Письмо г-на Исаака Ньютона, содержащее новую теорию света и цветов

«Письмо г-на Исаака Ньютона, содержащее новую теорию света и цветов» (англ. A Letter of Mr. Isaac Newton, Professor of the Mathematicks in the University of Cambridge, containing his New Theory about Light and Colors) было оглашено на заседании Лондонского королевского общества 18 [8] февраля 1672 года, а потом опубликовано в «Философских трудах», став печатным дебютом Ньютона. Следующая статья, «Одна гипотеза, объясняющая свойства света, изложенные в нескольких моих статьях» — ответы на критику.

Цитаты

… в начале 1666 года, то есть тогда, когда я был занят шлифовкой оптических стёкол несферической формы, я достал треугольную стеклянную призму и решил испытать с её помощью прославленное явление цветов. С этой целью я затемнил свою комнату и проделал в ставнях небольшое отверстие с тем, чтобы через него мог проходить тонкий луч солнечного света. Я поместил призму у места входа света так, чтобы он мог преломляться к противоположной стене. Сначала вид ярких и живых красок, получавшихся при этом, приятно развлёк меня. Но через некоторое время, заставив себя присмотреться к ним более внимательно, я был удивлён их продолговатой формой; в соответствии с известными законами преломления я ожидал бы увидеть их круглыми. По бокам цвета ограничивались прямыми линиями, а на концах затухание света было настолько постепенным, что было трудно точно определить, какова же их форма; она казалась даже полукруглой. <…> Сравнивая длину этого цветного спектра с его шириной, я выявил, что она примерно в пять раз больше. Диспропорция была столь необычна, что возбудила во мне более чем обычное любопытство, стремление выяснить, что же может быть её причиной. Вряд ли различная толщина стекла или граница света с темнотою могли вызывать подобный световой эффект. И я решил вначале всё же изучить именно эти обстоятельства и попробовал, что произойдёт, если пропускать свет через стёкла различной толщины, или через отверстия различных размеров, или при установлении призмы вне помещения, так, чтобы свет мог преломляться перед тем, как он сужается отверстием. Но я выяснил, что ни одно из этих обстоятельств не является существенным. Картина цветов во всех случаях была той же самой. Тогда я подумал: не могут ли быть причиной расширения цветов какие-либо несовершенства стекла или другие непредвиденные случайности? Чтобы проверить это, я взял другую призму, подобную первой, и разместил её так, что свет, следуя через обе призмы, мог преломляться противоположными путями, причём вторая призма возвращала свет к тому направлению, от которого первая отклоняла его. И таким образом, думал я, обычные эффекты первой призмы будут разрушены другой, а необычные усилятся за счёт многократности преломлений. Оказалось, однако, что луч, рассеиваемый первой призмой в продолговатую форму, второй призмой приводился в круглую настолько чётко, как если бы он вообще ни через что не проходил. Таким образом, какова бы ни была причина удлинения, оно не является следствием случайных неправильностей. Далее я перешёл к более практическому рассмотрению того, что может произвести различие угла падения лучей, идущих от различных частей Солнца <…>. Из опыта и расчётов мне стало очевидно, что различие углов падения лучей, идущих от различных частей Солнца, не может вызвать после их пересечения расхождения на угол заметно больший, чем тот, под которым они ранее сходились <…>. Тогда я стал подозревать, не идут ли лучи после прохождения их через призму криволинейно, и не стремятся ли они в соответствии с их большей или меньшей криволинейностью к различным частям стены. Моё подозрение усилилось, когда я припомнил, что часто видел теннисный мяч, который при косом ударе ракеткой описывает подобную кривую линию. Ибо мячу сообщается при этом как круговое, так и поступательное движения. Та сторона мяча, где оба движения согласуются, должна с большей силой давить и толкать прилежащий воздух, чем другая сторона, и, следовательно, будет возбуждать пропорционально большее сопротивление и реакцию воздуха. И по этой самой причине, если бы лучи света были шарообразными телами и при их наклонном продвижении из одной среды в другую они приобрели бы круговое движение, они должны были бы испытывать большее сопротивление от омывающего их со всех сторон эфира с той стороны, где движения согласуются, и постепенно отгибались бы в другую сторону. Однако, несмотря на всю правдоподобность этого предположения, я при проверке его не наблюдал никакой кривизны лучей. И кроме того, <…> я наблюдал, что различие между длиной изображения и диаметром отверстия, через которое проходил свет, было пропорционально расстоянию между ними. Постепенно устраняя эти подозрения, я пришёл наконец к experimentum crucis, который был таков: я взял две доски и поместил одну из них непосредственно за призмой окна, так что свет мог следовать через небольшое отверстие, проделанное в ней для этой цели, и падать на другую доску, которую я разместил на расстоянии примерно 12 футов, причём в ней также было проделано отверстие с тем, чтобы часть света могла пройти через неё. Затем я разместил за этой второй доской другую призму таким образом, что свет, пройдя через обе эти доски, мог следовать сквозь призму, снова преломляясь в ней, прежде чем он упадёт на стену. Сделав так, я взял первую призму в руку и медленно повёртывал её туда и сюда, примерно вокруг оси, так что разные части изображения, падавшего на вторую доску, могли последовательно проходить через отверстие в ней, и я мог наблюдать, на какое место стены отбрасывает лучи вторая призма. И я увидел посредством изменения этих мест, что свет, стремящийся к тому концу изображения, к которому происходило наибольшее преломление первой призмой, испытывал во второй призме значительно большее преломление, чем свет, направленный к другому концу. И таким образом была открыта истинная причина длины этого изображения, которая не может быть иной, чем то, что свет состоит из лучей различной преломляемости, которые независимо от различия их возникновения падают на различные части стены в соответствии с их степенями преломления.

… in the beginning of the year 1666 (at which time I applied myself to the grinding of optic glasses of other figures than spherical) I procured me a triangular glass prism to try therewith the celebrated phenomena of colours. And in order thereto having darkened my chamber and made a small hole in my window-shuts to let in a convenient quantity of the sun's light, I placed my prism at his entrance that it might be thereby refracted to the opposite wall. It was at first a very pleasing divertissement to view the vivid and intense colours produced thereby; but after a while, applying myself to consider them more circumspectly, I became surprised to see them in an oblong form, which according to the received laws of refraction I expected should have been circular. <…> Comparing the length of this coloured spectrum with its breadth, I found it about five times greater, a disproportion so extravagant that it excited me to a more than ordinary curiosity of examining from whence it might proceed. I could scarce think that the various thickness of the glass or the termination with shadow or darkness could have any influence on light to produce such an effect; yet I thought it not amiss first to examine those circumstances, and so tried what would happen by transmitting light through parts of the glass of divers thicknesses, or through holes in the window of divers bignesses, or by setting the prism without, so that the light might pass through it and be refracted before it was terminated by the hole. But I found none of those circumstances material. The fashion of the colours was in all, these cases the same. Then I suspected whether by any unevenness in the glass or other contingent irregularity these colours might be thus dilated. And to try this, I took another prism like the former and so placed it that the light, passing through them both, might be refracted contrary ways, and so by the latter returned into that course from which the former had diverted it. For by this means I thought the regular effects of the first prism would be destroyed by the second prism but the irregular ones more augmented by the multiplicity of refractions. The event was that the light which by the first prism was diffused into an oblong form was by the second reduced into an orbicular one with as much regularity as when it did not at all pass through them. So that, whatever was the cause of that length, 'twas not any contingent irregularity. I then proceeded to examin more critically, what might be effected by the difference of the incidence of Rays coming from divsers parts of the Sun <…>. By this experiment therefore, as well as by the former computation, it was evident, that the difference of the incidence of rays, flowing from divers parts of the sun, could not make them, after a decussation, diverge at a sensibly greater angle, than that at which they before converged <…>. Then I began to suspect whether the rays, after their trajection through the prism, did not move in curve lines, and according to their more or less curvity tend to divers parts of the wall. And it increased my suspicion, when I remembered that I had often seen a tennis ball, struck with an oblique racket, describe such a curve line. For, a circular as well as a progressive motion being communicated to it by that stroke, its parts on that side, where the motions conspire, must press and beat the contiguous air more violently than on the other, and there excite a reluctancy and reaction of the air proportionably greater. And for the same reason, if the rays of light should possibly be globular bodies, and by their oblique passage out of one medium into another acquire a circulating motion, they ought to feel the greater resistance from the ambient æther, on that side where the motions conspire, and thence be continually bowed to the other. But notwithstanding this plausible ground of suspicion, when I came to examine it, I could observe no such curvity in them. And besides <…> I observed, that the difference between the length of the image and diameter of the hole, through which the light was transmitted, was proportionable to their distance. The gradual removal of these suspicions at length led me to the experimentum crucis, which was this; I took two boards, and placed one of them close behind the prism at the window, so that the light might pass through a small hole made in it for the purpose and fall on the other board, which I placed at about 12 feet distance, having first made a small hole in it also, for some of that incident light to pass through. Then I placed another prism behind this second board so that the light, targeted through both the boards, might pass through that also, and be again refracted before it arrived at the wall. This done, I took the first prism in my hand, and turned it to and fro slowly about its axis, so much as to make the several parts of the image cast on the second board successively pass through the hole in it, that I might observe to what places on the wall the second prism would refract them. And I saw by the variation of those places that the light tending to that end of the image towards which the refraction of the first prism was made did in the second prism suffer a refraction considerably greater than the light tending to the other end. And so the true cause of the length of that image was detected to be no other than that light consists of rays differently refrangible, which, without any respect to a difference in their incidence, were, according to their degrees of refrangibility, transmitted towards divers parts of the wall.

1. Точно так же, как лучи света различаются по степени их преломления, точно так же они различаются и по их склонности проявлять тот или иной частный цвет. Цвета не являются качествами света, происходящими из-за преломлений или отражений в естественных телах (как обычно считают), но суть естественные и прирождённые качества, различные в различных лучах. <…> 2. Одной и той же степени преломляемости всегда соответствует один и тот же цвет, а одному и тому же цвету всегда соответствует одна и та же степень преломляемости. <…> А связь между цветами и преломляемостью очень точна и чётка: лучи либо точно согласуются в обоих отношениях, либо пропорционально в них же не согласуются. 3. Образцы цвета и степень отклонения, свойственные каждому отдельному сорту лучей, не изменяются ни преломлением, ни отражением от естественных тел, ни любой иной причиной, которую я смог наблюдать».

1. As the rays of light differ in degrees of refrangibility, so they also differ in their disposition to exhibit this or that particular colour. Colours are not qualifications of light, derived from refractions or reflections of natural bodies (as 'tis generally believed), but original and connate properties which in divers rays are divers. <…> 2. To the same degree of refrangibility ever belongs the same colour, and to the same colour ever belongs the same degree of refrangibility. <…> And this analogy 'twixt colours and refrangibility is very precise and strict; the rays always either exactly agreeing in both or proportionally disagreeing in both. 3. The species of colour and degree of refrangibility proper to any particular sort of rays is not mutable by refraction nor by reflection from natural bodies nor by any other cause that I could yet observe.

Перевод

С. И. Вавилов

О «Письме» и гипотезах

	… общество полагает, что это очень талантливое исследование весьма подходит, в случае согласия автора, для опубликования, — как с целью более удобного рассмотрения её философами, так и для устранения незначительных недочётов, содержащихся там, так и для защиты автора против возможных неосновательных претензий других лиц.
	— решение Королевского общества 8 февраля 1672

Утверждать, что в луче белого света содержатся все цвета, равносильно тому, что говорить о наличии всех музыкальных тонов в воздухе органных мехов или струнах смычковых инструментов. <…> Все эксперименты и наблюдения, которые я проделал до сих пор, и даже те самые эксперименты, о которых пишет он, мне кажется, доказывают одно: белый свет — это не что иное, как импульс или движение, проникающее через однородную и прозрачную среду, и что цвет — это не что иное, как возмущение этого света при передаче импульса другой прозрачной среде, например, при преломлении, что чернота и белизна есть не то иное, как обилие или недостаток невозмущённых лучей света, и что цвета <…> суть не что иное, как эффект искажённого хода движения, вызванного преломлением. Однако, как бы ни был я убеждён в своей гипотезе (которую я не выдвинул бы без предварительного проведения нескольких сотен экспериментов), я всё же был бы рад получить от господина Ньютона предложение об experimentum crucis, который мог бы отвратить меня от неё. Но то, о чём он пишет, не вызовет поворота в моём понимании, поскольку одно и то же явление может быть объяснено как его гипотезой, так и моей, причём без каких-либо трудностей или особого обучения. Я берусь указать и другие гипотезы, отличные от его и моей, которые будут давать тот же эффект. <…> она — лишь гипотеза; я с максимальной готовностью соглашаюсь с ней в каждой её части и считаю её весьма тонкой, остроумной и способной разрешить все явления цветов, но я могу думать о ней только как о гипотезе, отнюдь не столь определённой, как математическое доказательство.

— Роберт Гук, отзыв, оглашённый на заседании Королевского общества 15 февраля 1672

	… причина цвета может быть и несколько иной, и мне кажется, что он должен быть удовлетворён тем, что его достижения со временем могут стать гипотезой. Кроме того, если бы то, что лучи света в их первоначальном состоянии были некоторые красными, некоторые синими и так далее, было правдой, то было бы очень трудно объяснить на механических принципах, в чём же состоит это различие цветов.
	— Христиан Гюйгенс, письмо Генри Ольденбургу, 1672

Работа Ньютона опровергает все имеющиеся сегодня гипотезы о природе света, однако я не могу понять, как все эти гипотезы могут рухнуть из-за какого-то одного эксперимента с какой-то призмой. <…> Как с помощью столь простого эксперимента могут обрушиться те законы, которые столь просто утвердились в научных сообществах Франции, Англии, Голландии и Италии? — парафраз; Ньютон ответил ему дважды (первое письмо напечатано)

— Игнас Пардис, письмо в «Философские труды», 1672

Я также не понимаю, почему господин Ньютон не хочет согласиться с двумя цветами: жёлтым и синим, поскольку было бы гораздо проще объяснить различия между этими двумя, чем различия в столь широком разнообразии других цветов. С тех пор, как он выдвинул свою гипотезу, он не смог убедительно показать, в чём состоит природа и различие цветов, он показал только, что, конечно, важно, их различные преломляемости.

— Христиан Гюйгенс, письмо Г. Ольденбургу января 1673

Теория двух цветов не может меня удовлетворить, ибо эксперименты показывают, что все другие цвета равноправны с этими двумя и не могут быть получены из красного и синего или жёлтого и синего. <…> Гипотеза двух цветов нисколько не проще, чем многоцветная гипотеза. Никто ведь не удивляется тому, что волны на море или песчинки на берегу обнаруживают бесконечное разнообразие. Почему же корпускулы светящихся тел должны производить только два сорта лучей?

— Ньютон, письмо Гюйгенсу до апреля 1673

[Я сам тридцать лет проводил подобные эксперименты и действительно обнаруживал овалы, о которых писал Ньютон, но истинной причиной является попросту рассеянный свет, который получается или из-за того, что призма была поставлена слишком далеко от отверстия, или же из-за того, что солнце в момент наблюдения было заслонено облаком и высветило соседние облака.] Если бы Ньютон не совершил этих досадных оплошностей, у него получились бы идеальные круги. — в [] парафраз

— Фрэнсис Лин (Линус), письмо в «Философские труды» 6 октября 1674

Сэр, я давно уже решил не заниматься более вопросами усовершенствования философии. И по этой причине я буду настаивать на исключении меня из участия в регулярных философских дискуссиях. <…> Если Вы сочтёте это подходящим, у Вас есть способ избежать позора, навлекаемого на себя Фр. Линусом своими широковещательными заявлениями в печати. Направьте ему пояснение из моего второго ответа Пардису и скажите ему (но не от моего имени), что эксперимент, как и был описан, был проведён в ясные дни и что призма была размещена рядом с отверстием в окне, так что свет не имел возможности рассеиваться, и что цветные изображения получены не параллельно, как в его предложениях, а поперёк оси призмы.

— Ньютон, письмо Г. Ольденбургу 5 декабря 1674

	Я вижу, что сделался рабом философии. Но как только я покончу с делом господина Лукаса, я решительно скажу ей «прощай» навеки, за исключением того, что я буду делать для своего личного удовольствия, или того, что останется для выхода в свет после моей смерти; ибо я вижу, что человек должен решить или не обнародовать ничего нового, или же сделаться рабом, защищающим это новое.
	— Ньютон, письмо Г. Ольденбургу 18 ноября 1676

Может ли один человек заставить другого ввязаться в диспут? Почему я обязан удовлетворять Вас? Кажется, Вы считаете, что и этого недостаточно — бесконечно предоставлять возражения, покуда Вы не сможете убить меня моей неспособностью ответить на все вопросы или же покуда я не стану достаточно нахален, чтобы не доверять Вашему собственному суждению в выборе наилучшего возражения. Откуда Вам известно, что я не считаю их слишком слабыми для того, чтобы требовать ответа и лишь, уступая Вашей настойчивости, собрался ответить на одно или два из лучших возражений? Откуда Вы знаете, какие иные причины, продиктованные благоразумием, могли заставить меня уклоняться от соревнования с Вами? Но я предпочту не объяснять этих вещей подробнее, поскольку не считаю Вас подходящим для дискуссии субъектом и поэтому намекаю Вам на это только в частном письме. <…> Я надеюсь, Вы поймёте, насколько мало я имею желания разъяснять Ваши труды на публике; пожалуйста, имейте это в виду, если хотите иметь со мной дело в будущем… — на самом деле указанные Лукасом недостатки были проницательными

— Ньютон, письмо иезуиту Антуану Лукасу (Antoine Lucas), 1677

Это полнокровное описание <…> является маленьким шедевром нового типа научного исследования, ставшим образцом для многих поколений учёных. <…> На страницах этого краткого мемуара воскресают забытые традиции древних геометров, простота и доказательность Евклида. Каждое предположение тут же сопровождается его экспериментальным изучением. Эксперименты приводят к теоремам, теоремы проверяются опытом, они дают возможность предсказывать будущие явления. <…> Ньютон полностью отказался от физиологического критерия восприятия и оценки цветов. Он связал конкретные цвета с конкретным углом преломления и тем самым превратил их оценку из субъективной в научную. Первичный цвет для Ньютона — это тот, который уже не может быть разложен призмой на другие цвета. Ньютон проводил чёткое различие между физиологическим восприятием цвета и его объективными характеристиками. <…> Эта статья знаменует наступление новой науки — науки нового времени, науки, свободной от беспочвенных гипотез, опирающейся лишь на твёрдо установленные экспериментальные факты и на тесно связанные с ними логические рассуждения. <…> Наука получает дар предвидения. Сейчас <…> трудно оценить сенсационность и необычность этой маленькой статьи Ньютона. Но самые глубокие умы семнадцатого столетия быстро разглядели в небольшом письме «сумасшедшие идеи», приводящие в конце концов к взрыву устоявшихся и привычных представлений, которые, в свою очередь, лишь недавно одержали верх над аристотелевской метафизикой. <…> Бесплодный спор, затянувшийся на долгие годы — спор выживающего из ума профессора с блестящим молодым Ньютоном, втянутым в этот беспредметный спор людьми, желавшими лишь развлечься за счёт других, — не принёс ничего, кроме больших потерь времени и резкого ухудшения характера Ньютона, который стал ещё более подозрителен, скрытен, молчалив и беспощаден к коллегам. Непререкаемым тоном школьного учителя Линус вещал о якобы полученных им важных научных результатах — и говорил об очевидном. Он ничего не слышал из того, что говорили ему, он ничего не читал. Вместо этого он посылал в «Философские труды» всё новые и новые письма, в которых обвинял Ньютона в беспечности, неаккуратности, неточности экспериментов и неправильной интерпретации результатов. Более абсурдные утверждения трудно себе вообразить. К кому-кому, а к Ньютону они никак не могли относиться. Научная ошибка воспринималась им как тяжкий, смертный грех, как измена высшему своему предназначению. <…> Причина столь яростной оппозиции Гука по отношению к статье Ньютона вполне ясна и объяснима: и доктрина Ньютона, и гипотеза Гюйгенса-Гука не могли быть в то время строго доказаны. Корпускулярно-волновой дуализм света — мирное решение споров Гука и Ньютона, принадлежит лишь двадцатому веку. И Гук, и Ньютон были каждый по-своему правы. Но вот оно — отличие таланта от гения: если Гук насмерть стоял на своей волновой гипотезе, то Ньютон признавал и корпускулярную и волновую, надеясь даже создать компромиссную теорию.

— Владимир Карцев, «Ньютон»