Что общего между Ньютоном и радугой

На склоне лет сэр Исаак Ньютон вспоминал тот день, когда он купил самую обычную стеклянную призму на ярмарке в Стоурбридже. Это произошло в августе 1665 года.
Он уже задолго до этого интересовался взаимодействием света со стеклом, а также происхождением цветного света. Эксперименты, которые он проводил с этой призмой, стали основой для наших современных знаний о преломлении света, для создания телескопов-рефракторов и позволили понять, почему образуется радуга. Итогом работы великого физика в области оптики и изучения света стала публикация в 1704 году его второй великой книги «Оптика».
Ньютон совершил много глубоких и сложных открытий. Он был очень разносторонним человеком. Один из величайших математиков всех времен и народов и также талантливый экспериментатор, который не только с нуля собирал высокоточные приборы, в частности телескоп-рефлектор, но даже сам изготавливал для этого инструменты, он был первой научной звездой в Англии, украшением своей эпохи, а королева Анна наградила его рыцарским званием «за политические заслуги». Чтобы читать книги Ньютона, требовалось хорошо разбираться в математике, но говорить о них любили все, в результате Ньютон не раз подвергался едкой сатире в бульварной прессе.
Страница из книги Ньютона «Оптика» (1704), на которой демонстрируется путь светового луча при появлении радуги, а также объясняется преломление света, проходящего через призмы и линзу

Он был суровым и отчужденным, самоуверенным и несдержанным в спорах. Во второй части своей научной карьеры Ньютон стал председателем Королевского общества и управляющим Королевского монетного двора. Работая в монетном дворе, он ввел ряд важных инноваций, в частности придумал чеканить надпись по краю монеты. Если злоумышленники пытались сточить серебро с краев монеты, такая надпись повреждалась, и мошенничество сразу же обнаруживалось. Когда Ньютон начал работу в монетном дворе, он испытывал огромное давление. В стране не хватало денег, существовала угроза войны с Францией, и нечем было платить солдатам. «Обрезчики» постоянно воровали серебро, стачивая его с краев монет, а затем продавая. Были утверждены новые правила отливки монет, но французские агенты всеми силами старались саботировать процесс. Монетный двор, в те времена находившийся на территории лондонского Тауэра, представлял собой гремучую смесь чеканщиков и военных.

Зарисовка Ньютона: его лаборатория и оптическая установка. Свет попадает в комнату через маленькое отверстие, просверленное в ставне окна справа, и проходит либо только сквозь линзу, фокусируясь на маленьком участке доски, стоящей слева, либо сразу и через линзу, и через призму. Свет, проходящий через призму, образует цветовой спектр в верхней части доски.

Ньютон проделал маленькие дырочки и в самой доске, так что сквозь каждое из этих отверстий проходит только преломленный свет. Затем каждый отдельный цветной луч пропускается через вторую призму, стоящую за доской. Таким образом, Ньютону удалось показать, что прямые лучи света искривляются, проходя через призму, но после второго преломления цвета радужных лучей уже не меняются. В верхнем углу рукой Ньютона написано: Nec variant luxfracta colorem, что означает «Преломленный свет уже не изменяет цвета»Все подозревали друг друга и старались усилить собственные позиции. Не обходилось без происшествий. Неудивительно, что Ньютон опасался жить в апартаментах, отведенных ему на территории монетного двора, и снял жилье на улице Джермин-Стрит. В итоге ученый спас положение, успешно организовав чеканку новых монет и расстроив планы мошенников.
Вероятно, именно потому, что большая часть работ Ньютона очень сложна с математической точки зрения, наиболее известны и популярны те его труды, которые связаны с изучением света и появились благодаря все той же призме. В отличие от работ, посвященных движению и силе тяжести, работы по оптике Ньютон издавал не на латыни, а на английском языке. С точки зрения дилетанта, да и на взгляд многих ученых, в Ньютоне было что-то мистическое. Веками считалось, что знания о мире можно приобретать, лишь изучая древнегреческих философов, в частности Аристотеля, стоявшего у истоков натуральной философии. Понимание того, как устроен мир, основывалось на лингвистических навыках, ученой интерпретации и уважении к античным авторитетам. Но работы Ньютона служили примером новой экспериментальной философии. Для понимания мира не обязательно читать старые книги. Можно экспериментировать, выдвигать гипотезы и самостоятельно их проверять. Ньютон умел все это делать лучше, чем кто-либо другой, и часто ставил опыты с помощью самых обыденных предметов. Кто мог бы подумать, что понять природу света поможет самая обычная стеклянная призма, которую можно купить на рынке? И, что важнее всего, любой из нас может хоть сейчас найти призму и самостоятельно повторить эксперимент Ньютона. Это была общедоступная наука в лучшем ее проявлении.
До Ньютона считалось, что свет обычно белый, но в него можно добавлять цвета. Ньютон продемонстрировал, что белый свет – это как раз смесь различного цветного света. Эту смесь он впервые назвал спектром в 1671 году. Свет, имеющий различные цвета, искривляется (преломляется) под разными углами, если проходит через стеклянную призму и вновь попадает в воздух. Поэтому белый свет распадается на красочную гамму – спектр, состоящий из красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового цветов. Любой школьник знает соответствующую мнемоническую фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
С помощью второй призмы Ньютону удалось отразить преломленный свет обратно и на этот раз уже собрать весь спектр воедино, восстановив «исходный» белый свет. Эксперимент помог ему понять, почему изображения, видимые через телескопы-рефракторы, распадались на отдельные цвета (это явление называется хроматической аберрацией). И хотя Ньютон не сумел полностью избавиться от такой аберрации, эти данные помогли ему сконструировать телескоп-рефлектор, в котором для увеличения видимых объектов использовались зеркала, а не линзы, и, следовательно, аберрации не возникало. Сегодня все крупные астрономические телескопы работают на основании идей Ньютона. Однако его современников наиболее впечатлило то, что Ньютон смог объяснить природу радуги. Некоторые, например поэт Джон Ките, видели в этом развенчание какой-то части магии и волшебства, присутствующих в мире. По словам Китса, наука расплела радугу, разложив ее на составные части.
Ньютон доказал, что при преломлении света в капельках воды образуется радуга, состоящая из семи цветов спектра. Такой же эффект, маленькую радугу, может давать свет, проходящий через струи водопада. Если бы капли водопада были совсем маленькими, как, например, в тумане, радуга получилась бы практически белой, и этот феномен очень точно изображен на знаменитой картине Тернера «Озеро Баттермир с радугой и ливнем» (1798).
Капли воды имеют почти сферическую форму. Солнечный свет преломляется водой, а затем отражается от противоположной стороны капли, после чего снова преломляется и попадает обратно в воздух, причем интенсивность света, прошедшего таким образом через каплю, максимальна в направлении под утлом около 42 градусов к направлению входящего луча.
Рассеянные цвета фокусируются в точке, расположенной внутри капли, поэтому лучи спектра пересекаются друг с другом перед тем, как попасть в воздух, и радуга образуется в небе напротив солнца, где ее легко увидеть. Именно поэтому, несмотря на то что при преломлении наиболее сильно искривляются волны голубого цвета, ближе всего к небу находится красная полоса радуги. Если солнце находится в небе под углом выше 42 градусов, радугу нельзя увидеть с земли, поскольку она находится ниже горизонта. Вся дуга радуги занимает 84 градуса окружности неба, и чтобы хорошо ее сфотографировать, нужен широкоугольный объектив.

Образование радуги при преломлении света в водяных каплях. Радугу в небе можно увидеть лишь в случае, если солнце находится над горизонтом ниже 42 градусов

История семи цветов радуги также очень интересна. На самом деле белый свет состоит из волн любой длины (то есть из всех возможных цветов). Ньютон выбрал те цвета спектра, которые наиболее заметны глазу. На желто-оранжевом конце спектра выбор очевиден, но на голубом конце совсем не так просто отделить голубой от синего и фиолетового. Многие цвета радуги по-разному выглядят при изменении яркости света. При низкой интенсивности света желто-оранжевая часть радуги кажется коричневой. Существование синего цвета всегда было спорным. На самом деле не существует четкого отличия между синим и голубым (однако если вы видели настоящие синие джинсы, то можете поспорить с автором). Часто высказывается точка зрения, что Ньютон желал разделить спектр именно на семь цветов по причинам, связанным с религиозной символикой или с пифагорейской гармонией. Безобидный синий цвет как раз довел их количество до семи.
В наши дни разложение белого света на составляющие его цвета спектра с помощью обычной призмы стало символом ньютоновского анализа мира. Этот опыт лег в основу разработки теории света и всех ее сложных законов, в частности утверждения о том, что свет одновременно проявляет и свойства волны, и свойства потока частиц. Ньютон действительно расплел радугу, но те цвета, которые он получил в результате, сплетаются в еще более фантастические красочные полотна.