Роберт Криз - Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Этот эксперимент не только давал ответ на исходный вопрос Ньютона о вытянутой форме, но и открывал новые перспективы и ставил новые вопросы. До того Ньютон много времени посвящал полировке линз для телескопов, но теперь понял, что его открытия, связанные с призмами, означают важные ограничения для телескопов, в которых применяются линзы. «И когда я это понял, – пишет он, – я оставил свои вышеупомянутые работы со стеклом, так как увидел, что усовершенствование телескопов имеет свои границы» – и дело здесь не в недостатках полировки, а в том факте, что «свет сам по себе есть разнородное смешение по-разному преломляемых лучей ». Линзы фокусируют путем искривления или преломления света. Но так как различные составляющие света преломляются по-разному, даже идеальная линза неспособна собрать все лучи в одну точку. Ньютон пришел к выводу, что более эффективным способом фокусировки света для телескопа будет использование не линз, а зеркал, поскольку, когда зеркало отражает свет, угол отражения для различных составляющих света всегда один и тот же.
По словам Ньютона, он тотчас же принялся за изготовление телескопа, работающего на зеркалах, однако его работа была прервана чумой. В 1671 году Ньютон наконец создал зеркальный телескоп, которым гордился настолько, что смог преодолеть свою навязчивую скрытность и продемонстрировать изобретение Лондонскому королевскому обществу.
Ньютон все это излагает в первой половине своего письма. Во второй половине он обсуждает некоторые следствия из своего открытия. Первое состоит в том, что преломляемость света не является свойством, которое приобретается при помощи призмы той или иной модификации, как считали Декарт и многие другие авторы: «Цвета суть не модификации света, полученные путем преломлений или отражений материальных тел (как полагает большинство), а исходные и исконные свойства, каковые в различных лучах различны…» Вторым следствием было то, что «одной степени преломляемости всегда принадлежит один цвет и одному цвету всегда принадлежит одна степень преломляемости». Третье следствие заключалось в том, что на преломляемость и на цвет луча никак не влияет вещество, через которое он проходит. Ньютон внимательно проанализировал это следствие:
«Разновидность цвета и степень преломляемости, характерная для определенного сорта лучей, не изменяется вследствие рефракции или отражения от материальных тел или вследствие каких-либо других причин, которые я до сих пор имел возможность наблюдать. Когда один сорт лучей был надежно отделен от лучей другого вида, он впоследствии упрямо сохранял свой цвет, несмотря на все мои отчаянные попытки изменить его. Я преломлял его с помощью призм и отражал с помощью тел, при дневном свете имевших другой цвет; я перекрывал его цветной воздушной пленкой между двух стеклянных пластин; пропускал его сквозь цветные среды и сквозь среды, освещенные лучами другого сорта, так или иначе пытаясь помешать ему; но так и не смог получить из него никакого другого цвета».
Ньютон пришел к важному выводу, что белый свет является составным. Он подтвердил это предположение в ряде других экспериментов, в ходе которых использовал дополнительные призмы и линзы, с их помощью восстанавливая расщепленный на спектральные линии свет:
«Но самое удивительное и поразительное сочетание – это сама белизна. Не существует какой-то одной разновидности лучей, которые могли бы ее создать. Она всегда является составной, и для ее состава необходимы все вышеназванные первичные цвета, смешанные в нужной пропорции. Я часто с восхищением наблюдал, как все цвета призмы, которые вновь заставили воссоединиться и заново смешаться… опять давали свет, абсолютно и идеально белый… Таким образом, мы вынуждены признать, что белизна – обычный цвет света; ибо свет есть сложное смешение лучей, наделенных различными цветами и хаотически отбрасываемых от различных частей светящихся тел».
«Поразительное и удивительное» открытие Ньютона подвигло его на новые прозрения относительно глубочайших тайн природы. В последней части своего послания он обращается к каждой из них по очереди, с легкостью разрешая загадки, ставившие в тупик его коллег.
Как работают призмы и как возникает продолговатая форма производимого ими светового пятна? Они не трансформируют, а просеивают свет, разделяя его на полосы соответственно степени преломляемости. Представьте (сравнение принадлежит не Ньютону) группу бегунов, каждый из которых совершает поворот во время бега под разным углом. Когда они движутся по прямой, они держатся вместе, но при первой же необходимости совершить резкий поворот разворачиваются веером.
Как возникает радуга? Ньютон объясняет ее возникновение тем, что капли дождя действуют подобно облаку крошечных призм, преломляющих свет солнца позади них. А что стоит за «странными феноменами» с цветными стеклами и другими материалами, когда один и тот же материал дает разные цвета? И это тоже «более не загадки», заявляет Ньютон, так как названные материалы отражают и передают различные разновидности света при разных условиях.
Ньютон объясняет и «неожиданный эксперимент», проделанный Робертом Гуком, куратором экспериментов Королевского общества. Гук пропустил свет сквозь кувшин с жидкостью красного цвета и кувшин с жидкостью синего цвета. Свет проходил сквозь тот и другой кувшины достаточно свободно. Однако когда он попытался пропустить свет сквозь оба кувшина последовательно, то потерпел неудачу. Гуку не удалось найти объяснение этому явлению. Почему последовательность двух кувшинов блокирует свет, при том что каждый кувшин по отдельности его легко пропускает? Удивление Гука, объясняет Ньютон, явно базируется на предположении, что свет – единая субстанция. На самом же деле свет состоит из определенного числа различных лучей. Синий кувшин пропускал только одни из них, но блокировал все остальные; красный пропускал вторые, но блокировал первые. А так как и тот и другой кувшин не позволяли проходить определенному типу лучей, «то сквозь оба [кувшина] не могли проникнуть вовсе никакие лучи».
Теперь Ньютон мог объяснить и цвет материальных тел: каждое из них отражает «одну разновидность света в большем количестве, чем другую». Он описывает свои собственные эксперименты в темной комнате, где он направлял свет разного цвета на различные объекты. В ходе этих экспериментов он обнаружил, что «таким способом любое тело может производить впечатление окрашенного в любой цвет». Но существуют ли какие-либо цвета в темноте и является ли свет свойством объектов? Нет! Цвет – свойство света, который их освещает.
Ньютон завершает свое письмо рядом идей относительно экспериментов, которые могли бы провести его коллеги, хотя сразу же предупреждает, что такие эксперименты, подобно experimentum crucis , «весьма капризны». Призма должна быть высокого качества, в противном случае свет, дошедший до второй призмы, будет недостаточно чистым; комната должна быть абсолютно темной, чтобы свет не смешался с цветами и все не испортил (это последнее требование делает воспроизведение experimentum crucis значительно более сложным предприятием, чем порой кажется, и, хотя он представляется ярким, наглядным и вполне доступным, его повторение на уроках в старших классах средней школы бывает довольно затруднительным).
Ньютон заключает:
«Этого, я полагаю, вполне достаточно для введения в подобные эксперименты любой их разновидности; и если кто-то из [членов] Королевского общества будет иметь любопытство провести таковые, я буду весьма рад и благодарен за любые сведения об их успешности: то есть если возникнет какое-то несоответствие или будут нарушены описанные соотношения, у меня будет возможность дать дальнейшие указания и советы по их поводу или же признать мои собственные ошибки, ежели таковые обнаружатся».
Ольденбург получил письмо Ньютона 8 февраля. Так случилось, что Ольденбург как раз готовился к заседанию Королевского общества, намеченному на вторую половину того же дня, и смог включить его в повестку дня. Перед тем как выслушать сообщение Ньютона, присутствующие прослушали письмо о возможных воздействиях Луны на показания барометра, затем еще одно о последствиях укуса тарантула. Письмо Ньютона произвело на слушателей сильнейшее впечатление. Ольденбург сообщал: «Чтение вашего послания относительно света и цветов было, пожалуй, единственным заслуживающим внимания. И могу вас заверить, сэр, что оно было встречено с исключительным интересом и завершилось небывалыми аплодисментами»55. Ольденбург также упоминает, что члены общества потребовали как можно скорее опубликовать сообщение в Philosophical Transactions, и оно появилось в следующем выпуске журнала в конце того же месяца.
