Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки
Шрифт:
Рис. 9. Продолговатое пятно на экране, оставленное солнечным лучом после прохождения круглого отверстия и треугольной призмы (чертеж Ньютона)
Далее Ньютон описывает свои попытки определить, почему отблеск света приобрел столь неожиданные очертания в результате обычного прохождения сквозь призму. Ньютон попытался выяснить, может ли он каким-то образом воздействовать на упомянутую форму. Он пробовал использовать призмы разной толщины, пропускал свет через разные их части, вращал призму взад и вперед вокруг своей оси. Он изменял размер отверстия в шторах, помещал еще одну призму на улице, чтобы луч света вначале проходил сквозь призму, а затем уже через отверстие в окне. Он много раз перепроверил, не могли ли стать причиной описанного какие-то дефекты в стекле призмы. Ничто из перечисленного никак не влияло на очертания отображенного образа: загадочная удлиненная форма сохранялась, а каждый цвет всегда преломлялся одинаковым образом. Ньютон вспоминал о виденном им «теннисном
«Постепенное устранение названных подозрений в конце концов привело меня к experimentum crucis, каковой состоял в следующем: я взял две доски и поместил одну из них за призмой у окна так, чтобы свет проходил сквозь небольшое отверстие, проделанное в доске с упомянутой целью, и падал на другую доску, каковую я поместил на расстоянии примерно 12 футов, предварительно также проделав в ней небольшое отверстие, чтобы через него проходила какая-то часть падающего света. После чего я поместил еще одну призму за второй доской с тем, чтобы свет, проходящий сквозь обе доски, мог бы проходить и сквозь нее и преломлялся бы до попадания на стену. Сделав это, я взял первую призму в руку и стал медленно поворачивать ее вокруг своей оси так, чтобы некоторые части Образа, отбрасываемого на вторую доску, последовательно бы проходили сквозь отверстие в ней и я смог бы увидеть, в каких участках на стене вторая призма будет преломлять их. И я обнаружил с помощью варьирования этих участков, что свет, стремившийся к тому концу Образа, к которому осуществлялось преломление посредством первой призмы, во второй призме преломлялся значительно больше, нежели свет, стремившийся к другому концу».
Чертеж для experimentum crucis , нарисованный ученым на листе бумаги в ходе своей первой лекции по оптике, показан на рис. 10. Тонкий луч света, проникавший через отверстие в окне, проходил через первую призму и превращался в веер цветов спектра на доске, находившейся на расстоянии десяти футов. Этот радужный веер был продолговатой формы в вертикальном направлении, а цвета в нем были расположены горизонтально, от красного к синему. Всякий, кто когда-либо развлекался с призмами, видел упомянутый эффект, хотя вряд ли кто-либо до Ньютона задумывался о значимости формы. Но затем Ньютон сделал еще более новаторский шаг: он добавил еще одну призму и еще одну доску. Он просверлил отверстие в доске, пропустил сквозь нее часть удлиненной световой полосы на другую призму на противоположной стороне и затем направил эту полосу на вторую доску. Путем вращения первой призмы он смог перемещать удлиненную полосу света вверх и вниз так, чтобы свет различного цвета проходил бы через отверстие и через вторую призму на вторую доску. После чего тщательно анализировал полученный результат.
Рис. 10. Experimentum crucis (рисунок Ньютона из его «Лекций по оптике»)
Ньютон обратил внимание на то, что синий цвет, сильно преломлявшийся первой призмой, столь же сильно преломлялся и второй призмой. Точно таким же образом красный цвет, меньше преломлявшийся первой призмой, так же мало преломлялся и второй. Ученый также заметил, что то, каким образом происходило преломление, не зависело от угла падения луча на поверхность призмы. И Ньютон пришел к заключению, что степень рефракции световых лучей – их «преломляемость» – является характеристикой самих лучей, а не призмы. Лучи сохраняли свою преломляемость, проходя через обе призмы. Призмы никак не видоизменяли световые лучи, а лишь просеивали их в соответствии со степенью преломляемости.
Итак, Ньютон получил ответ на свой первый вопрос. «Форма скакового круга» у радуги, отбрасываемой на стену, объясняется тем, что призма преломляет луч света под влиянием характеристик отдельных входящих в него цветов. Если ось призмы горизонтальна, призма сохраняет ширину луча, но развертывает его вертикально. Концы вертикальной удлиненной формы размыты, так как на самом верху и в самом низу лучей меньше. Ньютон писал: «И как выяснилось, истинная причина длины этого Образа [удлиненная форма] заключается в том, что Свет состоит из Лучей с разной преломляемостью, которые независимо от разницы в их угле падения переносились на различные участки стены в зависимости от степени преломляемости».
Но что же было такого решающего в данном эксперименте, одном из сотен, проведенных Ньютоном со сходными результатами? Уверенность в выводах, связанных с этим экспериментом, базировалась не на нем одном, а на всех попытках ученого анализировать свет с помощью призм и линз. Однако Ньютон не видел смысла в том, чтобы его коллеги повторяли его собственный, столь сложный путь исследований. Чтобы дать им верное направление, достаточно было ясного описания одного эксперимента. Поэтому с experimentum crucis связана определенная театральность. Он стал демонстрацией или своеобразным резюме того, что самому Ньютону уже было ясно. Целью данной демонстрации было убедить коллег, поэтому она должна была быть простой, доступной по инструментарию и показывать результат четко и максимально наглядно. Ньютон писал позже одному из тех, кто пытался воспроизвести его эксперименты:«Вместо множества самых разных вариантов попробуйте осуществить один лишь experimentum crucis. Ведь важно не число экспериментов, а их весомость; и там, где достаточно одного, какой смысл во многих?»54
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».