть «несколько белых, темных и цветных кругов». Когда он повторил свой эксперимент на свету, почти закрыв глаза, то «появилась большая, широкая, темная с синим отливом полоса» с меньшим по размерам светлым пятном посредине. При более сильном нажатии внутри этого светлого пятна возникал маленький синий кружок. Проведение эксперимента в темноте давало другие результаты: «появлялся круг красноватого цвета», а внутри него — темно-синий круг.
Иногда, нажимая на различные места в области глазной впадины, он получал более тонкое разрешение — видел целый ряд концентрических цветных колец, причем цвета их — от центра наружу — распределялись так: зеленый, синий, пурпурный, темно-пурпурный, синий, зеленый, желтый, красный, как пламя, желтый, зеленый, синий, широкий пурпурный, темный. Глядя на солнце или его отражение, Ньютон отметил, что оно красного цвета, когда же он «входил в темную комнату, то солнце становилось синим».
От физики он незаметно перешел к анатомии. Как ему удалось узнать из книг, в каждом глазу визуальные вибрации проходят через оптические нервы, представляющие собой огромное множество тонких трубочек, а потом достигают мозга. Иссекая ткани вокруг глаз — слава богу, не своих, а глаз различных животных, — он пытался понять механизм формирования изображения в глазу и природу вещества, с помощью которого это осуществляется. «Вода слишком груба для такого деликатного дела», — заключил ученый. Тут он мог бы принять теорию Галена и его сторонников, которые считали, что по нервной системе летают «животные духи», но Ньютон напрочь отверг ее, поставив следующий эксперимент: «…хотя я и привязал кусочек оптического нерва с одной стороны и стал нагревать его посредине, чтобы убедиться, не заявит ли о себе, например, в виде пузырьков хоть какая-нибудь сущность с другого конца, ничего подобного мне наблюдать не удалось — выделилось лишь немного влаги и сердцевина этого нерва».
Если бы все закончилось лишь ожиданием того, что «духи зрения», пузырясь, появятся на кончике зрительной колбочки, то Ньютон бы так и остался еще одним гением XVII века, которому оказалось не по силам разгадать загадку света. Но в разгар исследований его заинтересовало странное поведение призм.
Проведите на листе черной бумаги линию, которая была бы до половины синей, а остальная часть — темно-красной. Призма сделает так, что в месте изменения цвета линия отклонится от первоначального направления. То же самое происходит с синей и красной нитями: они смещаются на определенное расстояние друг от друга. Но почему стекло так по-разному относится к различным цветам?
Однажды, почувствовав особое любопытство, он вырезал небольшое отверстие, диаметром четверть дюйма, в оконном жалюзи. Поставив призму на пути узкого солнечного пучка, он на противоположной стене затемненной комнаты получил весь солнечный спектр.
«Поначалу это было приятным развлечением — рассматривать яркие, живые цвета», — писал он. Синие оттенки, бледнея, переходили в зеленые, затем желтые переходили в оранжевые и красные. Но более важным был не знакомый спектр, а его форма. Она была не круглой, как отверстие в жалюзи или солнечный диск, а продолговатой: тринадцать с четвертью дюймов в длину и два и пять восьмых дюйма в ширину. Такая «диспропорция была настолько экстравагантной, что возбудила во мне далеко не обычное любопытство и острое желание понять причину».
Что-то заставляло цвета распределяться именно таким образом. Ньютон сомневался в искусственном появлении этого явления, он не верил, что это всего лишь совокупное действие случайных причин. Но и такую возможность нельзя было полностью исключать. Он стал менять положение призмы так, чтобы свет проходил через стекло разной толщины, проделывал в шторке отверстия различного размера, выносил призму за пределы комнаты, чтобы свет прошел сначала через нее, а потом через отверстие в шторке. Но результат оставался прежним: цвета во всех этих случаях распределялись одинаково.
Расщепив свет на цвета с помощью одной призмы, он обнаружил, что их можно соединить с помощью второй призмы. Вторая призма разрушала то, что делала первая, и после нее на стене оставался лишь бесцветный кружок света. Значит, это не призмы окрашивали свет — цвета находились внутри самого светового пучка!
Именно множество таких экспериментов позволили ему сделать удивительный вывод. К тому времени, когда он был готов к проведению того, что он назвал Experimentum Cruris (позаимствовав этот термин у Гука), он, скорее всего, уже знал, что обнаружит. Но это не должно отвлекать нас от сути эксперимента. Как и прежде, пучок света из окна проходил через призму и пересекал комнату, но в этом случае цветовой спектр попадал на деревянную панель. В одном конце панели Ньютон просверлил отверстие и, перемещая соответствующим образом призму, сумел по очереди пропускать через отверстие в панели лучи только одного цвета. После этого они попадали на вторую призму и только потом направлялись на стену.
То, что он увидел в тот день, полностью поменяло все тогдашние представления о свете. Начиная с красной части спектра и переходя к синей, каждый цвет отклонялся все больше и больше — эффект, который ему подсказали цветные нити; синие лучи испытывают большее преломление, чем красные. Это объясняло продолговатость спектра. Если бы все цвета отклонялись одинаково, то спектр был бы круглым пятном. Но свет, как сказал Ньютон, «состоит из лучей, преломляющихся по-разному».
Преломление, или рефракция, позволило Ньютону понять, что такое цвет: луч света, способный преломляться совершенно особым способом. «Одинаковые цвета характеризуются одинаковой рефракцией», — писал он. Цвет — это способность преломляться.
Но на этом все не заканчивалось. Как Ньютон ни старался, после выделения ни один из цветов уже не менялся. «Я преломлял его с помощью призм и отражал телами, которые при дневном свете имеют другой цвет; я пропускал его через слой воздуха, находившегося между двумя пластинками стекла, пропускал через цветные среды и через среды, подсвеченные лучами другого цвета; разными способами останавливал этот луч, но ни разу мне не удалось изменить его цвет. Можно было сделать его более или менее насыщенным или путем потери множества лучей заставить стать блеклым или темным, но при этом он никогда не менял свою суть».
Если луч состоял более чем из одного цвета — оранжево-желтый, желто-зеленый, — то его можно было разложить с помощью призмы на отдельные цвета; рано или поздно, но все равно достигается точка, когда свет разлагается полностью на свои основные компоненты. «Цвет не является определением света, полученного посредством преломления или отражения естественными телами, а представляет собой изначальную, сущностную, характеристику».
Именно белый цвет является смешанным, он представляет собой лишь сочетание всех цветов, «гетерогенную смесь различно преломляющихся лучей». Солнце, сияя над миром, не приносит красное яблоку и зеленое листу. Яблоко и лист приобретают цвет из солнечного света.
Декарт тоже верил, что цвет является не свойством предмета, а свидетельством того, что свойства влияют на свет. Теперь Ньютон узнал, почему это происходит. Мир многокрасочен, потому что состоит из тел, «которые отражают один тип света значительно больше, чем другие».
В начале сентября 1666 года почти весь Лондон был разрушен Великим пожаром. Огонь заодно уничтожил и всех крыс, что позволило справиться с чумой. Отложив в сторону научные исследования, Роберт Гук помогал Кристоферу Рену перестраивать город.
Ньютон же, покинув Вулсторп, отправился в Кембридж, где получил почетную математическую кафедру и стал читать лекции о цвете и свете. Позже он, изобретя зеркальный телескоп длиной шесть дюймов, который был мощнее обычного телескопа, превышающего его по размерам в десять раз, произвел сильное впечатление на членов Королевского научного общества, а в 1672 году, через шесть лет после проведения знаменитых экспериментов, опубликовал в «Философских трудах» Королевского общества статью «Новая теория, объясняющая свет и цвета».
Гук отнесся к этому с большой ревностью и попытался дискредитировать Ньютона, в результате чего между учеными возникла вражда, не прекращавшаяся до конца их жизни. Гук заявил, что он сам, еще до Ньютона, поставил эти эксперименты и что полученные результаты легко объясняются его собственной теорией. (Позднее он будет настаивать на том, что «Основы» Ньютона не что иное, как плагиат его трудов.)
Другие ученые, включая Гюйгенса, отправили в журнал свои возражения, на которые Ньютон либо не обращал внимания, либо отвечал весьма презрительно. Безжалостное отношение к новым идеям не является чем-то особенным в научном мире, однако Ньютон посчитал себя оскорбленным. Особенно его донимала группа английских иезуитов, которые настаивали на том, что не могут воспроизвести его Experimentum cruris и что вытягивание спектра является результатом явления, названного ими «ярким облаком». Травля продолжалась до 1678 года, когда Ньютон от отчаяния полностью отошел от общественных дел и стал вести совершенно уединенную жизнь. Было ему тогда всего тридцать пять лет от роду, и впереди его ждали не менее великие свершения.
Только представьте, что это значит — понять, что дает листу его цвет и что заставляет пламя гореть!
Однажды осенним днем 1772 года парижане, прогуливавшиеся недалеко от Лувра, в саду Инфанты, вдоль набережной Сены, могли видеть странное, напоминавшее плоскую подводу сооружение в виде деревянной платформы на шести колесах. На ней были установлены огромные стекла. Две самые большие линзы, имевшие в радиусе восемь футов, были скреплены вместе так, чтобы из них получилось увеличительное стекло, собиравшее солнечные лучи и направлявшее их на вторую линзу, поменьше, а затем на поверхность стола. На платформе стояли занятые в эксперименте ученые в париках и черных очках, а их ассистенты сновали, как матросы по палубе, настраивая все это сложное сооружение на солнце, непрерывно держа плывущее по небосклону светило «под прицелом».
Среди людей, которые воспользовались этой установкой — «ускорителем элементарных частиц» XVIII века, — был Антуан Лоран Лавуазье. Его тогда занимало, что происходит при сжигании алмаза.
Давно было известно, что алмазы горят, и местные ювелиры попросили Французскую академию наук исследовать, не таится ли в этом какой-нибудь риск. Самого Лавуазье интересовал несколько иной вопрос: химическая сущность горения. Вся прелесть «поджигающего стекла» заключалась в том, что оно, фокусируя солнечные лучи в точке, находящейся внутри контейнера, нагревало все, что в эту точку можно было поместить. Дым из сосуда можно было направить по трубке в сосуд с водой, осадить содержащиеся в нем частицы, затем выпарить воду и проанализировать остаток.
К сожалению, эксперимент не удался: от интенсивного нагрева стекло постоянно лопалось. Однако Лавуазье не отчаивался — у него были и другие идеи. Он предложил Академии наук программу по изучению «воздуха, содержащегося в веществе», и того, как он, этот воздух, связан с процессами горения.
Ньютону удалось направить развитие физики по правильному пути, зато в химии в те времена дела обстояли из рук вон плохо — она еще была пленницей алхимии. «Хна, растворенная в хорошо дефлегментированном духе селитры, даст бесцветный раствор, — писал Ньютон. — Но если ее поместить в добротное купоросное масло и встряхивать, пока она растворяется, то смесь сначала станет желтой, а затем темно-красной». На страницах этой «кулинарной книги» ничего не говорилось ни об измерениях, ни о количествах. «Если дух соли поместить в свежую мочу, то оба раствора легко и спокойно смешаются, — отмечал он, — но если тот же раствор капнуть на выпаренную мочу, то последует шипение и вскипание и летучие и кислые соли через какое-то время коагулируют в третье вещество, напоминающее по своей природе нашатырь. А если отвар из фиалок развести, растворив в небольшом количестве свежей мочи, то несколько капель ферментированной мочи обретут ярко-зеленый цвет».
Весьма далеко от современной науки. В алхимии, даже в записях самого Ньютона, многое напоминает магию. В одном из своих дневников он добросовестно переписал несколько абзацев из книги алхимика Джорджа Огарки, который сам себя называл Филалетом.
Отрывок начинается так: «В [Сатурне] скрыта бессмертная душа». Под Сатурном обычно понимался свинец, поскольку каждый элемент ассоциировался с какой-нибудь планетой. Но в данном случае имелся в виду серебристый металл, известный как сурьма. «Бессмертный дух» — это газ, который испускает руда при сильном нагреве. «К Сатурну узами любви привязан Марс (это означало, что к сурьме добавлялось железо), который сам в себе пожирает великую силу, чей дух делит тело Сатурна, и из обоих вместе истекает чудесная яркая вода, в которую садится Солнце, высвобождая свой свет». Солнце — это золото, которое в данном случае погружено в ртуть, часто называемую амальгамой. «Венера, самая яркая звезда, находится в объятиях [Марса]». Венерой называли медь, которую на этом этапе добавляют в смесь. Сей металлургический рецепт, вероятнее всего, является описанием ранних этапов получения «философского камня», к которому стремились все алхимики, поскольку считалось, что с его помощью можно неблагородные элементы превратить в золото.
Лавуазье и его современники сумели пойти дальше этих мистических заклинаний, однако химики даже в то время еще верили в алхимические представления о том, что поведение веществ определяется тремя началами: ртутью (которая разжижает), солью (которая сгущает) и серой (которая делает вещество горючим). «Сернистый дух», также называемый terra pingua («жирная» или «маслянистая» земля), занимал умы очень многих. В начале XVIII века немецкий химик Георг Эрнст Шталь стал называть его флогистоном (от греч. phlog — относящийся к огню).
Считалось, что предметы горят потому, что в них много флогистона. По мере того как предметы поглощаются огнем, они выделяют эту горючую субстанцию в воздух. Если поджечь кусочек дерева, то он перестанет гореть, оставив после себя всего лишь кучку пепла, только когда израсходует весь свой флогистон. Поэтому считалось, что дерево состоит из пепла и флогистона. Аналогичным образом после прокаливания, т. е. сильного нагрева, металла остается белая хрупкая субстанция, известная как окалина. Стало быть, металл состоит из флогистона и окалины. Процесс ржавления — это медленное горение, наподобие дыхания, т. е. реакции, возникающие тогда, когда флогистон выделяется в воздух.
Рассматривался и обратный процесс. Считалось, что окалина напоминала добытую из земли руду, которая затем облагораживалась, подвергаясь восстановлению, или «возрождению», путем нагрева рядом с древесным углем. Древесный уголь испускал флогистон, который сочетался с окалиной, чтобы восстановить блестящий металл.
Само по себе использование гипотетической субстанции, которую нельзя измерить, но можно предполагать, не содержит в себе ничего плохого. В наше время космологи тоже оперируют понятием «темная материя», которая должна существовать, чтобы галактики при вращении не разлетались на куски под действием центробежной силы, и что за расширением Вселенной стоит антигравитационная «темная энергия».
С помощью флогистона ученые могли логично объяснить горение, прокаливание, восстановление и даже дыхание. Химия неожиданно становилась осмысленной.
Тем не менее это не решало всех проблем: окалина, остававшаяся после прокаливания, весила больше, чем исходный металл. Как могло получиться, что после выхода флогистона из вещества оно становилось тяжелее? Как и «темная энергия» четверть тысячелетия спустя, флогистон, по словам французского философа Кондорсе, «приводился в движение силами, противоположными по направлению силе тяжести». Чтобы эта мысль выглядела поэтичней, один химик заявил, что флогистон «окрыляет земные молекулы».
Лавуазье, как и ученые того времени, был уверен в том, что флогистон — одна из основных составляющих вещества. Но к началу экспериментов с алмазами он стал задумываться: а может ли нечто весить меньше нуля?