Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Изучение дисперсии света И. Ньютоном. Составной характер белого света

Сэр Исаак Ньютон (1642–1727) сделал фундаментальный вклад в оптику: обнаружил, что белый свет является составным, изобрел телескоп-рефлектор, а также исследовал открытые Гуком кольца, которые появляются на тонких клиньях и излома (теперь их называют кольцами Ньютона), заложил основы физической и геометрической оптики как связного учения. До него оптика представляла собой совокупность разрозненных фактов, датируемых начиная с античности, а также многочисленные и противоречащие друг другу интерпретации экспериментальных наблюдений. Действительно, по сути дела, не было критерия, согласно которому эти интерпретации должны были сравниваться и какие-то из них — признаваться ошибочными.

Во взглядах на природу цвета также не было единства. Аристотелевское учение утверждало, что цвета — производные от света и тьмы, смешанных в различных пропорциях. Согласно Декарту различие цветов было связано с различной скоростью вращения корпускул (в некотором роде, с точки зрения квантовой теории, так и есть). Также бытовала точка зрения, что цветовую окраску свету придает предмет, от которого он отражается, а «чистому» свету цветовые характеристики не присущи.

Известный эксперимент Ньютона с разложением белого света на составляющие его компоненты был проведен в 1666 году, когда двадцатитрехлетний Ньютон укрылся от чумы в своем фамильном имени Вульсторп. Открытие дисперсии света запечатлено на многих полотнах (см. рис. ниже).

Ньютон пропустил тонкий луч света, прошедший через прорезь в ширме (на рисунке — через щель в двери), через треугольную призму и увидел, что свет разложился в радужный спектр. При этом получалось, что Красные лучи преломляются сильнее фиолетовых — в этом и была сущность дисперсии. По этой причине современный термин «дисперсия» относится не только к явлению разложения света в спектр, но и к зависимости фазовой скорости света от частоты (или даже от направления волнового вектора). Действительно, угол преломления напрямую зависит от фазовой скорости, поэтому зависимость последней от частоты и приводит к наблюдавшемуся Ньютоном явлению.

Помимо разложения света в спектр, которое могло интерпретироваться и как окрашивание солнечного света призмой, Ньютон показал, что, если собрать цветные лучи в одну точку, в ней снова будет наблюдаться ахроматический, белый цвет (см. рис. выше). Этим он раз и навсегда пресек обсуждение точки зрения об окрашивании падающего света «цветными» предметами. Также полученные результаты окончательно сформировали современный взгляд на природу цвета большинства предметов: последний либо связан с излучением самого тела (возникающим в силу его нагретости, протекающей в нем фотохимической реакции и т.п.), либо с  выделением определенных компонент из падающего света при его отражении от предмета или прохождении сквозь него. Последний механизм окрашивает небо в голубой цвет, создает радужный окрас неба на закате (так называемое рэлеевское рассеяние), обусловливает цвета драгоценных камней (фильтрация при прохождении света сквозь них) и золота (отражение), а также кристаллических срезов и тонких пленок (интерференция). Конечно, известны и другие явления воздействия падающего света на спектр исходящего от предмета излучения: люминесценция, генерация высших гармоник, комбинационное рассеяние и т.д. В этих случаях вторичное излучение тела сложнее зависит от спектральной интенсивности падающего света.

Интересно, что Ньютон придерживался точки зрения, что свет состоит из маленьких корпускул, которым присуще внутреннее свойство — цвет. От количества корпускул данного цвета и зависит спектральная интенсивность. Эта, корпускулярная теория света просуществовала до XIX века, несмотря на наличие явлений, в нее не укладывающихся (интерференция, дифракция). Пожалуй, тут сыграл роль не только авторитет Ньютона, но и неподготовленность математики времен Ньютона к восприятию волновых концепций. Сам Ньютон основал вместе с Лейбницем математический анализ и дифференциальное исчисление, однако представления об описывающих распространение волн дифференциальных уравнениях в частных производных и преобразованиях Фурье, с помощью которых эти уравнения решаются, появились только в XIX веке. Наконец, XVII век был проникнут идеями механицизма, во многом насажденными успехами ньютоновской механики. Поэтому представить прямолинейное распространение лучей из корпускул было гораздо проще, чем распространение волн по прямой — даже здравый смысл говорит о том, что волны распространяются во всех направлениях.

Важно, тем не менее, что Ньютон не только наблюдал явление дисперсии, но и предложил ее строгое математическое описание. Тем самым он обрисовал логический путь зарождающейся физики: наблюдение (эксперимент) – качественное описание (гипотеза) – математическая теория явления – новые предсказания или теоретические выводы – новые эксперименты. Именно такая модель исследования явлений определила дальнейшее развитие физики, отклонившееся от чисто философского пути умозрительных, хотя, возможно, справедливых, заключений.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>