Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете
двух экспериментаторов заменен зеркалом, тотчас отражающим пришедший
световой сигнал.
ОТКРЫТИЯ НЬЮТОНА О ПРИРОДЕ ЦВЕТОВ.
Дальнейшим развитием взглядов на природу света являются работы
Ньютона. В 1669 г. в Кембридже Ньютон начал читать оптику. К этому
периоду относятся его «Лекции по оптике», опубликованные посмертно в
1729 г. Научный мир узнал 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 «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.
«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 гипотезами, но изложить и доказать их рассуждениями и опытами.
Для этого я предпосылаю следующие определения и аксиомы», - но нет и
речи о том, чтобы Ньютон придерживался этой программы. Сразу же после
этого, 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»?
Из этого утверждения ясно, 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, но одновременно основывает истолкование своих
экспериментальных результатов на новой теоретической концепции
светового луча – концепции корпускулярной, или если пользоваться
современным термином, квантовой.
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 Сенеки.
Первая группа опытов, весьма простых, состояла в наблюдении через
призму двухцветной бумаги (красной и синей), освещенной солнцем. Этот
опыт 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. 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 только цвета.
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 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 серии изумительных, к синтезу цветов. Некоторые из этих опытов
стали классическими и приводятся 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 свойства открытые Ньютоном свойства света позволили ему дать
новое, более полное объяснение радуги истолковать цвета тел как
результат избирательного поглощения падающего на них света.
В первой части второй книги «Оптики», состоящей из четырех частей,
описывается теория основополагающих опытов, проведенных с
исключительным 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 же 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
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, рассматривать 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 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 в мысли о
наличии некоторой периодичнос
| |  скачать работу |
Борьба концепций в процессе становления и развития науки о свете |
