3.5. Оптика і теорія світла
Ньютону належать фундаментальні відкриття в стародавній науці оптиці. Він побудував перший дзеркальний телескоп ( рефлектор), в якому, на відміну від суто лінзових телескопів, була відсутня хроматична аберація. Він також детально досліджував дисперсію світла, показав, що біле світло розкладається на кольори веселки внаслідок різного заломлення променів різних кольорів при проходженні через призму, і заклав основи правильної теорії квітів. [100] Ньютон створив математичну теорію відкритих Гуком інтерференційних кілець, які з тих пір отримали назву " кільця Ньютона ". У листі до Флемстіда він виклав докладну теорію астрономічної рефракції. [101] Але його головне досягнення - створення основ фізичної (не тільки геометричної) оптики як науки [102] і розробка її математичної бази, перетворення теорії світла з безсистемного набору фактів в науку з багатим якісним і кількісним вмістом, експериментально добре обгрунтованим. [101] Оптичні досліди Ньютона на десятиліття стали зразком глибокого фізичного дослідження. [102]
У цей період було безліч спекулятивних теорій світла і кольору; в основному боролися точка зору Аристотеля ("різні кольори є змішання світла і темряви в різних пропорціях") і Декарта ("різні кольори створюються при обертанні світлових частинок з різною швидкістю"). Гук у своїй "мікрографії" ( 1665) пропонував варіант аристотелевских поглядів. Багато хто вважав, що колір є атрибут не світла, а освітленого предмета. [103] Загальний розлад посилив каскад відкриттів XVII століття: дифракція (1665, Грімальді), інтерференція (1665, Гук), подвійне променезаломлення ( 1670, Еразм Бартолін (Rasmus Bartholin), вивчено Гюйгенсом), оцінка швидкості світла ( 1675, Ремер). [104] Теорії світла, сумісної з усіма цими фактами, не існувало.
Дисперсія світла (Досвід Ньютона)
У своєму виступі перед Королівським товариством Ньютон спростував як Аристотеля, так і Декарта, і переконливо довів, що білий світ не первинний, а складається з кольорових компонентів з різними кутами заломлення. Ці-то складові і первинні - ніякими хитрощами Ньютон не зміг змінити їх колір. Тим самим суб'єктивне відчуття кольору отримувало міцну об'єктивну базу - показник заломлення.
Титульний лист "Оптики" Ньютона
В 1689 Ньютон припинив публікації в області оптики (хоча продовжував дослідження) - за поширеною легендою, поклявся нічого не друкувати в цій галузі за життя Гука. [105] У всякому разі, у 1704, на наступний рік після смерті Гука, виходить у світ (англійською мовою) монографія "Оптика". У передмові до неї міститься явний натяк на конфлікт з Гуком: "Не бажаючи бути втягнутим в диспути з різних питань, я відтягував це видання і затримав би його і далі, якби не наполегливість моїх друзів". [106] За життя автора "Оптика ", як і" Початки ", витримала три видання ( 1704, 1717, 1721) і безліч переказів, у тому числі три латинською мовою.
Книга перша: принципи геометричної оптики, вчення про дисперсії світла і склад білого кольору з різними додатками, включаючи теорію веселки.
Книга друга: інтерференція світла в тонких пластинках.
Книга третя: дифракція і поляризація світла.
Історики виділяють дві групи тодішніх гіпотез про природу світла.
Емісійна (корпускулярна): світло складається з дрібних частинок (корпускул), випромінюваних світиться тілом. На користь цієї думки говорила прямолінійність поширення світла, на якій заснована геометрична оптика, проте дифракція і інтерференція погано вкладалися в цю теорію.
Хвильова : світло являє собою хвилю в невидимому світовому ефірі. Опонентів Ньютона (Гука, Гюйгенса) нерідко називають прихильниками хвильової теорії, однак треба мати на увазі, що під хвилею вони розуміли не періодичне коливання, як у сучасній теорії, а одиночний імпульс [107]; з цієї причини їх пояснення світлових явищ були мало правдоподібні і не могли скласти конкуренцію ньютоновским (Гюйгенс навіть намагався спростувати дифракцію [68]). Розвинена хвильова оптика з'явилася лише на початку XIX століття.
Ньютона часто вважають прихильником нової теорії світла; насправді він, за своїм звичаєм, "гіпотез не вигадував" [108] і охоче допускав, що світло може бути пов'язаний і з хвилями в ефірі. [109] У трактаті, представленому в Королівське товариство в 1675, він пише, що світ не може бути просто коливаннями ефіру, тому що тоді він, наприклад, міг би поширюватися по вигнутій трубі, як це робить звук. Але, з іншого боку, він пропонує вважати, що поширення світла збуджує коливання в ефірі, що і породжує дифракцію і інші хвильові ефекти. [110] По суті, Ньютон, ясно усвідомлюючи переваги і недоліки обох підходів, висуває компромісну, корпускулярно-хвильову теорію світла. У своїх роботах Ньютон детально описав математичну модель світлових явищ, залишаючи осторонь питання про фізичному носії світла: "Вчення моє про заломлення світла і квітах складається єдино у встановленні деяких властивостей світла без всяких гіпотез про його походження". [109] Хвильова оптика, коли вона з'явилася, не відкинула моделі Ньютона, а увібрала їх у себе і розширила на новій основі. [102]
Незважаючи на свою нелюбов до гіпотез, Ньютон помістив в кінці "Оптики" список невирішених проблем і можливих відповідей на них. Втім, в ці роки він вже міг собі таке дозволити - авторитет Ньютона після "Почав" став незаперечним, і докучати йому запереченнями вже мало хто наважувався. Ряд гіпотез виявилися пророчими. Зокрема, Ньютон передбачив: [68]
відхилення світла в поле тяжіння;
явище поляризації світла;
взаємоперетворення світла і речовини.