Журнал "Наука. Величайшие теории" №2. Самая притягательная сила природы. Ньютон. Закон всемирного тяготения - Антонио Дуран

ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ

В ньютоновской физике свет состоит из частиц, корпускул, и распространяется по прямой линии, а не в виде волн. Сегодня считается, что свет имеет одновременно как корпускулярную, так и волновую природу. В материальных средах свет всегда движется по прямой линии, хотя на границе сред его скорость меняется, что вызывает эффект преломления. На рисунке представлены разные ситуации, которые можно наблюдать, когда луч света, двигающийся по траектории, пересекающей однородную среду, достигает поверхности, которая отделяет данную среду от внешней. Если угол падения перпендикулярен поверхности, разделяющей обе среды, луч света продолжит беспрепятственно двигаться по своей траектории (от n1 к n2 ). Если угол падения θ1 немного больше, луч пересечет поверхность; хотя новая траектория не будет идеально совпадать с предыдущей, она образует новый угол θ2 с перпендикуляром. Оба угла соотносятся по закону Снеллиуса: n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2), где n1 и n2 – индексы преломления обеих сред, зависящие от скорости, с которой движется свет, когда их пересекает. Таким образом, можно вывести, например, что если среда оказывает значительное сопротивление прохождению света, она будет иметь высокий индекс преломления и, значит, угол падения θ1 будет меньше, чем угол преломления θ2 . Этот феномен мы всегда наблюдаем, опуская трубочку в стакан с водой: кажется, будто она становится толще. По этой же причине бассейны всегда кажутся более глубокими, чем на самом деле. На рисунке

также можно наблюдать, что часть луча света отражается от поверхности и возвращается в исходную среду. Угол отражения также подчиняется закону Снеллиуса, но поскольку в этом случае индекс преломления среды тот же, оба угла одинаковы. Если мы продолжим уменьшать угол падения θ1 , мы придем к пограничной ситуации, когда угол преломления параллелен границе сред. Начиная с этой точки падающий луч уже не способен пересечь данную поверхность и отражается обратно в первую среду. В телекоммуникациях этот принцип используется, чтобы посылать световые лучи через оптическое волокно с высоким индексом преломления.

Тогда считалось, что луч белого света имеет однородную структуру; а в вопросе образования цвета царила полная неопределенность. Роберт Гук в Англии и Христиан Гюйгенс на континенте уточнили декартову формулировку. Гюйгенс, в частности, ввел идею вторичных волн: «Каждая частица материи, на которую падает волна, сообщает полученное движение всем окружающим ее частицам. Таким образом, вокруг каждой частицы формируется волна, в которой эта самая частица является центром». При помощи этой концепции он смог вывести известные нам законы отражения и преломления света. Однако ответа на главное возражение против волновой природы света не было: как объяснить прямолинейное распространение световых лучей? Ответ будет найден только в XIX веке Огюстеном Френелем (1788-1827), который использовал в своих исследованиях теорию интерференции волн Томаса Юнга (1773-1829).

Ньютон оказался жертвой своего главного заблуждения: «Эксперименты и опыты доказывают, – написал он, – что давления, волны или вибрации в жидкости окружают препятствия и проникают в область геометрической тени», чего, как выяснилось, свет не делает.

Ученый начал экспериментировать с призмами и изучать свет во время своих anni mirabiles. Хотя он и не был первым, кто этим занимался, никто из его современников не смог достичь того же мастерства и ловкости.

Первый осуществленный им эксперимент состоял в пропускании через призму единственного луча света, который проникал в темную комнату через маленькое круглое отверстие в окне и преломлялся в призме, направляясь на стену, противоположную окну. Теории того времени утверждали, что полученная таким образом проекция должна иметь форму окружности. Но Ньютон увидел другое: «Продолговатая фигура, ограниченная двумя параллельными и прямолинейными сторонами и двумя полукруглыми краями, – объясняет он в «Оптике». – Края размыты, так как свет в них рассеивается и постепенно уменьшается. Ширина отвечает диаметру солнечного диска, двум дюймам и одной восьмой, включая полумрак. Однако длина луча составляет десять дюймов и четверть, а длина прямолинейных сторон – восемь дюймов».

Этот эксперимент и его последующие уточнения убедили Ньютона в том, что доктрина об однородности белого света ошибочна. Найти выход помогли рассуждения о природе цвета – проблема до тех пор относительно второстепенная, но сыгравшая центральную роль в исследованиях Ньютона.

Для этого он сделал то, что назвал experimentum crucis, решающий опыт, который включал две призмы и два экрана, каждый с отверстием, через которое проходили лучи «из большого пучка солнечного света, входящего в комнату через отверстие, которое я сделал в оконных ставнях». Первая призма раскладывала белый солнечный свет на спектр, а затем, используя второй экран и вторую призму, Ньютон убедился в том, что однородные лучи не раскладываются снова на другие цвета, отметая таким образом вариант, что причиной появления спектра является призма (см. рисунок). Ученый заключил, что белый свет – это сочетание световых лучей различных цветов, и каждый из них характеризуется собственной степенью преломления, от меньшей к большей: красный, желтый, зеленый, синий и, наконец, фиолетовый. Другой эксперимент, в котором Ньютон использовал колесо, привел его к выводу, что белый свет – это не что иное, как впечатление, вызванное гетерогенной смесью цветов: он выставил колесо на некотором расстоянии от призмы таким образом, что на его широкие спицы падали только разные цвета; если колесо вращалось медленно, можно было увидеть, как разные цвета следуют друг за другом по кругу, но при высокой скорости вращения глаз переставал различать отдельные цвета, и появлялся белый цвет. В третьем эксперименте Ньютон разместил на одной линии несколько призм, через них он пропускал луч света, который, преломляясь, раскладывался на разные цвета. Лучи из обеих призм падали на специальный экран, где смешивались и снова давали свет белого цвета.

Из всего этого Ньютон сделал вывод, что цвет – это не свойство белого света, которое проявляется из-за различного преломления лучей на различных объектах, а неотъемлемая характеристика соответствующих световых лучей с собственным показателем преломления.

В начале 1672 года Ньютон опубликовал в «Философских трудах» свою новую теорию о природе света и цвета – и это была первая научная работа, о которой ученый заявил открыто. Публикацию с нетерпением ожидали не только в Англии, но и в Европе. И после ее появления мгновенно поднялась волна неизбежной критики и недоверия. И это несмотря на то, что Ньютон пытался скрыть свою приверженность корпускулярной теории света и не говорил о ней до публикации «Оптики» в 1704 году. Так, вопрос 28 «Оптики» начинается словами: «Не ошибочны ли все гипотезы, в которых свет приписывается давлению или движению, распространяющемуся через некоторую жидкую среду?», в то время как 29-й риторически спрашивает: «Не являются ли лучи света очень малыми телами, испускаемыми светящимися веществами?».