З

Рис. 10. Кольца Ньютона

Оптические исследования

аметный вклад внес Ньютон в развитие оптики. При помощи трехгранной стеклянной призмы он разложил белый свет в спектр (на семь цветов). Призматическими цветами занимались многие ученые и до Ньютона, но именно Ньютон всесторонне и глубоко исследовал полученный спектр, заложив основы научной спектроскопии. Он окончательно установил факт различной преломляемости цветовых лучей и дальнейшую неразложимость выделенного монохроматического пучка. Основной результат своих спектроскопических исследований Ньютон сформулировал так: «Всякий однородный свет имеет собственную окраску, отвечающую степени его преломления, и такая окраска не может изменяться при отражениях и преломлениях». Ньютон установил, что если на призму направить не узкий луч, а широкий пучок белого света, то у преломленного призмой белого света окрашенными окажутся лишь края световой полосы, т.к. в центральной части преломленные лучи разных цветов, накладываясь, дают белый свет. Это явление называется хроматической аберрацией. Соответственно, получаемое с помощью линзы изображение источника белого света оказывается размытым и по краям окрашено. Результатом этих исследований Ньютона явилось убеждение, что хроматическая аберрация линз неустранима. Ньютон пришел к выводу, что в телескопе надо линзы заменить сферическими зеркалами. В 1668 году он создал первую модель телескопа-рефлектора.

Ньютон исследовал оптические эффекты, возникающие при отражении и преломлении света в тонких пленках. Он наблюдал интерференционные цвета тонких пленок и, хотя интерференции света он еще не знал, сумел понять, что наблюдаемые цвета определяются толщиной пленки. В итоге Ньютон разработал эксперимент, в котором толщина менялась по простому геометрическому закону. Плосковыпуклая линза AA' помещалась на плоскую стеклянную поверхность BB', соприкасаясь с ней в точке O. На линзу нормально к ее плоской поверхности падал свет (рис. 10). Ньютон получил в опыте цветные интерференционные кольца, получившие впоследствии наименование «колец Ньютона», и открыл важный факт периодической повторяемости цветов колец при изменении толщины воздушного зазора между линзой и плоской поверхностью BB' на определенную величину. Другими словами, Ньютон был первым естествоиспытателем, открывшим периодичность в световых явлениях.

С точки зрения волновых представлений кольца Ньютона образуются вследствие интерференции лучей, дважды прошедших воздушный зазор, отразившись от плоской поверхности BB' с потерей полуволны (луч 1 на рис. 10), и лучей, падающих из линзы на границу раздела стекло-воздух (луч 2 интерферирует в точке C с лучом 1). При этом оптическая разность хода лучей 1 и 2 в точке C с учетом потери полуволны лучом 1 составляет

,

где d – толщина воздушного зазора. Условием интерференционного максимума (т.е. появления цветного кольца) является соотношение

, k = 1, 2, … .

Из сказанного следует, что кольца Ньютона возникают при толщине воздушного зазора d, равной

,

т.е. при изменении толщины воздушного зазора на λ/2 повторяется кольцо того же цвета. Поскольку Ньютон еще не владел волновыми представлениями о свете, он не мог дать точного объяснения полученного им явления. Но он смог установить, что для каждого цвета имеется своя длина, на которую изменяется толщина воздушного зазора d, когда одно цветовое кольцо заменяется другим такого же цвета, и смог определить эту величину для всех основных цветов спектра – от красного до фиолетового.

Ньютон исследовал также явление дифракции и описал радужные полосы на внешних границах тени волоса, но не заметил внутренней светлой полосы. Не заметил он и темных линий поглощения в солнечном спектре, открытых значительно позже и получивших название фраунгоферовых.

На всем протяжении своих оптических исследований, включая изданную в 1703 году книгу «Оптика», Ньютон постоянно обсуждает две концепции световых явлений: корпускулярную и волновую. Волновая оптика кажется ему неспособной справиться с описанием наблюдаемых на опыте оптических явлений. Во-первых, она не в состоянии объяснить прямолинейное распространение света. Волна должна огибать препятствия и проникать внутрь геометрической тени. Но Ньютон не заметил многих дифракционных эффектов. Во-вторых, волновая теория требует допущения среды, в которой распространяется свет. Ньютон замечает, что существование светоносного эфира должно приводить к силам сопротивления движению планет. Однако «правильное и весьма длительное движение планет и комет» свидетельствует, «что небесное пространство лишено всякого заметного сопротивления, а следовательно, и всякой ощутимой материи».

В

связи с серьезными трудностями волновой теории Ньютон предлагает обсудить корпускулярную концепцию природы света: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?». Ньютон предполагает, что корпускулы света движутся в согласии с законами механики, а прозрачные вещества действуют на корпускулы на расстоянии таким образом, что при переходе из одного вещества в другое в момент пересечения границы раздела меняется нормальная составляющая скорости корпускулы, тангенциальная же остается неизменной. Ньютон считает, что частица, переходя в плотную среду, ускоряется притяжением частиц этой среды. Тогда, рассматривая рис. 11, можно написать: ; ; ; следовательно,

.

П

Рис. 11. Закон преломления в корпускулярной теории света

ри этом если α > β, т.е. луч света переходит из оптически менее плотной среды в более плотную, то должно быть v₂ > v₁, например, скорость света в воде должна быть больше, чем в воздухе. Вспомним, что закон преломления, полученный Гюйгенсом с помощью волновой теории, утверждал обратную зависимость от отношения скоростей света в двух средах:

;

и скорость света в воде получалась меньше скорости света в воздухе. Когда Фуко в 1850 году показал, что скорость света в воде действительно меньше скорости света в воздухе, это явилось решающим опровержением корпускулярной теории.

При всем различии оптики Ньютона и Гюйгенса у них была одна общая черта: оба стремились описать оптические явления в рамках механических представлений. Мысль же о том, что световые волны могут иметь другую, не механическую природу, не могла в то время возникнуть ни у Гюйгенса, ни у Ньютона.