1. Открытие зависимости показателя преломления от цветности (дисперсия света). Т.е. опроверг воззрения Аристотеля и Доминиса. Красный цвет менее преломленный, а не фиолетовый. Опыты с пропусканием света через призму (мемуар «Новая теория света и цветов»). Вывод: «Свет состоит из лучей различной преломляемости». 2. Решает задачу выделения монохроматического пучка света , осуществляя первый монохроматор 3. Исследовал свойства монохроматического пучка света (цветность луча – изначальное его свойство): «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях». Современная физика внесла поправки в этот постулат Ньютона. Длина волна света может меняться при комптоновском рассеянии, при комбинационном рассеянии, но это уже тонкие эффекты, которые тогда обнаружить было невозможно. 4. Установил принципы и методы спектроскопии . 5. Все более склонялся в сторону корпускулярной теории света. Считал, что полярные свойства светового луча подтверждают корпускулярную теорию света. Отсюда существенные пробелы в его «Оптике». А) считал дисперсию света одинаковой для всех веществ. Так как игнорировал роль вещества. Б) отсюда ошибочный вывод о невозможности убрать аберрацию света. В) скорость света в среде больше скорости света в вакууме. 6. Глубокий анализ явлений, наблюдаемых в тонких пленках (кольца Ньютона). Установил обратность чередования цветов в проходящем и отраженном свете; зависимость радиуса кольца от толщины слоя и наклона падающих лучей; открыл периодичность света и по существу измерил впервые длину волны, как характеристику этой периодичности с хорошей для того времени точностью
2. Оптика Гюйгенса и оптика Ньютона . По Ньютону световые частицы наделены изначально неизменными свойствами и взаимодействуют с телами. Волновая теория света высказана Гюйгенсом (1690) и расплывчато Гуком. Как аргумент против корпускулярной теории Гюйгенс использовал факт суперпозиции световых потоков (затем Ломоносов и Эйлер). «Привести нас к пониманию способа распространения света может то, что нам известно о распространении звука в воздухе». Гипотеза Гю.: «Свет – это волновое явление». Принцип Гюйгенса. Гюйгенс дал наглядную модель распространения световых волн в кристаллах., считал световые волны продольными, остановился перед открытым им явлением поляризации света. , отказался от периодичности света . Последнее исключило возможность объяснения на основе волновой теории Гю. интерференции, дифракции, поляризации. Поэтому трактат Гюйгенса «Об оптике» по сравнению с трактатом Ньютона «Оптика», насыщенном огромным физическим содержанием, воспринимался современниками слабее.
Поэтому предположение Ньютона: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися телами» больше воспринималось современниками. Так возникли две знаменитые оптические концепции.
Исаа́к Нью́тон (или Ньюто́н, англ. Sir Isaac Newton, 25 декабря 1642 года — 20 марта 1727 года по юлианскому календарю, действовавшему в Англии до 1752 года; или 4 января 1643 года — 31 марта 1727 года по григорианскому календарю) — английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики.
Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета, заложил основы современной физической оптики, создал многие другие математические и физические теории.
Отец его умер еще до рождения сына, а мать, выйдя замуж во второй раз, оставила Ньютона на попечении бабушки. Он рос необщительным мальчиком, поначалу в школе учился очень плохо и часто становился объектом для насмешек одноклассников. Но упорство в учении позволило ему вскоре стать одним из успевающих учеников, и отношение к нему изменилось. Больше всего Ньютона интересовала техника и математика.
В 1660 году Ньютон поступил в Кембридж, который окончил в 1665 году со званием магистра искусств. В 1669-1701 годах он возглавлял физико-математическую кафедру Кембриджского университета. В 1696-м получил должность смотрителя, а в 1699 году — директора Монетного двора в Лондоне, где провел большую работу по перечеканке монет, а также приложил много усилий для упорядочения всего монетного дела Англии. В этот же период Ньютон занимался и наукой, сформулировал три закона механики, закон всемирного тяготения, создал телескоп-рефлектор, проводил опыты по разложению света. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета и многие другие математические и физические теории.
Открытые Ньютоном основы механики всех физических тел и явлений — от небесных тел до распространения звука — определили развитие физики как науки на много веков вперед. Научное творчество Ньютона сыграло исключительно важную роль в истории развития физики. В его честь названа единица силы в Международной системе единиц — ньютон.
Сам Ньютон достаточно скромно отзывался о своих открытиях, считая их подготовленными его предшественниками. Широко известна его фраза: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов».
Ньютон был президентом Лондонского Королевского общества с 1703 года. В 1705 году королева Анна возвела его в рыцарское звание. Он является автором фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики.
Скончался великий ученый Исаак Ньютон в 1727 году в своем доме в Кенсингтоне (сегодня — часть Лондона) и похоронен в Вестминстерском аббатстве.
Ежегодно в день рождения великого англичанина научное сообщество отмечает День Ньютона.
Оптические изыскания Ньютона начались с поисков способов устранения недостатков оптических приборов и в скором времени привели его к знаменитым исследованиям дисперсии света.
«В начале 1666 г. … я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с нею произвести опыты над знаменитым явлением цветов», - говорит Ньютон в мемуаре «Новая теория света и цветов». Обнаружив, что изображение отверстия в ставне по выходе из призмы становится удлинённым и окрашенным (спектром) (рис. 115), Ньютон обратил особое внимание на то, что длина спектра оказалась примерно в 5 раз больше его ширины. «Диспропорция была так необычайна, что возбудила во мне более чем простое любопытство узнать, отчего это происходит. Едва ли можно было думать, что различная толщина стекла или граница с тенью или темнотою производят на свет такое влияние». Ньютон, справедливо сомневаясь в правильности воззрений Аристотеля и Доминиса, предпринимает целую серию опытов, в результате которых приходит к выводу, что солнечный свет представляет смесь различных лучей, отличающихся друг от друга по преломляющей способности.
Эта разница в преломляющей способности связана с различной цветностью лучей. Так, рассматривая бумагу, одна половина которой окрашена в красный, а другая в синий цвет, через призму, он нашёл, что обе половины бумаги кажутся смещёнными, одна более приподнята, чем другая (рис. 116); Красный цвет оказывается менее преломляемым, чем синий. Точно так же, если обмотать обе окрашенные половины чёрной ниткой, то, получая с помощью линзы изображения этих ниток, можно видеть, что места отчетливых изображений красной и синей половины не совпадают (рис. 117).
Открыв зависимость показателя преломления от цветности, Ньютон объяснил тем самым и дисперсию света в призме. Он демонстрирует дисперсию светла и на основном опыте получения призматического спектра (Опыт 3 «Оптики»), и на замечательном опыте со окрещёнными призмами (рис. 118, опыт 5 «Оптики») (Метод окрещённых призм Ньютона получил большое значение для исследования аномальной дисперсии (Кундт и, особенно, Вуд, а также классический «метод крюков» Рождественского, в котором идея Ньютона развивается дальше-скрещивание интерферометра и спектроскопа). Он производит experimentum сrucis (опыт 6 «Оптики») с целью проверки гипотезы, что дисперсия обусловлена различной преломляемостью лучей.
В результате своих исследований Ньютон приходит к фундаментальному выводу: «Таким образом была открыта истинная причина длины изображения, которая заключается в том, что свет состоит из лучей различной преломляемости».
Ньютон ставит далее задачу выделения монохроматического пучка с целью исследования его свойств, осуществляя первый монохроматор (рис. 119). Он устанавливает, что разрешающая способность спектроскопа повышается как от увеличения преломляющего угла призмы, так и от уменьшения размеров источника света (щель). Комментируя в своём переводе «Оптики» описание спектральной установки Ньютона, акад. Вавилов указывает, что в этой установке осуществлены принципы коллиматорного устройства, применяемого до сих пор в спектроскопии, и выражает недоумение, каким образом столь тонкий наблюдатель, как Ньютон, при описываемых экспериментальных средствах не открыл фраунгоферовых линий. Эти линии впервые были открыты в 1802 г. Волластоном, который, описывая своё открытие, замечает: «Впрочем, бесполезно подробнее описывать явления, меняющиеся в зависимости от яркости света, и объяснение которых я не могу принять на себя». «Может быть, такие же соображения заставили и Ньютона умолчать о чёрных линиях солнечного спектра», - высказывает предположение акад. Вавилов.
Важнейшим результатом оптических исследований Ньютона является установление им принципов и методов спектроскопии, этого столь мощного отдела современной физики. Когда современный физик в учебной, заводской или научной лаборатории производит установку призматического спектроскопа, он повторяет те же манипуляции, которые впервые были проделаны Ньютоном. Он будет так же устанавливать призму на угол наименьшего отклонения, регулировать и фокусировать щель коллиматора, как это делал Ньютон. Забегая вперёд, мы скажем здесь, что Ньютоном была осуществлена и первая дифракционная спектральная установка и были предприняты первые промеры длин волн интерференционным методом.
Получив монохроматический пучок, Ньютон тщательно исследует его свойства. Он находит, что его показатель преломления для данной поверхности падения остаётся неизменным и, следовательно, преломление монохроматического пучка происходит без дисперсии. Точно так же остаётся неизменной и отражательная способность пучка. Цветность пучка при отражениях и преломлениях не меняется. Проверяя теории Аристотеля и Доминиса, Ньютон помещает на границе с тенью различные цвета спектра и приходит к выводу: «Все цвета относятся безучастно к любым границам тени, и поэтому различие цветов одного от другого не происходит от различных границ тени, вследствие чего свет видоизменялся бы различным образом, как думали до сих пор философы». Цветность луча, по Ньютону, является его изначальным, неизменным свойством, и Ньютон, основываясь, на многочисленных опытах, высказывает следующее утверждение, имеющее весьма важное значение для установления взглядов Ньютона на природу света.
Предложение II. Теорема II.
«Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях».
Современная физика внесла поправку в этот постулат Ньютона. Длина волны света меняется при отражении от движущихся зеркал, меняется, при рассеянии рентгеновских лучей (эффект Комптона), при комбинационном рассеянии (эффект Рамана, Ландсберга и Мандельштама). Если исключить эти тонкие эффекты, то постулат Ньютона оправдывается с большой точностью. Ньютон в мемуаре «Одна гипотеза, объясняющая свойства света», так формулирует этот важный постулат: «Вид цвета и степень преломляемости, свойственные каждому отдельному сорту лучей, не изменяются ни преломлением, ни отражением, ни какой-либо иной причиной, которую я мог наблюдать. Если какой-нибудь сорт лучей был хорошо отделён от лучей другого рода, то после этого он упорно удерживал свои окраску, несмотря на мои крайние старания изменить её».
Но в таком случае и Ньютон и его оппонет Гук хорошо понимали логическую необходимость этого вывода - свет есть нечто, обладающее тем неизменным качеством, каким является его цветность, определяющая его преломляемость. «… Поскольку цвета - качества света, имеющие лучи своим полным и непосредственным субъектом, то можно ли думать и о лучах, как о качествах, если только качество не может быть субъектом» и поддержкой другого качества, что значило бы назвать его в действительности субстанцией. Мы признаём тела субстанций только по их ощущаемым качествам, и, буде главные качества чего-то найдены, у нас достаточно оснований полагать это нечто также субстанцией».
Но Ньютон избегает категорического вывода, и когда Гук на основании приведённой выше цитаты приписывает ему утверждение телесности цвета, то он протестует, говоря, что такое утверждение представляет «самое большее… очень вероятное следствие доктрины, но не основное предложение». Он стремится перевести спор на почву достоверно установленных фактов, избегая гипотез. Это оказывается невозможным, и Ньютон принимает решение не публиковать своих оптических работ при жизни Гука. Несомненно, что Ньютону была ясна сложность свойств света, которые было затруднительно объяснить с помощью как одной волновой гипотезы, так и корпускулярной гипотезы. Однако он все более и более склонялся на сторону последней. Может быть, этим предпочтением корпускулярной, гипотезе можно объяснить существенные ошибки и пробелы ньютоновской «Оптики». Так, Ньютон, считая преломляемость изначальным качеством светового луча, игнорировал роль вещества и считал дисперсию лучей одинаковой для всех веществ. Отсюда он делал ошибочный вывод о невозможности устранения хроматической аберрации. Радикальное улучшение оптической аппаратуры могло быть достигнуто, по мнению Ньютона переходом от рефракторов к рефлекторам, и он сам сконструировал такой рефлектор в 1668 г., а затем второй - в 1671 г. Из доктрины Ньютона вытекали его воззрения на цветность тел. Цвета тел обусловлены их способностью отражать одни лучи сильнее, чем другие. Изучая вопрос о цветности тел, Ньютон не мог не обратиться к исследованию явлений, наблюдаемых в тонких плёнках, явлений, которыми до него занимались Бойль, Гримальди и Гук. Но в отличие от своих предшественников, Ньютон переходит от качественных поверхностных наблюдений к глубокому анализу этих явлений. Желая изучить найденную еще Гуком связь между окраской плёнки и её толщиной, Ньютон придумывает то замечательное расположение линз, которое ныне известно под именем установки для получения ньютоновых колец. Он установил, что получаемые кольца были видны как в проходящем, так и в отраженном свете, но порядок чередования цветов в обеих картинах был обратный. Там, где в отраженном свете наблюдалось кольцо определённого цвета, в проходящем было кольцо дополнительного цвета. Им была установлена зависимость радиуса кольца от толщины слоя и наклона падающих лучей. Он установил, что квадраты диаметров колец возрастают в арифметической прогрессии нечётных или чётных чисел. Изучая чередование колец, Ньютон открывает периодичность света и, по существу, измеряет впервые длину волны (Точнее, пространственный интервал, соответствующий четверти длины волны. Понятно, что сам Ньютон о длине волны не говорит.), являющуюся основной характеристикой этой периодичности. Акад. Вавилов даёт сопоставление измерений Ньютона с современными данными (см. ниже таблицу).
Как видим, измерения Ньютона были произведены с изумительной но тому времени точностью. Отмечаются только значительные расхождения в оранжево-красной части спектра, что вполне понятно при отсутствии достаточно надёжных ориентиров в спектре, особенно в крайних его частях. Такие ориентиры были найдены впоследствии Фраунгофером.
Открытие периодичности света Ньютоном расценивалось им по справедливости как фундаментальное обстоятельство. Современники Ньютона Гук и Гюйгенс, равно как и последующие оптики, не в состоянии были понять значения этого открытия, иначе судьба корпускулярной теории была бы решена раньше исследований Френеля. Ньютон понимал необходимость истолкования найденных фактов и дал оригинальную теорию «приступов», по которой частицы светового луча обладают некоторой внутренней периодичностью, так что у них сменяется периодическая фаза лёгкого прохождения фазой лёгкого отражения, и наоборот. Если частица падает на отражающую, поверхность в первой фазе, она будет пропущена eю, в противоположном же случае она будет ею отброшена. Эту свою теорию приступов Ньютон формулирует в следующих выражениях:
Предложение XII.
«Каждый луч света при своём прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к лёгкому прохождению черёз ближайшую преломляющую поверхность, между же возвращениями - к лёгкому отриженйю».
Ньютон устанавливает, что наибольшая разность хода лучей, при которой ещё может происходить интерференция, составляет несколько тысяч таких переменных чередований. Эти чередования зависят от обеих поверхностей: «Они происходят… на второй поверхности, ибо, если бы они происходили на первой, прежде чем лучи дошли до второй, они не зависели бы от второй поверхности».
«На них влияет также некоторое действие или расположение, распространяющееся от первой поверхности, так как иначе на второй поверхности они не зависели бы от первой. И это действие или расположение при своём распространении прерывается и возвращается через равные интервалы». «Какого рода это действие или расположение? Я не исследую здесь, состоит ли оно из вращательного или колебательного движения луча, или среды, или из чего-либо ещё. Те, которые неохотно одобряют всякое новое открытие, если оно не объясняется гипотезой, могут в настоящем случае предположить, что, подобно тому, как камни, падая на воду, приводят её в колебательное движение, и все тела при ударе возбуждают колебания в преломляющей или отражающей среде или веществе, заставляя двигаться твёрдые части преломляющего или отражающего тела, и таким движением вызывают в теле увеличение тепла или жара; можно предположить, что колебания, возбуждённые таким образом, распространяются в преломляющей или отражающей среде или веществе, подобно тому, как колебания распространяются в воздухе, вызывая звук, и движутся быстрее, чем лучи, обгоняя их; когда луч находится в той части колебания, которая согласуется с его движением, он легко пробивается через преломляющую поверхность; находясь в противоположной части колебания, мешающей его движению, он легко отражается; следовательно, каждый луч попеременно располагается или к лёгкому отражению, или в лёгкому пропусканию каждым колебанием, обгоняющим его. Я не разбираю здесь, верна или ошибочна эта гипотеза. Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях».
Верный своему индуктивно-эмпирическому методу, Ньютон высказывает свою гипотезу направляющих волн очень осторожно. Но этой гипотезы он придерживается с постоянством, заставляющим думать, что он усматривал в ней нечто большее, чем первое пришедшее в голову объяснение. Гипотеза направляющих волн высказана была им в мемуаре! 1675 г. Она сохранилась во всех изданиях «Оптики», и в «вопросах» последней Ньютон снова возвращается к ней (вопрос 17 «Оптики»), Ньютон усматривал в волновой теории света непреодолимые трудности (о них мы скажем дальше). Но он хорошо представлял природу волнового движения, и открытый им факт периодичности свеча вызвал в его уме образ волнового движения; направляющего движение световых корпускул. Так Ньютон впервые вводит в оптику дуалистическую теорию волн корпускул. Без этой теории ему трудно было бы объяснить почему одни и те же световые частицы, падая на граничную поверхность, частью отражаются ею, частью пропускаются. Таким образом, Ньютон всё более и более убеждался в сложности световых корпускул и приходил к выводу о необходимости приписывать световым лучам ряд изначальных свойств: цветность, периодичность и, наконец, поляризацию.
В последней части «Оптики» Ньютон описывает дифракционные явления: тень от волоса, явления у края экрана, дифракцию от щели, образованной двумя лезвиями острых ножей, дифракцию от клина. Эти опыты приводят его к выводу, что световые частицы способны взаимодействовать с частицами тел и отклоняться при прохождении около краёв этих тел.
Странно, однако, что Ньютон не заметил внутренней световой полосы в дифракционной картине от волоса и вообще не заметил уклонения света внутрь геометрической тени.
К «Оптике» Ньютона приложены «вопросы», в которых он намечает дальнейшую разработку оптических задач и обсуждает различные гипотезы света. Описывая в этих «вопросах» явление двойного лучепреломления и открытую Гюйгенсом поляризацию, Ньютон приходит к выводу о наличии в световом луче полярных свойств: «Каждый луч можно рассматривать, как имеющий четыре стороны, или четверти, две из которых, противоположные одна другой, склоняют луч к не обыкновенному преломлению, как только любая из них повернётся к краю не обыкновенного преломления в кристалле; две же другие стороны, хотя бы и повёрнутые к краю не обыкновенного преломления в кристалле, склоняют его только к обыкновенному преломлению». «… Каждый луч света имеет поэтому две противоположные стороны, изначально наделённые свойством, от которого зависит не обыкновенное преломление, и две другие стороны, этим свойством не наделённые».
Это последнее свойство лучей особенно укрепляет Ньютона в убеждении, что свет представляет корпускулы. «Я говорю только, что как бы то ни было трудно понять, каким образом лучи света, если они не являются телами, могут обладать по двум сторонам постоянной способностью, отсутствующей по другим сторонам, причём независимо от их положения в пространстве или среде, через которую они проходят».
Биографы Ньютона единодушны в том, что возникновение его интереса к оптике можно отнести к 1664 г. и что в 1665 г. он приобрел призму, "чтобы произвести опыты со знаменитыми явлениями цветов". Первые успехи в этой области были им достигнуты, вероятно, в период добровольного уединения с 1665 по 1667 г. в деревенской тиши Вулоторпа, куда он укрылся во время эпидемии чумы, свирепствовавшей в Англии с 1664 по 1667 г. В 1668 г. учитель Ньютона Исаак Барроу нашел его столь компетентным в оптике, что доверил ему просмотр своей собственной работы "Lectiones opticae et geometriae" ("Лекции по оптике и геометрии"), вышедшей в Лондоне в 1674 г. (разрешение на печать датировано 1668 г.). Это сотрудничество действительно поражает многих биографов Ньютона, которых смущает тот факт, что Ньютон мог пропустить без комментариев устаревшие представления Барроу о цветах. На этом основании строятся некоторые заключения о том, что в 1668 г. Ньютон еще не получил ни одного из своих фундаментальных результатов, касающихся природы цветов. Вывод этот слишком поспешный, поскольку просматривать работу другого автора не значит подменять его представления своими.
В 1669 г. Барроу уступил Ньютону лукасовскую кафедру в Кембридже и Ньютон сам начал читать оптику. К этому периоду относятся его "Lectiones opticae" ("Лекции по оптике"), опубликованные посмертно в 1729 г. Научный мир узнал об открытии Ньютона о природе цветов из доклада, опубликованного в 1672 г. и вызвавшего критические замечания ряда ученых, и в частности Гука. За ним последовала долгая полемика, сильно огорчившая Ньютона, человека весьма раздражительного и чувствительного к критике. Дело кончилось тем, что Ньютон заперся в своей лаборатории, чтобы там в тишине завершить свою фундаментальную работу по оптике, которую опубликовал в Лондоне в 1704 г. под названием "Optics" ("Оптика") в момент, представлявшийся ему благоприятным (годом раньше умер Гук). В предисловии Ньютон говорит, что значительная часть этой работы была написана в 1675 г. и направлена секретарю Королевского общества для прочтения на заседании. Через 12 лет Ньютон написал к ней добавление, чтобы сделать теорию более полной. Еще позже он добавил третью книгу. Еще при жизни Ньютона вышли второе издание "Оптики" в 1717 г. и третье в 1721 г. С согласия автора работа в 1706 г. была переведена на латинский язык Кларком(17), а в 1720 г. - на французский язык Костом (под редакцией Дезагюлье). В XVIII веке был широко распространен латинский перевод Кларка, многократно переиздававшийся, которого мы и будем придерживаться, отказываясь, таким образом, от прослеживания хронологии различных открытий и формирования взглядов Ньютона.
"Оптика" состоит из трех книг. В первой рассматриваются отражение, преломление и дисперсия света (анализ и синтез цветов) с приложением к объяснению радуги и с отступлением, посвященным телескопам и отражению. Во второй книге рассматриваются цвета тонких пленок. Наконец, третья книга содержит краткое экспериментальное исследование дифракции и заканчивается 31 "вопросом" теоретического характера.
Книга начинается провозглашением верности экспериментальному методу и обещанием описывать явления, не выдвигая гипотез: "Мое намерение в этой книге,- предупреждает автор,- не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуждением и опытами. Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы"...
Но нет и речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после этих слов читателя поражает первое определение, которое либо ничего не означает, либо говорит о явно корпускулярном характере теории. Первое определение гласит: "Под лучами света я разумею его мельчайшие части, как в их последовательном чередовании вдоль тех же линий, так и одновременно существующие по различным линиям".
А что означает утверждение: "луч света - это его мельчайшая часть"? Мы видим, что для Ньютона луч света - это уже не траектория в понимании древнегреческих геометров, а, как говорится в пояснении к этому определению, "наименьший свет или часть света... которая может быть оставлена одна, без остального света, или же распространяется одна, или совершает или испытывает одна что-либо такое, чего не совершает и не испытывает остальной свет".
Иными словами, Ньютон был жертвой иллюзии, присущей многим экспериментаторам: заявляя о желании придерживаться только фактов и отбросить всякие теории, он одновременно основывает истолкование своих экспериментальных результатов на новой теоретической концепции светового луча - концепции корпускулярной, или, если пользоваться современным термином, квантовой.
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА И ПРИРОДА ЦВЕТОВ
Следующая за этим экспериментальная часть выдержала испытание временем и по существу осталась основой современной физической оптики. Было бы излишне подчеркивать гениальность постановки проблемы, искусность ее решения, точность измерений. Достаточно лишь обратить внимание на громадный скачок, произошедший под влиянием работ Ньютона в исследованиях преломления в призме, которыми занимались до него очень многие физики, начиная с Мавролика и даже, если хотите, с Сенеки.
Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через призму двухцветной полоски бумаги (красной и синей), освещенной солнцем.
Опыт по дисперсии света позволил Ньютону прийти к фундаментальному выводу: "Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости".
И если само это утверждение и не вполне ново, поскольку оно высказывалось еще в 1648 г. Марко Марчи (1595-1667), зато весь комплекс последующих экспериментов, дающих ему окончательное подтверждение, был весьма новым, так что не мог пройти незамеченным. Проделав небольшое круглое отверстие в ставне окна темной комнаты, Ньютон заставил пучок лучей, проходящих через это отверстие, падать на призму с большой дисперсией и направлял "спектр" на противоположную стену, находившуюся на расстоянии в несколько метров. Тщательные наблюдения позволили ему установить, что наилучшие экспериментальные условия достигаются, когда призма находится, как говорят сейчас, в положении наименьшего отклонения, которое может быть легко найдено поворотом призмы вокруг своей оси. В первой серии опытов, проведенных с помощью такого приспособления, выделяется опыт с двумя скрещенными призмами. Эти опыты убедили Ньютона в том, что цвета присутствуют в солнечном свете, а призма лишь разделяет их, и привели его к установлению взаимно однозначного соответствия между степенью преломления и цветом с вытекающей отсюда поправкой к закону преломления Декарта: показатели преломления действительно постоянны для двух заданных сред при любых углах падения, но меняются при изменении цвета. Отсюда следует, что линза имеет столько фокусов, сколько цветов содержится в падающем на нее свете. И Ньютон подтверждает это следствие с помощью опытов, совпадающих с теми, которые и сейчас ставятся в средних школах.
В этом месте Ньютон критически исследует вопрос о чистоте спектра и описывает прибор, состоящий из линзы и призмы и представляющий собой не что иное, как коллиматор спектроскопа Фраунгофера. Почему же Ньютон не заметил тогда черных полос солнечного спектра? Возможно, потому, что зрение у него было слабое и наблюдения проводил ассистент. Это обстоятельство следует считать счастливой случайностью, так как обнаружение темных полос вызвало бы усложнение, которое Ньютону не так-то легко было бы распутать.
В другой серии опытов Ньютон разлагает свет с помощью призмы, направляет спектр на экран, в котором проделана узкая щель, и направляет свет, проходящий через эту щель, на вторую призму, которая отклоняет его, но уже не разлагает. Эта группа опытов, имеющая фундаментальное значение для спектроскопии, привела Ньютона к понятию однородного света: "Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломляемости, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях".
Тем самым с предельной очевидностью было экспериментально подтверждено предвидение Декарта о природе цветов: тела, на которые падает свет, не производят цветов, и лучи не окрашиваются philosophice et proprie (сами по себе); лучам свойственна определенная способность возбуждать в нас ощущение того или иного цвета. Следуя многовековой традиции, Ньютон насчитывает семь цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), не считая белого и черного.
После анализа цветов Ньютон переходит к следующей серии опытов, в равной мере изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов стали классическими и приводятся теперь в учебниках физики. Сюда относится, например, опыт с гребенкой, которая быстро перемещается перед спектром, так что он кажется белым благодаря явлению стойкости изображения, которому Ньютон не дал более точного объяснения, или же опыт с обратным сложением цветов с помощью второй призмы.
Все эти открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать новое, более полное объяснение радуги и истолковать цвета тел как результат избирательного поглощения падающего на них света. Однако эта последняя часть не избегла критики. Ньютону был показан опыт, в котором цвета, получающиеся при поглощении, ведут себя отлично от цветов спектра. Тем не менее он считал возможным применять к цветам спектра правила смешения цветных красок и говорил, например, что зеленый цвет спектра получается смешением желтого и синего.
ЗЕРКАЛЬНЫЙ ТЕЛЕСКОП
В проведенном выше анализе содержания первой книги "Оптики" мы опустили одно интересное отступление автора. Ставя свои великолепные опыты со скрещенными призмами, Ньютон пытался объяснить их с помощью выдвинутой в "Началах" гипотезы, которая: привела его к заключению о том, что дисперсия пропорциональна степени преломления. Это и есть знаменитая "ошибка Ньютона", ошибка, которой он мог бы избежать, если бы прибег к экспериментальной проверке. Но, найдя для единственного случая значение отношения степени преломления к дисперсии равным 27,5, Ньютон решил, что это отношение должно во всех случаях иметь то же значение. В 1676 г. бельгийский физик Лукас в докладе Академии наук сообщил, что он повторил опыты Ньютона 1672 г. и нашел их верными, за исключением одного количественного отличия: его призма с углом преломления 60° давала спектр, длина которого втрое больше ширины, тогда как Ньютон с призмой с углом преломления 63°12" получил спектр, длина которого в пять раз больше ширины. Таким образом, дисперсия оказывается непропорциональной степени преломления. Однако Ньютон выдвинул против этого ряд хитроумных возражений, поставив под сомнение точность опыта Лукаса и вновь подтвердив свое мнение, которое не желал даже подвергать сомнению. Трудно понять, в чем причина этого упорства Ньютона.
Если дисперсия пропорциональна степени преломления, то ахроматические призмы или линзы невозможны. Изображения, образуемые линзами, всегда искажены сопутствующим им окрашиванием, "цветовыми помехами", как говорил Ньютон, или хроматической аберрацией, как сказали бы мы. В то время как сферическая аберрация может быть уменьшена за счет диафрагмирования линз, хроматическая аберрация никогда не может быть уменьшена.
Поэтому Ньютон начинает заниматься подзорными трубами с зеркалами, или телескопами, как их теперь называют. Как известно, в этом приборе изображение объекта, образуемое вогнутым зеркалом, рассматривается через увеличивающую линзу. К прибору такого типа приблизились в своих работах Сарпи и Порта. О нем говорил Галилей со своими учениками. Отрицательное суждение о таком приборе высказал Кавальери. Телескоп был описан также Николо Цукки (1586-1670) в его "Optica philoso-phica" ("Философская оптика"), изданной в 1652-1656 гг. Возможно, что одна такая труба была сконструирована еще в 1616 г. В телескопе Цукки лучи, отраженные от большого сферического металлического зеркала, попадают на маленькое коаксиальное стеклянное зеркало и далее идут к наблюдателю через линзу, расположенную в отверстии в центре большого зеркала.
Мерсенн модифицировал телескоп Цукки, сделав оба зеркала параболическими и устранив линзу: изображение, образуемое маленьким зеркалом, рассматривалось непосредственно через отверстие в большом зеркале. На том же принципе основан телескоп, предложенный в 1663 г. Джемсом Грегори (1638-1675).
Однако Ньютон, по-видимому, ничего не знал обо всех этих предшествующих работах и в 1668 г. сконструировал свой первый телескоп на основе собственных исследований. Конструктивно этот телескоп отличался от предшествующих одной весьма простой, но остроумной особенностью. В прежних вариантах из-за отверстия в большом зеркале вблизи его центра не использовалась наиболее действенная часть падающих лучей. Ньютон же направлял изображение от вогнутого зеркала на маленькое плоское зеркало, наклоненное под углом 45° к оси телескопа, и производил наблюдения его через линзу, помещенную в боковой стенке телескопа. Приспособление это весьма простое, хотя и несколько неудобное.
Первая такая труба длиной всего 15 см с зеркалом радиусом 25 мм давала увеличение в 40 раз, что позволяло видеть спутники Юпитера, однако изображение было неясным.
Усовершенствованию телескопа Ньютон посвятил не менее пятнадцати лет, исследовав большое число сплавов для изготовления зеркала и прежде всего введя новый метод его полировки. Уже в 1671 г. он построил телескоп больших размеров и значительно лучшего качества, чем прежний. Он послал его в дар королю Карлу II. Телескоп был представлен на рассмотрение Королевского общества, которое единодушно оценило его важность и избрало Ньютона членом общества.
Исследование зеркального телескопа было отправной точкой всей научной деятельности Ньютона. Вместе с тем этот прибор, усовершенствованный в 1789 г. Гершелем (1738-1822), сопутствует прогрессу инструментальной астрономии вплоть до наших дней.
Значительно меньший успех пришелся на долю разрабатывавшегося Ньютоном зеркального микроскопа, сконструированного в 1827 г. Джован Баттиста Амичи (1776-1863) и нашедшего применение лишь в нашем веке для некоторых специальных исследований.
КОЛЬЦА, ДИФРАКЦИЯ И ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ В "ОПТИКЕ" НЬЮТОНА
В первой части второй книги "Оптики", состоящей из четырех частей, описывается серия основополагающих опытов, проведенных с исключительным искусством и ставших классическими. Эта часть работы представляет собой истинный шедевр экспериментального искусства. Здесь Ньютон возобновляет исследование цветов тонких слоев, начатое еще Гуком, но в то время как Гук исследовал слои постоянной толщины, которую безуспешно пытался непосредственно измерить, Ньютон воспользовался счастливой идеей Бойля применить в опытах слои с непрерывно изменяющейся толщиной. Применявшееся Ньютоном классическое устройство общеизвестно: плосковыпуклая линза с очень малой кривизной, опирающаяся своей плоской стороной на другую линзу, двояковыпуклую. При падении на поверхность линзы белого света Ньютон, как до него Бойль, а после него все студенты, обучающиеся физике, наблюдая отражение света, т. е. глядя с той же стороны, откуда падает свет, видел темное пятно, соответствующее точке соприкосновения двух линз, окруженное последовательностью чередующихся светлых и темных концентрических колец радужной окраски.
Ньютон наблюдал это явление не только в белом свете, но и в монохроматическом. Качественно явление носило такой же характер, но в то время как в белом свете видны были лишь восемь или девять колец, в монохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явление представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в белом свете, рассматривались через призму: в этом случае каждое радужное кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета, смещенных относительно друг друга.
Многочисленные опыты с этим величественным явлением и точные измерения позволили Ньютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по настоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус девятого кольца - втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем больше степень преломляемости света, т. е. радиусы колец одного и того же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах слоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета; толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины, соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются, если пространство между обеими линзами заполняется водой.
Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести к мысли о наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому Ньютон был вынужден дать хотя бы формальное объяснение этой периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю следует считать весьма "пористой", т. е. состоящей из отдельных крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?
"Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние, которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями - к легкому отражению".
Определив "приступы" (vices) отражения или преломления как периодическое возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет, попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а частично преломляется: "Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил такие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их во время своего пути. Что же в конце концов - эти приступы свойственны свету, присущи ему с самого момента его излучения или же они являются приобретенным свойством, т. е. приобретаются в момент прохождения света через тела? Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал противоречивость и затруднительность своей позиции, но настаивал на том, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы - это просто констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет, правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могут представить себе, что, так же как камни, падая в воду, вызывают в ней определенное колебательное движение, так и световые корпускулы, ударяясь об отражающие или преломляющие поверхности, возбуждают колебания, распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обогняющие их; эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы легкого прохождения и легкого отражения.
Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать: "Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во многих чередованиях".
Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете волновой механики, может быть лучше понято и точнее оценено.
Первая часть третьей книги "Оптики" содержит несколько экспериментальных исследований явлений, открытых Гримальди. Однако Ньютон старается обойти слово "дифракция". Как по подходу, так и по интерпретации эти его опыты сильно уступают описанным в первых двух книгах и подобраны с целью представления явления дифракции как результата действия притяжения вещества на световые корпускулы: лучи света, проходя близ краев тел, испытывают притяжение и потому изгибаются. Ньютон чувствует недостаточность этой части работы и в экспериментальном и в теоретическом отношении и заканчивает честным признанием:"Производя предыдущие наблюдения, я намеревался повторить большинство из них с большей тщательностью и точностью и сделать некоторые новые наблюдения для определения способа, каковым лучи света изгибаются при их прохождении около тел, создавая цветные каемки с темными линиями между ними. Но я был тогда прерван и не могу теперь думать о том, чтобы приняться за дальнейшее рассмотрение этих предметов. Ввиду того что я не завершил этой части моего плана, я закончу предложением только нескольких вопросов для дальнейшего исследования, которое произведут другие".
И дальше следует 31 вопрос, "которые служат,- как добавляет Кост в латинском переводе,- заключением всего труда". В действительности же вопросы касаются не только оптики, но и гравитации, и химии, и других частных явлений. В них собраны разнообразные соображения Ньютона, в которых наряду с многими глубокими мыслями встречаются и ошибки и очевидные противоречия; это сырой материал, который в последующих изданиях обновлялся и дополнялся, однако так и остался несистематизированным и несогласованным.
Вопросы 25 и 26 касаются двойного лучепреломления. То, что рассмотрение этого явления помещено в этой части труда, свидетельствует, по нашему мнению, о том, что Ньютон смог исследовать его экспериментально лишь довольно бегло и в общих чертах. И действительно, он ограничивается описанием исландского шпата и повторением опытов Бартолина и Гюйгенса. Интерпретировать эти опыты очень трудно. Ньютон ограничивается тем, что в вопросе 26 робко выдвигает идею возможного объяснения этого явления с помощью гипотезы, согласно которой лучи света, т. е. световые корпускулы, обладают "различными сторонами" специальной формы, так что поведение корпускул зависит от того, какой стороной они ударяются. Ньютон вводит здесь понятие поляризации света, однако не настаивает на нем и не рассматривает никаких его приложений.
Страница 1 - 1 из 2
Начало | Пред. | 1 | След. | Конец | Все
© Все права защищены
Ньютону принадлежат фундаментальные открытия в оптике. Он построил первый зеркальный телескоп (рефлектор), в котором, в отличие от чисто линзовых телескопов, отсутствовала хроматическая аберрация. Он также детально исследовал дисперсию света, показал, что белый свет раскладывается на цвета радуги вследствие различного преломления лучей разных цветов при прохождении через призму, и заложил основы правильной теории цветов. Ньютон создал математическую теорию открытых Гуком интерференционных колец, которые с тех пор получили название «кольца Ньютона». В письме к Флемстиду он изложил подробную теорию астрономической рефракции. Но его главное достижение -- создание основ физической (не только геометрической) оптики как науки и разработка её математической базы, превращение теории света из бессистемного набора фактов в науку с богатым качественным и количественным содержанием, экспериментально хорошо обоснованным. Оптические опыты Ньютона на десятилетия стали образцом глубокого физического исследования.
В этот период было множество спекулятивных теорий света и цветности; в основном боролись точка зрения Аристотеля («разные цвета есть смешение света и тьмы в разных пропорциях») и Декарта («разные цвета создаются при вращении световых частиц с разной скоростью»). Гук в своей «Микрографии» (1665) предлагал вариант аристотелевских взглядов. Многие полагали, что цвет есть атрибут не света, а освещённого предмета. Всеобщий разлад усугубил каскад открытий XVII века: дифракция (1665, Гримальди), интерференция (1665, Гук), двойное лучепреломление (1670, Эразм Бартолин, изучено Гюйгенсом), оценка скорости света (1675,Рёмер). Теории света, совместимой со всеми этими фактами, не существовало. В своём выступлении перед Королевским обществом Ньютон опроверг как Аристотеля, так и Декарта, и убедительно доказал, что белый свет не первичен, а состоит из цветных компонентов с разными углами преломления. Эти-то составляющие и первичны -- никакими ухищрениями Ньютон не смог изменить их цвет. Тем самым субъективное ощущение цвета получало прочную объективную базу -- показатель преломления
Историки выделяют две группы гипотез о природе света, популярных во времена Ньютона:
Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию.
Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.
Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.
Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Впрочем, в эти годы он уже мог себе такое позволить - авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:
- * отклонение света в поле тяготения;
- * явление поляризации света;
- * взаимопревращение света и вещества.
