Ісаак Ньютон і його "Оптика"
- Ігор Сальниченко
- 21 черв. 2024 р.
- Читати 5 хв
Оновлено: 9 лют.
Ісаак Ньютон (1642–1727) став символом наукової революції XVII століття завдяки своїм винятковим досягненням у фізиці, математиці та астрономії. Його ім’я асоціюється передусім із грандіозною працею «Математичні начала натуральної філософії» (лат. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, 1687). Проте не меншою мірою на розвиток науки вплинула й інша його робота — «Оптика» (англ. Opticks, 1704), де Ньютон виклав результати своїх багаторічних досліджень природи світла [1]. Ця книга стала одним із найважливіших джерел для вчених, які у XVIII–XIX століттях досліджували оптичні явища. Незважаючи на те, що Ньютон дотримувався корпускулярної (частинкової) теорії світла, саме його методичні експерименти заклали основи для подальшого становлення хвильової оптики та, зрештою, квантової механіки.
Історичний контекст публікації «Оптики»
На час, коли Ньютон почав цікавитися оптичними явищами, у науковому середовищі вже тривали гострі дискусії про природу світла. Деякі мислителі схилялися до думки, що світло є потоком «корпускул», які рухаються від джерела світла назустріч об’єктам, а інші припускали, що це хвиля, яка поширюється подібно до хвиль у воді. Декарт (1596–1650) пропонував механістичні моделі світла, а Роберт Гук (1635–1703) розробляв власні уявлення про його хвильову природу [3]. Саме в цей період Ньютон розпочав експерименти із заломленням білого світла за допомогою призми, прагнучи з’ясувати, чи складається біле світло з кількох елементарних кольорів, чи воно є незалежною «чистою» субстанцією.
Вихід «Оптики» у 1704 році був невипадковим. До цього часу Ньютон уже мав неабиякий авторитет завдяки «Началам», які описували закони руху й гравітації. Проте полеміка довкола природи світла все ще тривала, і вчений прагнув викласти свої експериментальні спостереження, доповнивши їх власними висновками. Опублікувавши «Оптику» англійською мовою, Ньютон зробив її доступнішою для ширшого загалу, а не лише для тих, хто володів латиною [2]. Книга містила не тільки опис дослідів і висновків, а й низку «Запитів» (Queries), де Ньютон висловлював свої гіпотези щодо ефіру та механізмів взаємодії світла з матерією.
Основні аспекти «Оптики»
Ньютонова «Оптика» охоплює широке коло питань, від дослідів з розкладання білого світла до інтерференційних явищ, сьогодні відомих як «кільця Ньютона». Одним із наріжних експериментів цієї книги стали дослідження з призмою. Ньютон вперше показав, що коли біле світло проходить через призму, воно розкладається на безперервний спектр кольорів. Тоді він використав другу призму, щоб знову «змішати» ці кольори і відтворити біле світло. Цей експеримент переконливо доводив, що біле світло є сумішшю всіх видимих кольорів, а не окремою унікальною якістю.
Важливо зауважити, що до Ньютона багато хто вважав, що колір виникає завдяки модифікації або забарвленню білого світла під час проходження через призму чи інший матеріал. Натомість Ньютон, спираючись на серію експериментів, підкреслив, що кожен колір має власний кут заломлення. Саме ця неоднакова здатність «первинних» кольорів до заломлення зумовлює появу кольорового спектра. Такі висновки суперечили багатьом панівним ідеям того часу, тож наукове товариство відреагувало одночасно з цікавістю та скептицизмом, адже ідея, що біле світло складається з різних кольорів, для багатьох була новою та несподіваною.
Окрім дослідження спектра, в «Оптиці» Ньютон описує явища відбиття і заломлення світла, намагаючись узгодити їх із корпускулярним підходом. Він розглядає так звану «інфлексію» (згинання світла біля країв перешкод), що пізніше в науці отримало назву дифракція. Хоча Ньютон не зміг повністю пояснити це явище з позицій корпускулярної теорії, його детальні експерименти стали міцним фундаментом для подальших відкриттів у галузі хвильової оптики, зроблених Томасом Юнгом (1773–1829) і Огюстеном Френелем (1788–1827).
Особливо відомим феноменом, який Ньютон описав у «Оптиці», стали «кільця Ньютона». Це яскраві кільцеподібні структури, що виникають на межі дотику опуклої лінзи з пласкою скляною пластиною. Під час спостереження цих кольорових візерунків учений зробив висновок про те, що існують періодичні явища у відбиванні й пропусканні світла, які залежать від товщини повітряного прошарку між двома поверхнями. Сам Ньютон залишався у межах власної теорії корпускул, пояснюючи це складною взаємодією частинок світла з поверхнею. Водночас пізніше, з позицій хвильової теорії світла, стало зрозуміло, що поява кілець Ньютона спричинена інтерференцією — явищем, коли хвилі накладаються, підсилюючи або послаблюючи одна одну[4].
Внесок Ньютона у розвиток науки
Наукова спадщина Ньютона в оптиці виходить далеко за межі простої констатації фактів. Його комбінований підхід, що включав ретельне спостереження, використання складних приладів (як-от призми та телескопи), а також логічний аналіз отриманих результатів, став визначальним для майбутніх поколінь дослідників. Ньютон першим показав, що експериментальні методи можуть слугувати не лише для підтвердження теорії, а й для формулювання нових законів природи[2].
До того ж, «Оптика» містить численні теоретичні роздуми Ньютона про можливість існування ефіру — всепроникного середовища, в якому нібито поширюються світлові корпускули. Хоча згодом уявлення про ефір зазнало критики та було відкинуте сучасною наукою, сам факт таких гіпотез свідчить про широту мислення Ньютона. Він прагнув об’єднати механістику і світлові явища в єдиній картині світу, використовуючи ту ж саму логіку та методи, що й у «Началах».
Важливо, що багато його ідей згодом стануть точками відліку для інших великих учених. Томас Юнг, спираючись на Ньютона, провів відомий дослід з двома щілинами, довівши хвильову природу світла. Огюстен Френель розвинув математичний апарат для хвильової оптики, пояснюючи дифракцію у деталях. Макс Планк (1858–1947) і Альберт Айнштайн (1879–1955) на початку XX століття заклали основи квантової механіки, продемонструвавши, що світло може поводитися і як хвиля, і як корпускула (фотон). Усі ці дослідження не виникли б на порожньому місці: вони спиралися на систематичні експерименти та методи, які сформулював Ньютон у своїй «Оптиці»[3; 4].
"Оптика" Ньютона та її вплив на сучасну науку
Хоча від часу написання «Оптики» минуло понад три століття, її вплив залишається відчутним у багатьох галузях. Сучасні вчені, які досліджують фотоніку, лазерну техніку та квантову оптику, продовжують користуватися базовими принципами, що їх сформулював Ньютон. Йдеться не лише про трактування спектрального розкладання світла або закономірності відбиття й заломлення, а й про експериментальний підхід, коли кожна гіпотеза має перевірятися ретельними спостереженнями та вимірюваннями.
Крім того, «Оптика» продемонструвала, наскільки плідним може бути метод послідовного дослідного аналізу. Ньютон не просто робив окремі експерименти, а систематизував їх, будував логічні ланцюжки, які вели від спостереження до формулювання нових фізичних законів. Сучасна наука, попри всі технологічні досягнення, усе ще дотримується такої парадигми. Від фізики високих енергій, що вивчає елементарні частинки, до астрофізики, яка досліджує формування галактик, принцип збалансованого підходу — поєднання теоретичних концепцій з експериментальним підтвердженням — залишається незмінним[1; 2].
Таким чином, «Оптика» Ісаака Ньютона не лише закріпила за ним репутацію одного з найвизначніших умів усіх часів, а й сприяла подальшому розвитку фізики світла. Вона надихнула цілу низку науковців XVIII–XX століть на пошуки глибшого розуміння того, чим є світло, як воно поширюється і яким чином взаємодіє з речовиною. Завдяки цій праці людство отримало потужний імпульс до пізнання явищ природи, і навіть сьогодні, у століття високих технологій, все ще залишається актуальною спадщина Ньютона як вченого, котрий умів бачити далі за межі тогочасних уявлень і доводити свої здогади беззаперечними експериментальними фактами.
Джерела:
1. Ньютон І. Opticks: or, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflexions and Colours of Light (1704). London, 1704.
2. Westfall R. S. Never at Rest: A Biography of Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
3. Sabra A. Theories of Light from Descartes to Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1981.
4. Cohen I. B. The Principia: Mathematical Principles of Natural Philosophy and A Guide to Newton’s Principia. Berkeley: University of California Press, 1999.
Comments