Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

«Чтобы исполнить свое обещание Вам, я без дальнейшей церемонии ставлю Вас в известность, что в году 1666… я достал треугольную стеклянную призму, чтобы с ее помощью исследовать прославленные „явления цвета“. С этим намерением я погрузил свою комнату в полную темноту, а в оконных ставнях проделал крошечную дырочку, дабы через нее проникало нужное количество солнечного света; я поместил свою призму у самого отверстия, чтобы лучи света преломлялись на противоположную стену. Поначалу для меня было довольно приятным развлечением разглядывать яркие и насыщенные краски, полученные таким образом»53.

Другие на месте Ньютона, несомненно, поддались бы искушению основное внимание уделить обманчивой игре радужных красок. Ньютон же взирал на происходящее под целым рядом разнообразных углов зрения. Помимо самих цветов, он обращал внимание также и на форму, которую они принимали. «Меня удивило то, что они имеют продолговатую форму, в то время как, с точки зрения известных законов рефракции света, они должны были быть округлыми ».

Но что же так удивило Ньютона? Согласно господствовавшей в то время точке зрения Декарта и других авторов, считалось, что призмы каким-то образом модифицируют или окрашивают чистый солнечный свет и тем самым создают спектр. Если это действительно так, то луч, выходящий из призмы, должен иметь то же округлое сечение, с которым он в нее и вошел. Однако, как заметил Ньютон, на деле отсвет луча «имел форму скакового круга с полукруглыми изгибами наверху и внизу, связанными между собой прямыми линиями» (рис. 9). Цвета располагались горизонтальными полосами, с синим цветом на одном краю и красным – на противоположном. Кроме того, Ньютон обратил внимание и на еще одну странную особенность. Если прямые вертикальные линии были достаточно четко очерчены, то горизонтальные изгибы, как верхний, так и нижний, синий и красный, представлялись довольно размытыми. Это плюс «необычайное» несоответствие между длиной и шириной – первая была почти в пять раз больше второй – «пробудило во мне исключительное любопытство и стремление узнать, по какой причине подобное могло воспоследовать».

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 шаре, который от удара продолговатой ракеткой» проделал в воздухе дугу. И у него возникло подозрение, что полученную форму можно объяснить тем, что призма каким-то образом заставляла лучи света двигаться по изогнутым траекториям в вертикальном направлении. Это привело к новой череде экспериментов:

«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.