Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Две линзы, установленные так, чтобы были видны кольца Ньютона

Он также поигрывал с плоскими стеклышкам», устанавливая плоскопараллельную пластину, а на нее — слегка изогнутую выпуклую линзу. Направляя луч света на поверхность, он наблюдал, как переливаются цветные круги, названные кольцами Ньютона. «В зависимости от плотности контакта между стеклами кольца становились то шире, то уже». Если такое устройство поместить в темной комнате под синий луч, излучаемый призмой, можно видеть чередующиеся темные и светлые круги. Красный луч давал такую же картинку.

К тому времени Гук уже описал явление интерференции в книге «Микрография», но Ньютону удалось намного глубже проникнуть в это явление и сделать так, чтобы оно ассоциировалось с его именем.

Оптические опыты превратились в настоящую его страсть. Он стал экспериментировать даже с собственными глазами: брал палочку с тупым концом, которую называл «шпилькой», и вдавливал ее «между глазом и костью, как можно ближе к боковой части глаза». Нажатие и потирание глазного яблока таким «инструментом» приводило к тому, что он начинал видеть «несколько белых, темных и цветных кругов». Когда он повторил свой эксперимент на свету, почти закрыв глаза, то «появилась большая, широкая, темная с синим отливом полоса» с меньшим по размерам светлым пятном посредине. При более сильном нажатии внутри этого светлого пятна возникал маленький синий кружок. Проведение эксперимента в темноте давало другие результаты: «появлялся круг красноватого цвета», а внутри него — темно-синий круг.

Иногда, нажимая на различные места в области глазной впадины, он получал более тонкое разрешение — видел целый ряд концентрических цветных колец, причем цвета их — от центра наружу — распределялись так: зеленый, синий, пурпурный, темно-пурпурный, синий, зеленый, желтый, красный, как пламя, желтый, зеленый, синий, широкий пурпурный, темный. Глядя на солнце или его отражение, Ньютон отметил, что оно красного цвета, когда же он «входил в темную комнату, то солнце становилось синим».

От физики он незаметно перешел к анатомии. Как ему удалось узнать из книг, в каждом глазу визуальные вибрации проходят через оптические нервы, представляющие собой огромное множество тонких трубочек, а потом достигают мозга. Иссекая ткани вокруг глаз — слава богу, не своих, а глаз различных животных, — он пытался понять механизм формирования изображения в глазу и природу вещества, с помощью которого это осуществляется. «Вода слишком груба для такого деликатного дела», — заключил ученый. Тут он мог бы принять теорию Галена и его сторонников, которые считали, что по нервной системе летают «животные духи», но Ньютон напрочь отверг ее, поставив следующий эксперимент: «…хотя я и привязал кусочек оптического нерва с одной стороны и стал нагревать его посредине, чтобы убедиться, не заявит ли о себе, например, в виде пузырьков хоть какая-нибудь сущность с другого конца, ничего подобного мне наблюдать не удалось — выделилось лишь немного влаги и сердцевина этого нерва».

Если бы все закончилось лишь ожиданием того, что «духи зрения», пузырясь, появятся на кончике зрительной колбочки, то Ньютон бы так и остался еще одним гением XVII века, которому оказалось не по силам разгадать загадку света. Но в разгар исследований его заинтересовало странное поведение призм.

Проведите на листе черной бумаги линию, которая была бы до половины синей, а остальная часть — темно-красной. Призма сделает так, что в месте изменения цвета линия отклонится от первоначального направления. То же самое происходит с синей и красной нитями: они смещаются на определенное расстояние друг от друга. Но почему стекло так по-разному относится к различным цветам?

Однажды, почувствовав особое любопытство, он вырезал небольшое отверстие, диаметром четверть дюйма, в оконном жалюзи. Поставив призму на пути узкого солнечного пучка, он на противоположной стене затемненной комнаты получил весь солнечный спектр.

«Поначалу это было приятным развлечением — рассматривать яркие, живые цвета», — писал он. Синие оттенки, бледнея, переходили в зеленые, затем желтые переходили в оранжевые и красные. Но более важным был не знакомый спектр, а его форма. Она была не круглой, как отверстие в жалюзи или солнечный диск, а продолговатой: тринадцать с четвертью дюймов в длину и два и пять восьмых дюйма в ширину. Такая «диспропорция была настолько экстравагантной, что возбудила во мне далеко не обычное любопытство и острое желание понять причину».

Что-то заставляло цвета распределяться именно таким образом. Ньютон сомневался в искусственном появлении этого явления, он не верил, что это всего лишь совокупное действие случайных причин. Но и такую возможность нельзя было полностью исключать. Он стал менять положение призмы так, чтобы свет проходил через стекло разной толщины, проделывал в шторке отверстия различного размера, выносил призму за пределы комнаты, чтобы свет прошел сначала через нее, а потом через отверстие в шторке. Но результат оставался прежним: цвета во всех этих случаях распределялись одинаково.

Расщепив свет на цвета с помощью одной призмы, он обнаружил, что их можно соединить с помощью второй призмы. Вторая призма разрушала то, что делала первая, и после нее на стене оставался лишь бесцветный кружок света. Значит, это не призмы окрашивали свет — цвета находились внутри самого светового пучка!

Именно множество таких экспериментов позволили ему сделать удивительный вывод. К тому времени, когда он был готов к проведению того, что он назвал Experimentum Cruris (позаимствовав этот термин у Гука), он, скорее всего, уже знал, что обнаружит. Но это не должно отвлекать нас от сути эксперимента. Как и прежде, пучок света из окна проходил через призму и пересекал комнату, но в этом случае цветовой спектр попадал на деревянную панель. В одном конце панели Ньютон просверлил отверстие и, перемещая соответствующим образом призму, сумел по очереди пропускать через отверстие в панели лучи только одного цвета. После этого они попадали на вторую призму и только потом направлялись на стену.

То, что он увидел в тот день, полностью поменяло все тогдашние представления о свете. Начиная с красной части спектра и переходя к синей, каждый цвет отклонялся все больше и больше — эффект, который ему подсказали цветные нити; синие лучи испытывают большее преломление, чем красные. Это объясняло продолговатость спектра. Если бы все цвета отклонялись одинаково, то спектр был бы круглым пятном. Но свет, как сказал Ньютон, «состоит из лучей, преломляющихся по-разному».

Преломление, или рефракция, позволило Ньютону понять, что такое цвет: луч света, способный преломляться совершенно особым способом. «Одинаковые цвета характеризуются одинаковой рефракцией», — писал он. Цвет — это способность преломляться.

Но на этом все не заканчивалось. Как Ньютон ни старался, после выделения ни один из цветов уже не менялся. «Я преломлял его с помощью призм и отражал телами, которые при дневном свете имеют другой цвет; я пропускал его через слой воздуха, находившегося между двумя пластинками стекла, пропускал через цветные среды и через среды, подсвеченные лучами другого цвета; разными способами останавливал этот луч, но ни разу мне не удалось изменить его цвет. Можно было сделать его более или менее насыщенным или путем потери множества лучей заставить стать блеклым или темным, но при этом он никогда не менял свою суть».