Работы Ньютона были на время прерваны появлением в Кембридже какой-то эпидемии, заставившей его уехать в свой родной Вульсторп. По возвращении в Кембридж он достал хорошую трехгранную призму и после некоторых попыток придумал следующий опыт: просверлив малое отверстие в оконной ставне, он пропустил сквозь него солнечные лучи и изолировал таким образом пучок лучей в темной комнате; мысль совершенно правильная, потому что при наблюдении массы света явления стушевываются. Это был уже первый шаг к анализу света.
Поставив призму так, что одна из ее граней была почти горизонтальна, и пропустив пучок лучей сквозь боковые грани, Ньютон увидел на противоположной стене продолговатую радужную фигуру, или спектр, который в его опыте имел длину в пять раз больше ширины. Такого отчетливого и прекрасного явления нельзя было получить иначе, как с тонким пучком лучей и в темной комнате, и первое впечатление, испытанное Ньютоном, было чисто эстетического характера. “Чрезвычайно приятное развлечение, – пишет Ньютон, – доставил мне вид этих чистых и ярких цветов”. Физика и даже математика имеют свою художественную сторону.
За эстетическим впечатлением последовал научный анализ явления. По тогдашним теориям все лучи должны были преломиться одинаково; каким же образом цилиндрический пучок лучей, пройдя сквозь призму, дал вместо круглого или чуть-чуть овального вследствие некоторого наклона лучей такое изображение, которое представляло эллипс чрезвычайно вытянутый, похожий скорее на полосу, чем на круг? Очевидно, что лучи, вместо того чтобы оставаться параллельными, сильно разошлись между собой. Но одна геометрия не объясняла дела: надо было искать физического объяснения явления. Не происходит ли оно оттого, что солнечный диск (круг) дает различные лучи, смотря по тому, исходят ли они из середины или с краев диска? Ньютон легко убедился, что это геометрическое объяснение неосновательно. Вычисление показало ему, что солнечный диск, видимый с земли под углом немногим более половины градуса, не мог повлиять на расхождение лучей, составлявшее в его опыте более двух с половиной градусов. “Любопытство побудило меня опять взять призму, – рассказывает Ньютон. – Я стал тогда подозревать, что лучи после прохода сквозь призму искривляются”. Проверив это опытом, он, однако, увидел, что лучи хотя и расходятся, но идут прямолинейно. В этом он легко убедился, изменяя расстояние между доской (экраном), на которой воспринимал спектр, и отверстием в ставне. Оказалось, что длина спектра при двойном удалении экрана увеличивается ровно вдвое и так далее, то есть соответствует законам прямолинейной перспективы; ясно, что лучи вовсе не искривляются.
Разные неосновательные “подозрения” – так называл Ньютон свои гипотезы – навели его наконец на мысль сделать следующий опыт. Подобно тому, как в начале своего анализа он уединил тонкий пучок белых солнечных лучей, так теперь ему пришла на ум мысль уединить часть преломленных лучей. Это был второй и важнейший шаг в деле анализа спектра. Заметив, что в его опыте фиолетовая часть спектра всегда была наверху, ниже синяя и так далее до нижней красной, Ньютон попытался уединить лучи одного какого-нибудь цвета и исследовать их отдельно. Взяв дощечку с весьма малым отверстием, Ньютон приложил ее к той поверхности призмы, которая обращена к экрану, и, прижимая к призме, передвигал то вверх, то вниз, причем без труда достиг уединения одноцветных, например одних красных, лучей, прошедших сквозь малое отверстие в дощечке. Новый, еще более тонкий пучок чисто красных лучей подлежал дальнейшему исследованию. Пропустив красные лучи сквозь вторую призму, Ньютон увидел, что они снова преломляются, но на этот раз все почти одинаково. Ньютон думал даже, что совсем одинаково, то есть считал одноцветные лучи вполне однородными. Повторив опыт над желтыми, фиолетовыми и всеми остальными лучами, он наконец понял главную особенность, отличающую те или иные лучи от лучей другого цвета. Пропуская сквозь одну и ту же призму то одни красные лучи, то одни фиолетовые и так далее, он окончательно убедился, что белый свет состоит из лучей разной преломляемости и что степень преломляемости находится в тесной связи с качеством лучей, именно с их цветом. Оказалось, что красные лучи наименее преломляемы и так далее до наиболее преломляемых – фиолетовых.
Открытие различной преломляемости лучей и составляет капитальный результат анализа, произведенного Ньютоном, результат, подтвержденный всеми позднейшими исследованиями и послуживший исходным пунктом целого ряда научных открытий. Ньютон ошибался в частностях и не мог, конечно, предвидеть всех позднейших выводов. Но ему принадлежит честь основного анализа, доказавшего, что качественные различия лучей зависят от различий, доступных точному количественному измерению, а такое приведение качества к количеству всегда составляет огромный шаг вперед в науке. Дальнейшее развитие идеи Ньютона привело в новейшее время к открытию так называемого спектрального анализа, сделанному гейдельбергскими учеными Бунзеном и Кирхгофом. В самом измерении преломляемости лучей сделаны огромные успехи, да и теория преломления совершенно изменилась благодаря тому, что одержало верх учение о волнообразном движении эфира, которое Ньютон горячо оспаривал.
Ньютон нередко утверждал с большой настойчивостью, что он “не сочиняет гипотез” (“Hypotheses non fingo” – знаменитое изречение, попавшее даже в его “Principia”). Но таково уж свойство человеческого ума, что мысль всегда забегает дальше факта и даже опыт всегда является проверкою какой-нибудь гипотезы.
Самое простое и, по-видимому, естественное представление о свете состоит в том, что свет есть некоторое вещество. Несомненно, что движение частичек светящегося, то есть испускающего лучи тела играет огромную роль в световых явлениях и даже определяет их: помимо горения или других подобных явлений не может быть света; горение того или иного вещества определяет преломляемость, а стало быть, и цвет и другие качественные особенности лучей, исходящих из пламени. Но это влияние вещества на свойства света вовсе еще не доказывает, что свет распространяемся в пространстве посредством истечения весьма малых светящихся частичек, как учит так называемая теория истечения, подробно развитая Ньютоном. При ближайшем рассмотрении эта теория, наоборот, оказывается весьма маловероятною. Чрезвычайно трудно допустить, чтобы даже мельчайшие частицы вещества могли двигаться с такою чудовищною скоростью, какая необходима для объяснения действительной скорости распространения света. Непонятно также, как все эти бесчисленные массы светящихся частиц, совершающих чудовищную пляску, могут давать сколько-нибудь правильные явления. Наконец многие хорошо изученные явления показывают, что гораздо правдоподобнее другая гипотеза, приписывающая передачу света свойствам особой среды. Так, сравнение со звуком напрашивается само собою. Когда, например, звучит камертон, то очевидно, что звук не передается носящимися по воздуху звучащими частичками, отрывающимися от камертона, но передача происходит через воздух. Это доказывает прямой опыт, так как в безвоздушном пространстве дрожание камертона не дает звука. По аналогии можно предположить, что и свет передается при помощи некоторого вещества, еще более упругого и подвижного, чем воздух. Это гипотетическое вещество названо эфиром. Нельзя с уверенностью утверждать, составляет ли эфир нечто совершенно разнородное с обыкновенной материей или только является особым состоянием вещества, отличающимся от газообразного состояния настолько же, насколько это последнее отличается от твердого: пока не будет доказана возможность превращения обыкновенной материи в эфир и обратно, до тех пор более вероятною остается гипотеза двойственности, дуализма материального мира.
