Мы приходим к неутешительному выводу, что при определении понятия света нельзя опираться просто на зрительные ощущения. Именно поэтому в течение более чем двух тысяч лет существования науки о свете ясными в ней были только геометрические свойства лучей. Все остальное, исходившее из субъективных зрительных впечатлений, пребывало веками и тысячелетиями загадочным, расплывчатым и неопределенным.
Рис. 3
Диск Бенгэма
Оптика была выведена из этого тупика только в XVII веке Исааком Ньютоном, сумевшим наконец перевести субъективные ощущения яркости и цвета на объективный язык меры, числа и физического закона. В 1665 году Ньютон начал производить опыты над солнечным светом. В этих опытах через круглое отверстие в ставне окна на стеклянную призму падал пучок солнечного света. Пучок преломлялся в призме, и на экране отбрасывалось удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Появление такой радуги – спектра – при прохождении света через призму было известно давно до Ньютона и объяснялось тем, что стекло как-то влияет на белый свет, изменяя его окраску. Ньютон заключил из своих опытов, что это неверно. Белый свет (по Ньютону) – сложный, механическая смесь бесчисленного разнообразия лучей, преломляющихся в стекле в разной степени. Призма не изменяет белого света, а разлагает его на простые составные части, смешав которые можно снова восстановить первоначальную белую окраску. Если выделить простой луч, например красный, из радужного веера призмы и пустить на вторую призму, то нового разложения не произойдет, следовательно, при первом разложении в призме действительно выделено что-то постоянное. Цветность этого постоянного, простого цвета сама по себе, однако, снова ничего не говорит о природе света, она по-прежнему субъективна и относительна. Смешав, например, простой красный цвет с зеленым, получим желтый, похожий на один из простых лучей солнечного спектра; смешав зеленый с фиолетовым, получим синий и т. д. Глаз при этом не в состоянии отличить сложного цвета от простого, для этого нужна призма или вообще спектральный прибор, пространственно разлагающий свет на простые цвета.
Именно это пространственное разделение простых цветов, а не их различная цветность, и дало Ньютону в руки первый объективный и количественный признак света, отвечающий его субъективной цветности. Пространственное разделение простых цветов получается, как показал Ньютон, вследствие их различной преломляемости в призме. Преломляемость можно связать с некоторым вполне определенным числом, показателем преломления. Таким образом, наконец Ньютону удалось вывести учение о цвете из неопределенности и путаницы субъективных впечатлений на прямую и прочную математическую дорогу.
После Ньютона дальнейшее изучение преломления света в разных телах обнаружило, что преломление сильно зависит от вещества, из которого сделана призма. В обыкновенных стеклянных и кварцевых призмах синие лучи преломляются больше красных, как в радуге, но если приготовить очень тонкую призму из твердых красок (например, фуксина), то можно получить спектры совершенно необычного вида, в которых красные лучи преломляются больше синих. Таким образом, показатель преломления оказался сложным признаком, зависящим одновременно от качества света и от качества вещества.
Но тот же Ньютон открыл другое поразительное свойство простых лучей, которое позволяет определять их количественно совершенно независимо от природы вещества. Если положить очковое стекло с очень небольшой выпуклостью на стеклянную пластинку, то при освещении белым светом вокруг точки прикосновения линзы к стеклу появляется ряд концентрических радужных колец. Вместо освещения белым светом Ньютон пробовал осветить линзу со стеклом простыми лучами, полученными от разложения солнечного света призмой. Тогда обнаружилась еще более удивительная картина. Если освещение производится, положим, красным цветом, то вокруг точки прикосновения линзы к стеклу появляются многочисленные правильные чередующиеся концентрические красные и черные кольца. Чем дальше от центрального темного пятна, тем теснее примыкают кольца друг к другу. Измерив радиусы темных колец, Ньютон нашел, что они относятся друг к другу, как корни квадратные из целых четных чисел, т. е. √2: √4: √6: √8.
Рис. 4
Образование колец Ньютона
Если убрать нижнюю стеклянную пластинку и поставить линзу на поверхность, не отражающую света, кольца исчезают. Необходимым условием появления колец, стало быть, как выяснил Ньютон, служит тонкий зазор (рис. 4) между линзой и стеклом. Нетрудно доказать геометрически, что толщины зазора, соответствующие местам светлых и темных колец, относятся, как последовательные целые числа. Наименьший зазор соответствует первому кольцу, остальные будут целыми кратными этой длины. Если освещать линзу и стекло разными простыми цветами, ширина колец будет меняться; для красных лучей кольца самые широкие, для фиолетовых самые узкие. Каждому простому цвету соответствует своя ширина первого зазора. Какие бы линзы мы ни брали, из какого угодно материала, эта ширина остается постоянной для одного и того же цвета. Она меняется только в том случае, если зазор, вместо воздуха, наполнить какой-нибудь жидкостью. При этом ширина колец будет зависеть от показателя преломления жидкости.
Описанные несложные опыты Ньютона с линзой, которые очень нетрудно повторить (они проще даже опытов с призмой), по своим результатам совершенно удивительны. В самом деле, прежде всего они обнаруживают перед нами в световом потоке наличие какой-то правильной периодичности. Не менее поразительно затем, что, в то время как вся поверхность линзы равномерно освещается падающими лучами, в отраженном и в проходящем свете мы видим черные, т. е. не освещенные, кольца.
К объяснению этих явлений мы вернемся позднее. Сейчас важно установить, что каждый простой цвет на основании опыта с ньютоновыми кольцами можно связать с шириной зазора между линзой и стеклом, отвечающего первому темному кольцу. Вместо показателя преломления простой цвет количественно можно определить, следовательно, шириной этого первого зазора (см. рис. 4). Эту ширину мы будем, пока условно, называть длиной волны, обозначая греческой буквой λ. Длины волн видимого света, как показал впервые Ньютон, чрезвычайно малы, их выражают обычно в особых единицах – в миллимикронах (mµ); миллимикрон равен миллионной доле миллиметра. Ньютон измерил, например, что цвету, лежащему на границе зеленой и синей частей солнечного света спектра, соответствует λ = 492 mµ. Крайний красный цвет имеет длину волны приблизительно в 700 mµ, крайний фиолетовый в 400 mµ.
Полезно вдуматься в глубочайшее значение опытов Ньютона. Прихотливая, субъективная область цветовых явлений, в течение тысячелетий ускользавшая от упорядочивающегося стремления ученых, вдруг обнаружила свою количественную сущность и отныне стала вполне подчиненной точному научному анализу.
В то время как Ньютон занимался призматическими цветами и кольцами, в 1675 году астроном Рёмер из астрономических наблюдений впервые определил скорость света и нашел величину, приблизительно равную (с современными поправками) 300 000 км/с. На преодоление пути от Солнца до Земли свету требуется около 8 минут. Оптики древности, основываясь на воззрении о зрительных лучах и считая, что свет идет от глаз к светилу, заключали, что скорость света должна быть необычайно большой. Можно сколь угодно быстро открыть глаза, и мы тотчас же увидим самую удаленную звезду. 300 000 км/с – черепашья скорость по сравнению с этой мнимой скоростью зрительных лучей. Если скорость зрительных лучей такова, то, открыв глаза, мы увидели бы Солнце только через 8 минут.
После Рёмера скорость света измерялась много раз различными способами, астрономическими и земными. В настоящее время она известна с очень большой точностью. Для пространства, в котором нет вещества, она составляет 299 776 км/с. При этом за первые пять цифр можно поручиться полностью, и только последняя, шестая цифра известна недостоверно. Важно отметить, что в пустом пространстве скорость света не зависит от длины волны; она одинакова как для красных, так и для синих лучей. Это доказывается с громадной точностью тем, что при затмении удаленных звезд, например, в случае захода одной из двойных звезд в тень другой, не происходит никакого заметного изменения цвета звезды. Если бы скорость различных простых цветов была хотя бы ничтожно разной, то при таком затмении необходимо происходила бы резкая перемена цвета звезды.
При распространении света в веществе, например в воде или в стекле, скорость его, наоборот, зависит от длины волны; в этом как раз состоит причина разложения света призмой в спектр. Наблюдая на небе радугу, мы воочию убеждаемся, что скорость распространения лучей разной цветности в водяных каплях разная. Определить эту скорость можно, если разделить скорость света в пустом пространстве на показатель преломления. Самый показатель преломления равен отношению скорости света в пустом пространстве к скорости света данной цветности в веществе.
