Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light — сборник из трёх книг Исаака Ньютона , опубликованный на английском языке в 1704 году (научный латинский перевод появился в 1706 году). [1] В трактате анализируется фундаментальная природа света посредством преломления света призмами и линзами, дифракции света на близко расположенных листах стекла и поведения цветовых смесей со спектральным светом или пигментными порошками. Opticks была второй крупной работой Ньютона по физической науке и считается одной из трёх крупных работ по оптике во время научной революции (наряду с Astronomiae Pars Optica Иоганна Кеплера иTratise on Light Христиана Гюйгенса ). Имя Ньютона не появилось на титульном листе первого издания Opticks .
Публикация Opticks представляла собой крупный вклад в науку, отличный от Principia , но в некотором смысле соперничающий с ней , однако имя Исаака Ньютона не появилось на титульном листе первого издания. Opticks в значительной степени представляет собой запись экспериментов и выводов , сделанных из них, охватывающую широкий спектр тем в том, что позже стало известно как физическая оптика . [1] То есть эта работа не является геометрическим обсуждением катоптрики или диоптрики , традиционных предметов отражения света зеркалами различной формы и исследования того, как свет «изгибается», проходя из одной среды , такой как воздух, в другую, такую как вода или стекло. Скорее, Opticks является исследованием природы света и цвета и различных явлений дифракции , которые Ньютон называл «изгибом» света.
Ньютон полностью излагает свои эксперименты, впервые представленные Королевскому обществу Лондона в 1672 году, [2] по дисперсии или разделению света на спектр его составных цветов. Он демонстрирует, как появление цвета возникает из-за избирательного поглощения , отражения или пропускания различных составных частей падающего света.
Главное значение работы Ньютона заключается в том, что она опровергла догму, приписываемую Аристотелю или Теофрасту и принятую учеными во времена Ньютона, о том, что «чистый» свет (такой как свет, приписываемый Солнцу) в основе своей белый или бесцветный и превращается в цвет путем смешивания с темнотой, вызванного взаимодействием с материей. Ньютон показал, что верно обратное: свет состоит из различных спектральных оттенков (он описывает семь — красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый), и все цвета, включая белый, образуются различными смесями этих оттенков. Он демонстрирует, что цвет возникает из физического свойства света — каждый оттенок преломляется под характерным углом призмой или линзой — но он ясно заявляет, что цвет — это ощущение внутри ума, а не неотъемлемое свойство материальных объектов или самого света. Например, он демонстрирует, что красно-фиолетовый (маджента) цвет может быть смешан путем наложения красного и фиолетового концов двух спектров, хотя этот цвет не появляется в спектре и, следовательно, не является «цветом света». Соединив красный и фиолетовый концы спектра, он организовал все цвета в виде цветового круга , который как количественно предсказывает цветовые смеси, так и качественно описывает воспринимаемое сходство между оттенками.
Вклад Ньютона в призматическую дисперсию был первым, который описал многопризменные массивы. Многопризменные конфигурации, как расширители пучка, стали центральными для проектирования перестраиваемого лазера более 275 лет спустя и подготовили почву для разработки теории многопризменной дисперсии . [3] [4]
Opticks во многих отношениях отличается от Principia . Впервые она была опубликована на английском языке, а не на латыни, которую использовали европейские философы, что способствовало развитию народной научной литературы. Книги были образцом популярного научного изложения: хотя английский язык Ньютона несколько устарел — он проявляет пристрастие к длинным предложениям с большим количеством встроенных оговорок — книга все еще может быть легко понята современным читателем. Напротив, немногие читатели времен Ньютона считали Principia доступными или даже понятными. Его формальный, но гибкий стиль демонстрирует разговорные выражения и метафорический выбор слов.
В отличие от Principia , Opticks не разрабатывается с использованием геометрической конвенции предложений, доказанных путем вывода из предыдущих предложений, лемм или первых принципов (или аксиом ). Вместо этого аксиомы определяют значение технических терминов или фундаментальных свойств материи и света, а заявленные предложения демонстрируются с помощью конкретных, тщательно описанных экспериментов. Первое предложение Книги I заявляет: « Мой замысел в этой Книге — не объяснять свойства света гипотезами, а предлагать и доказывать их разумом и экспериментами». В Experimentum crucis или «критическом эксперименте» (Книга I, Часть II, Теорема ii) Ньютон показал, что цвет света соответствует его «степени преломляемости» (углу преломления), и что этот угол не может быть изменен дополнительным отражением или преломлением или пропусканием света через цветной фильтр.
Работа представляет собой путеводитель по искусству экспериментатора, демонстрирующий на многих примерах, как использовать наблюдение для предложения фактических обобщений о физическом мире, а затем исключить конкурирующие объяснения с помощью конкретных экспериментальных тестов. В отличие от Principia , которая клялась Non fingo hypotheses или «Я не делаю гипотез» вне дедуктивного метода, Opticks развивает предположения о свете, которые выходят за рамки экспериментальных доказательств: например, что физическое поведение света обусловлено его «корпускулярной» природой как малых частиц , или что воспринимаемые цвета были гармонически пропорциональны, как тона диатонической музыкальной гаммы.
Первоначально Ньютон собирался написать четыре книги, но он отказался от последней книги о действии на расстоянии . [5] Вместо этого он завершил «Оптику» набором неотвеченных вопросов и положительных утверждений, называемых запросами в Книге III. Первый набор вопросов был кратким, но более поздние стали короткими эссе, заполнявшими много страниц. В первом издании было шестнадцать таких вопросов; [5] [6] это число было увеличено до 23 в латинском издании, опубликованном в 1706 году, [5] а затем в пересмотренном английском издании, опубликованном в 1717/18 годах. В четвертом издании 1730 года было 31 вопрос.
Эти вопросы, особенно более поздние, касаются широкого спектра физических явлений, выходящих за рамки темы оптики. Вопросы касаются природы и передачи тепла ; возможной причины гравитации; электрических явлений; природы химического действия ; способа, которым Бог создал материю; надлежащего способа заниматься наукой; и даже этического поведения людей. [6] Эти вопросы на самом деле не являются вопросами в обычном смысле. Эти вопросы почти все сформулированы отрицательно, как риторические вопросы . [6] То есть Ньютон не спрашивает, «является» ли свет «телом» или «может ли быть» им. Вместо этого он заявляет: «Не является ли свет телом?» Стивен Хейлз , убежденный ньютонианец начала восемнадцатого века, заявил, что это был способ Ньютона объяснять «по Quaere ». [6]
Первый вопрос гласит: «Не действуют ли Тела на Свет на расстоянии и своим действием не преломляют ли его Лучи; и не является ли это действие ( caeteris paribus ) наиболее сильным на наименьшем расстоянии?», подозревая о влиянии гравитации на траекторию световых лучей. [7] Этот вопрос предшествовал предсказанию гравитационного линзирования общей теорией относительности Альберта Эйнштейна на два столетия и позже подтвержден экспериментом Эддингтона в 1919 году. [7]
Последний запрос (номер 31) задается вопросом, может ли корпускулярная теория объяснить, как разные вещества реагируют больше на одни вещества, чем на другие, в частности, как aqua fortis (азотная кислота) реагирует больше с каламином , чем с железом . Этот 31-й запрос часто связывали с происхождением концепции сродства в химических реакциях. Различные историки и химики 18-го века, такие как Уильям Каллен и Торберн Бергман , приписывали Ньютону разработку таблиц сродства. [8] [a]
Opticks широко читалась и обсуждалась в Англии и на континенте. Раннее представление работы Королевскому обществу вызвало ожесточенный спор между Ньютоном и Робертом Гуком по поводу «корпускулярной» или корпускулярной теории света , что побудило Ньютона отложить публикацию работы до смерти Гука в 1703 году. На континенте, и во Франции в частности, и Principia , и Opticks изначально были отвергнуты многими натурфилософами, которые продолжали защищать картезианскую натурфилософию и аристотелевскую версию цвета и утверждали, что считают эксперименты Ньютона с призмой трудными для воспроизведения. Действительно, аристотелевская теория фундаментальной природы белого света защищалась в 19 веке, например, немецким писателем Иоганном Вольфгангом фон Гете в его «Теории цветов» 1810 года ( нем . Zur Farbenlehre ).
Ньютоновская наука стала центральным вопросом в нападках, которые вели философы в эпоху Просвещения против естественной философии, основанной на авторитете древнегреческих или римских натуралистов или на дедуктивном рассуждении из первых принципов (метод, пропагандируемый французским философом Рене Декартом ), а не на применении математических рассуждений к опыту или эксперименту. Вольтер популяризировал ньютоновскую науку, включая содержание как Principia , так и Opticks , в своих Elements de la philosophie de Newton (1738), и примерно после 1750 года сочетание экспериментальных методов, представленных Opticks , и математических методов, представленных Principia , были установлены как единая и всеобъемлющая модель ньютоновской науки. Некоторые из главных адептов этой новой философии были такими выдающимися деятелями, как Бенджамин Франклин , Антуан-Лоран Лавуазье и Джеймс Блэк .
После Ньютона многое было изменено. Томас Юнг и Огюстен-Жан Френель показали, что волновая теория Христиана Гюйгенса, описанная в его «Трактате о свете» (1690), может доказать, что цвет является видимым проявлением длины волны света. Наука также постепенно пришла к признанию разницы между восприятием цвета и математизируемой оптикой. Немецкий поэт Гете с его эпической диатрибой « Теория цветов » не смог поколебать ньютоновский фундамент – но «одну брешь Гете все же нашел в броне Ньютона... Ньютон привержен доктрине о том, что рефракция без цвета невозможна. Поэтому он считал, что объективные стекла телескопов должны навсегда остаться несовершенными, ахроматизм и рефракция несовместимы. Этот вывод был доказан Доллондом ». ( Джон Тиндаль , 1880 [9] )
Полные и бесплатные онлайн-издания «Оптики» Ньютона
Аудиокнига Opticks, являющаяся общественным достоянием, на сайте LibriVox