Оптические исследования 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 о 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 отчётливых изображений красной и синей половины не совпадают (рис. 117).

Рис. 115. Рисунок из 'Оптики' Ньютона. 'Пояснение. На фигуре 24^* F представляет круглое отверстие в оконной ставне, MN - линзу, отбрасывающую отчётливое изображение отверстия на бумагу в I, AВС - призму, посредством которой лучи, выходящие из линзы, преломляются, и круглое изображение в I превращается в удлинённое изображение pl, падающее на другую бумагу. Это изображение pl состоит из кругов, расположенных один за другим в прямолинейном порядке...; эти круги равны кругу I и, следовательно, соответствуют по величине отверстию F; уменьшая отверстие, можно, следовательно, по желанию уменьшить эти круги, оставляя их центры на прежних местах. Таким способом я получил ширину изображения в сорок, а иногда в шестьдесят и семьдесят раз меньшую, чем длину'

^* (Нумерация по "Оптике". "Оптика" Ньютона, Гиз, 1927.)

Открыв зависимость показателя преломления от цветности, Ньютон объяснил тем самым и дисперсию света в призме. Он демонстрирует дисперсию света и на основном опыте получения призматического спектра {опыт 3 "Оптики"), и на замечательном опыте со скрещенными призмами (рис. 118, опыт 5 "Оптики")^*. Он производит experimentum rrucis (опыт 6 "Оптики") с целью проверки гипотезы, что дисперсия обусловлена различной преломляемостью лучей.

^* (Метод скрещенных 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).)

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".

Рис. 116. Рисунок из 'Оптики' Ньютона. 'Пояснение. На фигуре 11 MN изображает окно, DE - бумагу с параллельными сторонами DI и НЕ, разделённую поперечной линией FG на две половины: интенсивно синюю GD и другую, интенсивно красную FE. В AC cab - призма, преломляющие плоскости которой АВbа и АСса встречаются по ребру преломляющего угла Аа. Это ребро Аа, поднятое кверху, параллельно одновременно горизонту и параллельным сторонам бумаги DI и НЕ; поперечная линия FG перпендикулярна к плоскости окна. Далее, de представляет изображение, видимое при преломлении кверху таким образом, что синяя половина DG поднимется выше в положение dg, красная половина ЕЕ находится в ef; синяя часть претерпевает, следовательно, большее преломление. Если ребро преломляющего угла повёрнуто вниз, то изображение бумаги преломлением опускается, положим, δζ, синяя половина преломляется при этом в δγ ниже, чем красная половина, находящаяся в положении εφ'

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.

Рис. 117. Рисунок из 'Оптики' Ньютона. 'Пояснение. На фигуре 12 DE изображает окрашенную бумагу, DC - синюю половину, FE - красную половину, MN - линзу, HI - белую бумагу в том месте, где красная половина с её чёрными линиями кажется отчётливой, hi - ту же бумагу в том месте, где отчётливой кажется синяя половина. Положение hi было ближе к линзе MN, чем положение HI, на полтора дюйма'

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.

Рис. 118. Рисунок из 'Оптики' Ньютона. 'Пояснение. Пусть S (фиг. 14) представляет Солнце, F - отверстие в окне, ABC - первую призму, DH - вторую призму, Y - круглое изображение Солнца, образуемое непосредственно пучком света, когда призмы убраны, РТ - удлинённое изображение Солнца, образуемое тем же пучком при прохождении только через первую призму, когда вторая призма убрана, pt - изображение, получаемое при перекрестных преломлениях обеих призм вместе'

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 Нью-тона на природу света.

Рис. 119. Рисунок из 'Оптики' Ньютона. 'Пояснение. Пусть F (фигура 18) - широкое отверстие в ставне окна, через которое Солнце освещает первую призму ABC, и пусть преломлённый свет падает на середину доски DE, средняя же часть света - на отверстие 67, сделанное в середине этой доски. Пусть эта пропущенная часть света снова падает на середину второй доски de и образует здесь такое же удлинённое изображение Солнца, как было описано в третьем опыте. Вращая призму ABC медленно в ту и другую сторону вокруг её оси, можно передвигать это изображение вверх и вниз по доске de; таким способом все его части от одного конца до другого можно заставить последовательно проходить через отверстие 67, сделанное в середине этой доски. В то же время другая призма аbс помещается вблизи за отверстием q для второго преломления пропущенного света. Установив таким образом предметы,я отмечал места М и N на противоположной стене, на которые падает преломлённый свет, и нашёл, что если обе доски и вторая призма оставались неподвижными, то эти места постоянно изменялись при вращении первой призмы вокруг её оси. Когда через отверстие q пропускалась нижняя часть света, падающего на вторую доску de, то свет приходил к нижнему положению М на стене; когда пропускалась верхняя часть света через то же отверстие q, то она доходила до более высокого места N на стене; при пропускании промежуточной части света через отверстие свет падал в некоторое место на стене между М и N. При неизменном положении отверстий в досках падение лучей на вторую призму оставалось тем же самым во всех случаях. И, однако, при таком одинаковом падении одни лучи преломлялись больше, другие меньше. Больше преломлялись во второй призме те лучи, которые больше всего отклонялись от своего пути при большом преломлении и в первой призме, и в силу этого постоянства* большей преломляемости они по праву могут быть названы более преломляемыми'

"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 свою окраску, несмотря на мои крайние старания изменить её".

Но в таком случае и Ньютон и его оппонент 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 Рука. 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 ещё 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 отражённом свете, но порядок чередования цветов в обеих картинах был обратный. Там, где в отражённом 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^*, являющуюся основной характеристикой этой периодичности. Акад. Вавилов даёт сопоставление измерений Ньютона с современными данными (см. ниже таблицу).

^* (Точнее, пространственный интервал, соответствующий четверти длины волны. Понятно, что сам Ньютон о длине волны не говорит.)

Как видим, измерения Ньютона были произведены с изумительной по 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 ею, в противоположном же случае она будет ею отброшена. Эту свою теорию приступов Ньютон формулирует в следующих выражениях:

"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 через ближайшую преломляющую поверхность, между же возвращениями - к лёгкому отражению".

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 к лёгкому пропусканию каждым колебанием, обгоняющим его. Я не разбираю здесь, верна или ошибочна эта гипотеза. И 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 света 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 были 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".