Эксперименты ньютона. Дисперсия света

Впервые опыт по разложению света в спектр был сделан Исааком Ньютоном в 1666 году. Он проделал маленькое отверстие в оконном ставне и в солнечный день получил узкий пучок света, на пути которого поставил треугольную стеклянную призму. Пучок преломился в ней, и на противоположной стене появилась цветная полоса, где расположились в определённом порядке все цвета радуги: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Эту цветную полосу Ньютон назвал спектром (от латинского «спектрум» — видимое).

Наименьшего отклонения от первоначального направления падения испытывают красные лучи, а наибольшего — фиолетовые.

После такого эксперимента Ньютон сделал первый вывод : разложение белого света в цветной спектр означает, что белый свет имеет сложную структуру, то есть является составным , то есть смесью всех цветов радуги.

Второй вывод Ньютона состоял в том, что свет разных цветов характеризуется разными показателями преломления в определённой среде . Это означает, что абсолютный показатель преломления для фиолетовых цветов больший, чем для красных.

Зависимость показателя преломления света от его цветов Ньютон назвал дисперсией (от латинского слова dispersio — «рассеивание»).

Однако Ньютон был сторонником корпускулярной теории и объяснить явление дисперсии не мог.

Дисперсия света

Согласно волновой теории цвета света определяются частотой электромагнитной волны , которой является свет. Наименьшую частоту имеет красный свет, наибольшую — фиолетовый. Исходя из опытов Ньютона и опираясь на волновую теорию света, следует вывод: показатель преломления света зависит от частоты световой волны.

Дисперсия света — это явление разложения света в спектр, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны.

Что от чего зависит.?

Разным скоростям распространения волн соответствуют разные абсолютные показатели преломления среды
.

Значит, луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что он имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета — наименьшую.

Частота и длина волны связаны между собой

Из формулы видно, что длина волны прямо пропорциональна скорости света и обратно пропорциональна частоте. Отсюда следует то, что длина волны больше в той среде, где скорость волны больше (при заданной частоте).

Из формул видно, что

Поэтому можно утверждать, что абсолютный показатель преломления уменьшается соответственно к увеличению длины световой волны и увеличивается соответсвенно к уменьшению длины световой волны.

Следовательно, во время перехода из одной среды в другую скорость распространения световой волны, а значит и длина волны, изменяется , а частота, а значит и цвет света, остаётся неизменной .

Как глаз различает цвета?

На сетчатке глаза расположены светочувствительные элементы – нервные окончания, которые называют «палочками» и «колбочками». Палочки отличают только светлое от тёмного. Колбочки есть трёх типов – их условно называют «красные», «зелёные» и «синие». Потому что «красные» колбочки наиболее чувствительны к красному цвету, «зелёные» — к зелёному, а «синие» — к синему. И всё многообразие видимых нами цветов обусловлено «сигналами», посылаемыми в мозг всего тремя типами колбочек.

Сложение цветов

Вычитание цветов

Игорь Сокальский,
кандидат физико-математических наук
«Химия и жизнь» №12, 2006

В пяти предыдущих статьях цикла «Вселенная: материя, время, пространство», использовав аналогию театра, мы рассказали о том, как устроен наш мир. Время и пространство образуют сцену, на которой разыгрывают сложнейшие и запутанные сюжетные линии главные и второстепенные действующие лица, а также невидимые актеры. Осталось поговорить о нас с вами — о зрителях. Мы не успели к началу спектакля, который начался 14 миллиардов лет назад, а появились в зрительном зале совсем недавно по космическим масштабам времени — прошло всего несколько тысяч лет. Но нам многое удалось понять в театральном действии, хотя еще больше предстоит выяснить. Не все представители рода человеческого посвящают свои жизни познанию законов природы. Только небольшая часть, ученые. О том, как они это делают, — две последние статьи цикла. Сначала поговорим о самых красивых физических экспериментах прошлого.
(Продолжение. Начало см. в №7, №№9- , 2006)

Плюнь тому в глаза, кто скажет, что можно обнять необъятное.
Козьма Прутков

Земля — шар радиусом около 6400 км. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов. Сила гравитационного притяжения между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. В нашей Галактике примерно 100 миллиардов звезд. Температура поверхности Солнца около 6 тысяч градусов. Эти простые физические факты складываются с десятками тысяч других, самых разных, — таких же простых для понимания, или не слишком простых, или совсем сложных, — образуя физическую картину мира.

У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает как минимум два серьезных вопроса.

Чтобы понять, нужно запомнить всё?

Вопрос первый: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Только объем информации о размерах, температуре, спектральном классе и местоположении всех звезд нашей Галактики составляет 2-3 терабайта. Если добавить сюда другие характеристики звезд, то этот объем вырастет в несколько десятков или даже сотен раз. Еще в миллионы раз увеличится количество данных, если рассматривать и звезды в других галактиках. А еще сведения о планетах, газово-пылевых туманностях. А еще информация об элементарных частицах, их свойствах и распределении по объему Вселенной. А еще... А еще... А еще...

Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Джеймсом Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.

В принципе, современная физика как раз и ставит себе целью построить единую теорию, которая включала бы в себя всего несколько уравнений (в идеале — одно), описывающих все известные и правильно предсказывающих новые физические факты.

Откуда мы знаем?

Вопрос второй: а откуда мы знаем и почему мы уверены в том, что всё это действительно так? Что Земля имеет форму шара. Что в ядре гелия два протона и два нейтрона. Что сила притяжения между двумя телами прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояний. Что уравнения Максвелла правильно описывают электромагнитные явления. Мы знаем это из физических экспериментов. Когда-то, давным-давно, люди от простого созерцания природных явлений постепенно перешли к их изучению с помощью осознанно поставленных экспериментов, результаты которых выражаются числами. Примерно к XVI-XVII векам сложился тот принцип физического познания природы, который до сих пор состоит на вооружении у науки и который можно схематически проиллюстрировать вот так:

Явление → Гипотеза → Предсказание → Эксперимент → Теория.

Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое, в общем случае, представляет собой некоторое число. Последнее проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае всё возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент.

Эксперимент — ключ к пониманию мироздания

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, процесс, описанный пятью словами и четырьмя стрелками, на деле занимает порой тысячелетия. Хорошим примером служит модель мира, эволюцию которой мы уже прослеживали в одной из предыдущих статей. В начале нашей эры утвердилась геоцентрическая модель Птолемея, согласно которой в центре мира располагалась Земля, а вокруг нее вращались Солнце, Луна и планеты. Эта модель, которая была общепризнанна в течение полутора тысяч лет, сталкивалась, однако, со всё более серьезными сложностями. Наблюдаемое положение на небе Солнца, Луны и планет не соответствовало предсказаниям геоцентрической модели, и такое противоречие становилось всё более непреодолимым, поскольку точность наблюдений росла. Это заставило Николая Коперника предложить в середине XVI века гелиоцентрическую модель, согласно которой в центре находится не Земля, а Солнце. Гелиоцентрическая гипотеза получила блестящее подтверждение благодаря беспрецедентным по точности (для того времени) наблюдениям Тихо Браге, результаты которых совпали с предсказаниями гелиоцентрической модели. Последняя стала общепринятой, получив, таким образом, статус теории.

Этот пример, равно как и рассмотренная нами схема, показывает ключевую роль эксперимента в процессе научного познания окружающего мира. Только с помощью эксперимента можно проверить физическую модель. Чрезвычайно важен тот факт, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, не качественные, а количественные. То есть представляют собой набор самых обыкновенных чисел. Поэтому сравнение вычисленных и измеренных результатов — вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.

Десять самых красивых

Десятки и сотни тысяч физических экспериментов были поставлены за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?

Четыре года назад в газете «The New York Times » была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.

1. Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эратосфеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2. Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.

Результаты, полученные Галилеем, — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.

3. Другой эксперимент Галилео Галилея

Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренные автором опыта по водяным часам.

Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.

4. Эксперимент Генри Кавендиша

После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения F между двумя телами с массами М и m , удаленных друг от друга на расстояние r , равна F = γ(mM /r 2), оставалось определить значение гравитационной постоянной γ. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала. Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо.

Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы — коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы. Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.

5. Эксперимент Жана Бернара Фуко

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.

6. Эксперимент Исаака Ньютона

В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран. На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света.

Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.

Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Ньютон же проделал дополнительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного.

Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.

7. Эксперимент Томаса Юнга

До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц — корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной.

Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.

8. Эксперимент Клауса Йонссона

Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.

9. Эксперимент Роберта Милликена

Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как Майкл Фарадей и Герман Гельмгольц. В теорию был введен термин «электрон», обозначавший некую частицу — носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Жан Батист Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны.

Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента. Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009) × 10 -10 электростатических единиц.

10. Эксперимент Эрнста Резерфорда

К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало. Большинство физиков приняли модель Джозефа Джона Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10 -8 см с плавающими внутри отрицательными электронами.

В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные α-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала α-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в «рыхлом» атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома — массивное крохотное ядро размерами примерно 10 -13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10 -8 см.

Современные физические эксперименты значительно сложнее экспериментов прошлого. В одних приборы размещают на площадях в десятки тысяч квадратных километров, в других заполняют объем порядка кубического километра. В третьих... Но давайте подождем следующего номера. Современные физические эксперименты — тема следующей (и последней) статьи цикла.

В 1704 г. выходит знаменитый труд Исаака Ньютона (1642- .1727) «Оптика», в котором впервые был описан экспериментальный метод исследования цветового зрения. Он называется методом аддитивного смешения цветов, и полученные этим методом результаты положили начало экспериментальной науке о цвете.

Опыты Ньютона описаны во многих руководствах, поэтому мы рассмотрим их только в связи с вопросом о природе цвета. Рис. 1.1 представляет собой схему установки Ньютона и иллюстрирует суть опытов.

Если в качестве экрана 1 взять плотный лист белого картона, то после прохождения солнечного луча через призму на экране отразится обычный линейный цветовой спектр. Для проверки гипотезы, где возникают цветные лучи - в свете или призме,- Ньютон убрал экран 1 и пропустил спектральные лучи на линзу, тсоторая снова собрала их в пучок на экране 2, и этот пучок был такой же бесцветный, как исходный свет.

Таким образом, Ньютон показал, что цвета образуются не призмой, а...! И вот здесь необходимо на минуту остановиться, потому что до сих пор были физические опыты со светом и только здесь начинаются опыты по смешению цветов. Итак, семь цветных лучей, смешанных вместе, дают белый луч, а значит, именно состав света был причиной появления цвета, но куда же они деваются после смешения? Почему, как ни разглядываешь белый свет, в нем нет никакого намека на цветные лучи, из которых он состоит? Именно этот феномен, который даст возможность сформулировать один из законов смешения цветов, и привел Ньютона к разработке метода смешения цветов. Обратимся снова к рис. 1.1. Поставим вместо сплошного экрана 1 другой экран 1, в котором вырезаны отверстия так, чтобы только часть лучей (два, три или четыре из семи) проходила, а остальные загораживались

светонепроницаемыми перегородками. И здесь начинаются чудеса. На экране 2 появляются цвета неизвестно откуда и неизвестно каким образом. Например, мы закрыли путь лучам фиолетовому, голубому, синему, желтому и оранжевому и пропустили зеленый и красный лучи. Однако, пройдя через линзу и дойдя до экрана 2, эти лучи исчезли, но вместо них появился желтый. Если посмотреть на экран 1, мы убеждаемся, что желтый луч задержан этим экраном и не может попасть на экран 2, но тем не менее на экране 2 точно такой же желтый цвет.

Рис. 1.1. Схема установки Ньютона для аддитивного смешения цветов. Вверху показаны различные виды экранов, используемых в опытах. Спектральный цветовой ряд, проецирующийся на экран Э1, показан на первой сторонке переплета книги

Откуда он взялся? Такие же чудеса происходят, если задержать все лучи, кроме голубого и оранжевого. Опять исчезнут исходные лучи, а появится белый свет, такой же, как если бы он состоял не из двух лучей, а из семи. Но самое удивительное явление возникает, если пропустить только крайние лучи спектра - фиолетовый и красный. На экране 2 появляется совершенно новый цвет, которого не было ни среди исходных семи цветов, ни среди их остальных комбинаций, - пурпурный.

Эти поразительные феномены заставили Ньютона внимательна рассмотреть лучи спектра и их разные смеси. Если и мы вглядимся в спектральный ряд, то увидим, что отдельные составляющие спектра не отделяются друг от друга резкой границей, а постепенно переходят друг в друга так, что соседние в спектре

лучи кажутся более похожими друг на друга, чем дальние. И здесь Ньютон открыл еще один феномен. Оказывается, для крайнего фиолетового луча спектра наиболее близкими по цвету являются не только синий, но и неспектральный пурпурный. И этот же пурпурный вместе с оранжевым составляет пару соседних цветов для крайнего красного луча спектра. То есть если расположить цвета спектра и смеси в соответствии с их воспринимаемым сходством, то они образуют не линию, как спектр, а замкнутый круг (рис. 1.2), так что наиболее разные по положению в спектре излучения, т. е. наиболее различающиеся физически лучи, окажутся очень близкими по цвету.

Рис. 1.2. Цветовой круг Ньютона. В отличие от линейной физической шкалы замкнутая форма круга отражает субъективное сходство цветов спектра Это означало, что физическая структура спектра и цветовая структура ощущений совершенно разные явления. И это был главный вывод, который Ньютон сделал из своих опытов в «Оптике»:

«Когда я говорю о свете и лучах как о цветных или вызывающих цвета, следует понимать, что я говорю не в философском смысле, а так, как говорят об этих понятиях простые люди. По существу же лучи не являются цветными; в них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать ощущение того или иного цвета. Так же как звук... в любом звучащем теле есть не что иное, как движение, которое органами чувств воспринимается в виде звука, так и цвет предмета есть не что иное, как предрасположение отражать тот или иной вид лучей в большей степени, чем остальные, цвет лучей - это их предрасположение тем или иным способом воздействовать на органы чувств, а их ощущение принимает форму цветов» (Ньютон, 1704).

Рассматривая взаимоотношение между разными по физическому составу лучами света и вызываемыми ими цветовыми ощущениями, Ньютон первый понял, что цвет есть атрибут восприятия, для которого нужен наблюдатель, способный воспринять лучи света и интерпретировать их как цвета. Сам свет окрашен не больше, чем радиоволны или рентгеновские лучи .

Таким образом, Ньютон первый экспериментально доказал, что цвет - это свойство нашего восприятия, и природа его в устройстве органов чувств, способных интерпретировать определенным образом воздействие электромагнитных излучений. Поскольку Ньютон был сторонником корпускулярной теории света, он лолагал, что преобразование электромагнитных излучений в

цвета осуществляется путем вибрации нервных волокон, так, что определенное сочетание вибраций различных волокон вызывает в мозге определенное ощущение цвета. Сейчас мы знаем, что Ньютон ошибся, предположив резонансный механизм генерации цвета (в отличие от слуха, где первый этап преобразования механических колебаний в звук осуществляется именно резонансным механизмом, цветовое зрение устроено принципиально иначе), но для нас более важно другое, то, что Ньютон впервые выделил специфическую триаду: физическое излучение - физиологический механизм - психический феномен, в которой цвет определяется взаимодействием физиологического и психологического уровней. Поэтому мы можем назвать точку зрения Ньютона идеей о психофизиологической природе цвета.

В 1704 г. выходит знаменитый труд Исаака Ньютона (1642- .1727) «Оптика», в котором впервые был описан экспериментальный метод исследования цветового зрения. Он называется методом аддитивного смешения цветов, и полученные этим методом результаты положили начало экспериментальной науке о цвете.

Таким образом, Ньютон показал, что цвета образуются не призмой, а...! И вот здесь необходимо на минуту остановиться, потому что до сих пор были физические опыты со светом и только здесь начинаются опыты по смешению цветов. Итак, семь цветных лучей, смешанных вместе, дают белый луч, а значит, именно состав света был причиной появления цвета, но куда же они деваются после смешения? Почему, как ни разглядываешь белый свет, в нем нет никакого намека на цветные лучи, из которых он состоит?

Именно этот феномен, который даст возможность сформулировать один из законов смешения цветов, и привел Ньютона к разработке метода смешения цветов. Обратимся снова к рис. 1.1. Поставим вместо сплошного экрана 1 другой экран 1, в котором вырезаны отверстия так, чтобы только часть лучей (два, три или четыре из семи) проходила, а остальные загораживались светонепроницаемыми перегородками. И здесь начинаются чудеса. На экране 2 появляются цвета неизвестно откуда и неизвестно каким образом. Например, мы закрыли путь лучам фиолетовому, голубому, синему, желтому и оранжевому и пропустили зеленый и красный лучи. Однако, пройдя через линзу и дойдя до экрана 2, эти лучи исчезли, но вместо них появился желтый. Если посмотреть на экран 1, мы убеждаемся, что желтый луч задержан этим экраном и не может попасть на экран 2, но тем не менее на экране 2 точно такой же желтый цвет. Откуда он взялся?

Такие же чудеса происходят, если задержать все лучи, кроме голубого и оранжевого. Опять исчезнут исходные лучи, а появится белый свет, такой же, как если бы он состоял не из двух лучей, а из семи. Но самое удивительное явление возникает, если пропустить только крайние лучи спектра - фиолетовый и красный. На экране 2 появляется совершенно новый цвет, которого не было ни среди исходных семи цветов, ни среди их остальных комбинаций,- пурпурный.

Эти поразительные феномены заставили Ньютона внимательно рассмотреть лучи спектра и их разные смеси. Если и мы вглядимся в спектральный ряд, то увидим, что отдельные составляющие спектра не отделяются друг от друга резкой границей, а постепенно переходят друг в друга так, что соседние в спектре лучи кажутся более похожими друг на друга, чем дальние. И здесь Ньютон открыл еще один феномен.

Оказывается, для крайнего фиолетового луча спектра наиболее близкими по цвету являются не только синий, но и неспектральный пурпурный. И этот же пурпурный вместе с оранжевым составляет пару соседних цветов для крайнего красного луча спектра. То есть если расположить цвета спектра и смеси в соответствии с их воспринимаемым сходством, то они образуют не линию, как спектр, а замкнутый круг (рис. 1.2), так что наиболее разные по положению в спектре излучения, т. е. наиболее различающиеся физически лучи, окажутся очень близкими по цвету.

«Когда я говорю о свете и лучах как о цветных или вызывающих цвета, следует понимать, что я говорю не в философском смысле, а так, как говорят об этих понятиях простые люди. По-существу же лучи не являются цветными; в них нет ничего, кроме определенной способности и предрасположения вызывать ощущение того или иного цвета. Так же как звук... в любом звучащем теле есть не что иное, как движение, которое органами чувств воспринимается в виде звука, так и цвет предмета есть не что иное, как предрасположение отражать тот или иной вид лучей в большей степени, чем остальные, цвет лучей - это их предрасположение тем или иным способом воздействовать на органы чувств, а их ощущение принимает форму цветов» (Ньютон, 1704).

Рассматривая взаимоотношение между разными по физическому составу лучами света и вызываемыми ими цветовыми ощущениями, Ньютон первый понял, что цвет есть атрибут восприятия, для которого нужен наблюдатель, способный воспринять лучи света и интерпретировать их как цвета. Сам свет окрашен не больше, чем радиоволны или рентгеновские лучи.

Таким образом, Ньютон первый экспериментально доказал, что цвет - это свойство нашего восприятия, и природа его в устройстве органов чувств, способных интерпретировать определенным образом воздействие электромагнитных излучений.

Сейчас мы знаем, что Ньютон ошибся, предположив резонансный механизм генерации цвета (в отличие от слуха, где первый этап преобразования механических колебаний в звук осуществляется именно резонансным механизмом, цветовое зрение устроено принципиально иначе), на для нас более важно другое, то, что Ньютон впервые выделил специфическую триаду: физическое излучение - физиологический механизм - психический феномен, в которой цвет определяется взаимодействием физиологического и психологического уровней. Поэтому мы можем назвать точку зрения Ньютона идеей о психофизиологической природе цвета.

Ложность подобных выводов нетрудно было дока­зать, поставив соответствующие опыты с теми же призмами. Однако до Ньютона никто этого не сде­лал.

1.4. Опыты Ньютона с призмами . Ньютоновская теория возникновения цветов

Великий английский ученый Исаак Ньютон выполнил целый комплекс оптических экспериментов с призмами, подробно описав их в «Оптике», «Новой теории света и цветов», а также в «Лекциях по оптике». Ньютон убедительно доказал ложность представлений о возникновении цветов из смешения темноты и белого света. На основании про­деланных опытов он смог заявить: «Никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вме­сте, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Ньютон показал, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (по Ньютону, «неоднородный»; по со­временной терминологии, «немонохроматический»); основными же являются различные цвета («однород­ные» лучи или, иначе, «монохроматические» лучи). Возникновение цветов в опытах с призмами есть ре­зультат разложения составного (белого) света на основные составляющие (на различные цвета). Это разложение происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Таковы основные выводы, сделанные Ньютоном; они прекрасно согласуются с современными научными представлениями.

Выполненные Ньютоном оптические исследования представляют большой интерес не только с точки зре­ния полученных результатов, но также и с методиче­ской точки зрения. Разработанная Ньютоном мето­дика исследований с призмами (в частности, метод скрещенных призм) пережила века и вошла в арсе­нал современной физики.

Приступая к оптическим исследованиям, Ньютон ставил перед собой задачу «не объяснять свойства света гипотезами, но изложить и доказать их рассуж­дениями и опытами». Проверяя то или иное положе­ние, ученый обычно придумывал и ставил несколько различных опытов. Он подчеркивал, что необходимо использовать разные способы «проверить то же са­мое, ибо испытующему обилие не мешает».

Рассмотрим некоторые наиболее интересные опы­ты Ньютона с призмами и те выводы, к которым при­шел ученый на основании полученных результатов. Большая группа опытов была посвящена проверке соответствия между цветом лучей и степенью их пре­ломляемости (иначе говоря, между цветом и величи­ной показателя преломления). Выделим три таких опыта.

Опыт 1. Прохождение света через скрещенные призмы. Перед отверстием А, пропускающим в затем­ненную комнату узкий пучок солнечных лучей, поме­щают призму с горизонтально ориентированным пре­ломляющим ребром (рис. 4.3,а).

На экране возни­кает вытянутая по вертикали цветная полоска КФ, крайняя нижняя часть которой окрашена в красный цвет, а крайняя верхняя - в фиолетовый. Обведем карандашом контуры полоски на экране. Затем поместим между рассматриваемой призмой я экраном еще одну такую же призму, но при этом преломляю­щее ребро второй призмы должно быть ориентиро­вано вертикально, т. е. перпендикулярно к прелом­ляющему ребру первой призмы. Световой пучок, вы­ходящий из отверстия А, проходит последовательно через две скрещенные призмы. На экране возникает полоска спектра К"Ф", смещенная относительно кон­тура КФ по оси Х. При этом фиолетовый конец поло­ски оказывается смещенным в большей мере, нежели красный, так что полоска спектра выглядит наклонен­ной к вертикали. Ньютон приходит к выводу: если опыт с одиночной призмой позволяет утверждать, что лучам с разной степенью преломляемости соответ­ствуют разные цвета, то опыт со скрещенными призма­ми доказывает также и обратное положение - лучи разного цвета обладают разной степенью преломляе­мости. Действительно, луч, наиболее преломляющийся в первой призме, есть фиолетовый луч; проходя затем через вторую призму, этот фиолетовый луч испыты­вает наибольшее преломление. Обсуждая результаты опыта со скрещенными призмами, Ньютон отмечал: «Из этого опыта следует также, что преломления отдельных лучей протекают по тем же законам, находят­ся ли они в смеси с лучами других родов, как в белом свете, или преломляются порознь или предваритель­ном обращении света в цвета».

На рис. 4.4 представлен еще один вариант опыта со скрещенными призмами: через призмы проходят два одинаковых световых пучка. Оба пучка формируют на экране одинаковые полоски спектра, несмот­ря на то, что в первой призме лучи одного и того же цвета (но из разных пучков) проходят пути разной длины.

Тем самым опровергалось отмеченное выше предположение, что цвет зависит от длины пути луча внутри призмы.

Опыт 3. Прохождение света через систему, со­стоящую из двух призм и отражающего зеркала.

Пучок солнечных лучей, выходя из отвер­стия А, проходит через призму 1 и затем попадает на зеркало 2. Ориентируем зеркало таким образом, чтобы послать на призму 3 только ту часть лучей, которые преломляются в наибольшей степени. Пре­ломившись в призме 3, эти лучи попадают на экран в районе точки В. Затем передвинем зеркало 2, по­местив его теперь так, чтобы оно посылало на призму 3 те лучи, которые преломляются в наименьшей степени (см. штриховое изображение). Испытав преломление в призме 3, эти лучи попадут на экран в районе точки С. Ясно видно, что те лучи, которые преломляются в наибольшей степени в первой приз­ме, будут наиболее сильно преломляться и во второй призме.

Все эти опыты позволили Ньютону сделать уве­ренное заключение: «Опытами доказывается, что лу­чи, различно преломляемые, имеют различные цвета; доказывается и обратное, что лучи, разно окрашен­ные, есть лучи, разно преломляемые».

Далее Ньютон ставит вопрос: «Возможно ли из­менить цвет лучей какого-либо рода в отдельности преломлением?» Выполнив серию тщательно проду­манных опытов, ученый приходит к отрицательному ответу на поставленный вопрос. Рассмотрим один из таких опытов.

Опыт 4. Прохождение света через призмы и эк­раны со щелями

Пучок солнечных лучей разлагается на цвета призмой 1. Через отверстие В в экране, поставленном за призмой, проходит часть лучей некоторого определенного цвета. Эти лучи за­тем проходят через отверстие С во втором экране, после чего попадают на призму 2. Поворачивая приз­му 1, можно при помощи экранов с отверстиями вы­делять из спектра лучи того или иного цвета и иссле­довать их преломление в призме 2. Опыт показал, что преломление в призме 2 не приводит к измене­нию цвета лучей.