Опыты с призмами

Все свои оптические эксперименты и гипотезы Ньютон изложил в труде под названием "Оптика". Рассмотрим один из центральных опытов.

Через малое отверстие F ( рис. 1 ) в оконной ставне в темную комнату падает свет. Этот свет попадает на составную призму ABCD, которая может поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Грани AB и CD параллельны, а потому выходящий из CD пучок параллелен пучку, падающему на AB. На рисунке схематически показан ход только одного луча.

Рис. 1

После составной призмы пучок попадает на треугольную; из нее на стену отбрасываются обычные призматические цвета. Таким образом, в схеме ньютоновского эксперимента используются три призмы (вместо привычной одной). Каково же назначение двух других?

Начнем поворачивать призму ABCD так, чтобы угол между направлением приходящего от ставни луча и гранью СВ, по которой склеены треугольные призмы ABC и BDC, увеличивался. На грань CB падает уже не белый свет, разделенные по цвету лучи. В какой-тио момент угол падения луча на грань CB, а точнее, на слой клея, соединяющего две треугольные призмы ) станет равным углу полного внутреннего отражения для фиолетового цвета. Величина угла определяется уравнением

Sin a = n / n ,

Где n - показатель преломления клеевого слоя между призмами;

n - показатель преломления стекла для фиолетового цвета.

При дальнейшем повороте призмы начнут отражаться от слоя CB синий, зеленый и последовательно другие составляющие спектра Лучи, отражающиеся от слоя CB, попадают на отклоняющую призму; то же самое происходит и с лучами, прошедшими слой.

Этот опыт Ньютона достаточно убедительно показывает, что одни цвета могут быть отделены от других ( при том. что на призму падал белый свет, который ни по каким признакам не проявлял себя как смесь различных цветов ). Существенно, что этот же опыт опровергал и популярную среди современников Ньютона гипотезу о том, что цвет – это модификация света из-за его преломления или отражения. Действительно, преломление в отклоняющих призмах не меняло цвет проходящих через них лучей.

В "Оптике " описан еще один важный опыт, доказывающий, что белый свет можно получить смешивая все призматические цвета. Схема опыта приведена на рис. 2 Линза Л, призма ABC и экран Э ( находящийся в фокусе линзы ) расположены в темной комнате, в которую через отвесртие F диаметром около 1,5 см. падает пучок солнечного света. На линзу падает расходящийся пусок окрашенных в разные цвета лучей, на экране же наблюдается пятно белого света.

Рис. 2

Что, по мнению Ньютона, доказывали эти опыты ? Он считал, что белый свет представляет собой смесь различных цветов. Это представление легко укладывалось в рамки корпускулярной теории света, согласно которой белый свет был смесью частиц – корпускул, движущихся с различными скоростями. Ньютон был сторонником корпускулярной теории света. В соответствии со своими теоретическими взглядами Ньютон и разработал эксперименты, в которых частицы разделялись "по скоростям". Данный пример показывает, что решающие эксперименты в истории науки представляют собой итог серьезного теоретического анализа ; почти никогда они не бывают случайным для экспериментатора событием. И, соответственно, крайне редко результаты эксперимента бывают для экспериментатора абсолютно неожиданными.

Вполне естественна попытка Ньютона построить механическую модель опытов с призмой. Если разным цветам соответствуют разные скорости "световых корпускул", то скорость фиолетовых частиц должны быть наименьшей, а красных – наибольшей. Почему ? Потому что фиолетовые лучи преломляются наиболее сильно – а это означает, что со стороны преломляющей поверхности на них действует сила. в течение достаточно продолжительного времени. Механическая аналогия здесь достаточно очевидна : тело, брошенное с некоторой высоты параллельно поверхности земли, будет двигаться к поверхности Земли по параболической траектории тем более крутой, чем меньше скорость тела.

Естественно, Ньютону хотелось найти какое-то независимое подтверждение своей гипотезы о разных скоростях световых частиц "разных цветов". Он обращается к одному из наиболее известных астрономов конца XVIII века, первому директору Гринвичской обсерватории Джону Флемстиду (1646 – 1719) с просьбой провести тщательное наблюдение начала и конца затмений спутников Юпитера. Если "красные" корпускулы распространяются с наибольшей скоростью, а "фиолетовые" – с наименьшей, то после окончания затмения наблюдатель должен увидеть меняющуюся окраску спутника. Сначала спутник будет выглядеть красным, затем оранжевым, и , наконец, фиолетовым.

В 1691 году Флемстид извещает Ньютона, что никакие наблюдения не выявили изменения окраски спутников Юпитера – ни в начале, ни в конце затмения. Это сообщение побудило Ньютона отказаться от гипотезы о различных скоростях световых частиц.