1) Существует особый род света - «простой» свет различной цветности. Каждому простому цвету соответствует количественный признак - определенная степень преломляемости. Свойства простого света не могут быть никак изменены.
2) Всякий свет, в том числе и белый, есть смесь различных «простых цветов». При помощи призмы из смеси могут быть выделены цвета; но ни призмы, ни другие приспособления не могут «навязывать», как это думали раньше, тот или иной цвет.
Это учение о цвете, следующие из него изменения, уточняющие геометрическую оптику, простота интерпретации законов геометрической и физической оптики при помощи развитой Ньютоном преимущественно корпускулярной теории привели к тому, что в XVII - XVIII веках корпускулярная теория света одержала победу над волновой.
Без учения Ньютона о цвете, особенно без второго его постулата, спектроскопия (во всяком случае, оптическая спектроскопия с тем инструментальным набором, с которым она используется и сейчас) не смогла бы возникнуть. В самом деле, какой смысл пропускать некоторый свет через призму и изучать полученные цветные полосы, если эти полосы не присущи свету и вызваны не свойствами источника или пройденной до призмы среды, а просто «навязаны» призмой? В лучшем случае, эти полосы можно было бы использовать лишь для изучения свойств самой призмы.
3.3 Корпускулярная и волновая теории с точки зрения Ньютона
Льоцци [2] в «Истории физики» пишет, что изначально Ньютон склонялся скорее к волновой теории, однако затем, рассудив, что эта теория противоречит ряду фактов, отдал предпочтение корпускулярной. Мандельштам в своем докладе, прочитанном в Боровом [8], отмечает, что в первой опубликованной работе Ньютона, «Началах», роль гипотез была сведена к минимуму, однако «Оптика» носит отпечаток корпускулярной теории света.
Следует заметить, что Исаак Ньютон, по его собственному выражению, «гипотез не измышлял» и старался объяснять теорией имеющиеся факты, а не подтверждать фактами придуманную теорию Этим метод построения знания Ньютона родственен с методом, предложенным Френсисом Бэконом. Ньютон наблюдал явления интерференции (недаром кольца, возникающие, когда выпуклую линзу кладут на преломляющую плоскую пластинку, называют «кольцами Ньютона», а не «кольцами Гука» или «кольцами Гюйгенса») и сделал вывод о возможной периодичности света. Явления интерференционных колец Ньютон объяснял тем, что в корпускулах света происходят некие колебания, или же что корпускулы света возбуждают колебания в эфире, что приводит к периодическим «приступам» «легкого отражения» и «легкого прохождения» света. Это предположение следует отнести к волновой или скорее корпускулярно-волновой гипотезе о природе света Заметим, что сейчас принят корпускулярно-волновой дуализм не только в природе света, но и в природе, например, элементарных частиц.. Стоит так же отметить, что Ньютон совершенно верно понял, что появления интерференционных колец, а так же, окрашивание тонких пленок яркими цветами вызваны отражением света.
Чтобы объяснить все явления оптики, включая двойное лучепреломление, интерференцию, а позднее - и открытую Гриммальди дифракцию, Ньютону пришлось создавать весьма сложную корпускулярную теорию света. Казалось бы, подобная теория противоречила его принципу «гипотез не измышлять». Почему же Ньютон не принимал волновую теорию? Вероятно, бесплотный, ненаблюдаемый в экспериментах эфир казался ему куда более хитроумной и непохожей на правду гипотезой, чем его теория. Кроме того, как отмечает Мандельштам, Ньютон разбирал волновую теорию в том виде, в котором она существовала в его время, и обнаружил в ней ряд противоречий:
1) Прямолинейное распространение света. Ньютон замечает (и вполне справедливо!), что если бы свет был бы волной, то он огибал бы препятствия подобно тому, как это делают волны на воде. Однако же такого не происходит. Примерно в то же время, когда Ньютон проводил свое изучение разложения света в спектр, Франческо Мариа Гримальди наблюдал явление отклонения света от прямолинейной траектории для пучков света, проходящих через маленькое отверстие. Гримальди назвал это отклонение «дифракцией» (термин используется до сих пор). Подробнее смотри ниже.
2) Если свет - это волны, то в чем же они распространяются? Для того, чтобы световые волны могли распространяться, все пространство, включая космос, должно быть заполнено каким-то веществом, из-за чего планеты и звезды испытывали бы при движении сопротивление, а значит, постепенно их движение затухало бы, однако этого не происходит. Кроме того, если подумать, теория вещества - эфира, в котором распространяются световые волны, противоречит принципу относительности Галилея и второму закону механики, выведенному Ньютоном: изо всех инерциальных систем выделяется одна, неподвижная относительно эфира. В этой системе скорость света изотропна по направлениям, в других же изотропной быть не может. Автор реферата не знает, проводилось ли такое рассуждение Ньютоном, но хочет отметить, что именно подобные рассуждения и противоречия привели в конечном итоге к теории относительности Альберта Энштейна.
3) Следует заметить, что поляризованный свет уже был известен во времена Ньютона. Существование поляризованного света противоречит гипотезе, что свет представлен продольными волнами. Но если свет должен быть представлен поперечными волнами, то материя, в которой он распространяется - эфир - должна быть твердым телом, чтобы в ней существовали сдвиговые деформации. В этом случае совсем не понятно, как же звезды и планеты могут двигаться через эфир.
Отдельно следует сказать несколько слов о дифракции. Это явление было обнаружено Франческо Мариа Гримальди в 1665 году при экспериментах с очень тонкими пучками света. Подобные пучки не распространялись прямолинейно, как им полагалось бы, а расходились значительно сильнее, кроме того, на экране, освещенным такими пучками, пятно света было окрашено по краям. Гримальди совершенно верно применяет волновую теорию света для описания данного явления, причем использует ту же аналогию с волнами на воде, которая для Ньютона была признаком неверности волновой теории света. Более того, как следует из схем световых лучей, начерченных Гримальди, он считал свет поперечной волной.
Так же Гримальди была разработана теория о цвете, согласно которой цвета являются составной частью света:
«Не исключена возможность, что видоизменения света, в силу которых он постоянно окрашивается в так называемые кажущиеся цвета, или, лучше сказать, становится видимым, как цветной, представляют собой определенную его волнистость с очень частым волнением, как бы трепет распространения с мельчайшим волнением, благодаря которому и получается, что он действует на орган зрения определенным характерным для него образом».
В подтверждение своей теории Гримальди приводил, в том числе, аналогию видимых цветов света со звуком, различная высота которого, как учил Галилей, зависит от различных колебаний воздуха. В данном контексте представляется удивительным, что Гюйгенс, так же придерживающийся волновой теории света, в своем трактате отказался рассматривать теорию цвета. Вероятно, причина заключается в том, что Гюйгенс посчитал объяснение Гримальди слишком упрощенным.
Таким образом, заключает Льоцци [2], Гримальди закончил начатый Декартом процесс переноса цветов в область физических явлений.
Как мы видим, гипотезы о природе света и цвета: волновая природа света, поперечность световых волн, зависимость цветов от типа колебаний, - выдвинутые Гримальди, очень напоминают современные представления.
Однако автору реферата не удалось найти информации о том, что Гримальди выделял «простой» или «элементарный» свет. Более того, если не требовать, чтобы «мелкие колебания», придающие свету цвет, были вполне определенного вида, то любой свет, будь он монохроматическим или нет, можно представить в виде какого-то одного определенного колебания, не нуждающегося в том, чтобы раскладывать его в сумму других. Однако, при таком подходе сложно объяснить явление дисперсии света: почему некоторые виды света, в том числе «невидоизмененный» белый свет, должный, казалось бы, быть самым простым и основным, при прохождении через призму разлагается в расходящийся пучок окрашенных лучей, тогда как «видоизмененный», окрашенный свет в некоторых случаях лишь преломляется призмой, как единое целое, но ни в какой спектр не раскладывается.
Но, как с сожалением отмечает Льоцци [2], хотя Ньютон и Гюйгенс знали о существовании подобного явления, они не смогли верно понять его суть. Согласно же Мандельштаму [8], Ньютон проводил опыты с дифракцией и признавал в своей работе, что точно и строго описать это явление он не в силах. И не мудрено. Это произошло, скорее всего, из-за сложности условий, в которых наблюдается дифракция. Так, если когерентный свет длины волны л проходит через отверстие размера a, то зона дифракции, где не выполняются законы геометрической оптики, начнется на расстоянии порядка l=a2/л. Для отверстия диаметром 1 мм и для длины волны 500 нм получим расстояние l в несколько километров! Такой опыт весьма трудно поставить.
Кроме того, волновая теория, изначально развитая Гюйгенсом, так же не могла объяснить явление дифракции и была в этом отношении «ничуть не лучше» корпускулярной. Зато корпускулярная теория, в отличие от волновой, прекрасно справлялась с объяснением прямолинейности распространения света, а так же - разложение белого света призмой в спектр. Так, Гюйгенс пишет в своем трактате о свете (появившейся через двадцать с лишним лет после работы Ньютона!):
«В своем трактате о свете я ничего не сказал о цветах, считая этот предмет крайне трудным, особенно ввиду большого разнообразия тех обстоятельств, при которых цвета возникают».
Наконец, обсуждая вопрос о том, почему Ньютон придерживался той или иной теории, следует снова вернуться к его правилу «гипотез не измышляю». Когда Гук и Гюйгенс заметили Ньютону, что его гипотеза о природе света не устраивает их или содержит недочеты, Ньютон возразил, что для него первостепенной задачей было описать проведенные опыты, а гипотеза имеет второстепенное значение. Но даже при этом Ньютон сформулировал в своей «Оптике» длинный список вопросов, которые он не объяснил или которым уделил недостаточное внимание, и поэтому на эти вопросы надлежало ответить при дальнейших исследованиях.
Заключение
Таким образом, исследования Ньютона в Оптике имеют огромное значение для истории развития науки. Во-первых, Ньютон собрал и систематизировал те знания в этой науке, которые были до него, отбросил все лишнее и ложное. Во-вторых, Ньютон провел серии опытов, позволившие ему сделать ряд открытий и в итоге сформировать теорию света и цвета. Постулаты этой теории:
цвет есть внутренняя характеристика света, однозначно связанная со степенью преломляемости;
свойства «простого», или как бы сказали сейчас, монохроматического света, постоянны;
белый свет есть не «простой» свет, а лишь сумма «простого» света различных цветов, взятых в определенной пропорции;
- и их следствие:
никакая призма не навязывает цвета, а лишь изменяет траектории «простого» цвета различных цветов, тем самым эти цвета выявляя,
- практически в неизмененном виде сохранились и в нынешней оптике.
Эта теория дала огромный толчок к развитию оптики. Она показала, что свет не претерпевает необратимых изменений при прохождении через призму. Она позволила использовать в экспериментах «простые» монохроматические цвета. А ведь некоторые явления выглядели бы слишком сложными, если использовать для опытов только белый свет. Например, картина интерференционных колец Ньютона в белом свете значительно осложнена наложением друг на друга колец различных цветов. Эта теория привела к уточнению закона преломления, открытого Снеллиусом и Декартом - причем уточнению настолько удачному, что построенная Ньютоном геометрическая оптика без изменений используется вот уже более трехсот лет. Наконец, эта теория положила начало внимательным и тщательным исследованиям солнечного спектра и спектров других веществ, что в конечном итоге привело к рождению спектроскопии. В самом деле, если цвета спектра «навязаны» призмой, то, как отмечалось ранее, изучение этих цветов в лучшем случае может использоваться для диагностики самой призмы. Однако если «простые цвета», присутствующие в сложном свете, остаются неизменными при прохождении призмы, то их набор, скорее всего, говорит о свойствах излучателя. Мне хотелось бы немного забежать вперед и заметить, что корпускулярная теория Ньютона тоже сыграла свою роль в развитии спектроскопии. В самом деле, такие явления, как дискретность спектров поглощения и излучения, объясняются с точки зрения корпускулярной, или, вернее, корпускулярно-волновой, но не чисто волновой теории. И пусть теория Ньютона была далека от современной, но она была первым шагом в рождении современной корпускулярно-волновой теории.
Ньютон указал на противоречия в первой волновой гипотезе о природе света, и дальнейшее рассмотрение этих противоречий, например, о свойствах эфира, в конце концов привело к созданию Альбертом Энштейном теории относительности, а так же к рождению теории электромагнитных полей Автор не берется приписывать честь создателя этой теории единственно Максвеллу, поскольку во времена Максвелла полагалось, что электромагнитные волны распространяются все в том же эфире..