Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Чертеж для experimentum crucis , нарисованный ученым на листе бумаги в ходе своей первой лекции по оптике, показан на рис. 10. Тонкий луч света, проникавший через отверстие в окне, проходил через первую призму и превращался в веер цветов спектра на доске, находившейся на расстоянии десяти футов. Этот радужный веер был продолговатой формы в вертикальном направлении, а цвета в нем были расположены горизонтально, от красного к синему. Всякий, кто когда-либо развлекался с призмами, видел упомянутый эффект, хотя вряд ли кто-либо до Ньютона задумывался о значимости формы. Но затем Ньютон сделал еще более новаторский шаг: он добавил еще одну призму и еще одну доску. Он просверлил отверстие в доске, пропустил сквозь нее часть удлиненной световой полосы на другую призму на противоположной стороне и затем направил эту полосу на вторую доску. Путем вращения первой призмы он смог перемещать удлиненную полосу света вверх и вниз так, чтобы свет различного цвета проходил бы через отверстие и через вторую призму на вторую доску. После чего тщательно анализировал полученный результат.

Рис. 10. Experimentum crucis (рисунок Ньютона из его «Лекций по оптике»)

Ньютон обратил внимание на то, что синий цвет, сильно преломлявшийся первой призмой, столь же сильно преломлялся и второй призмой. Точно таким же образом красный цвет, меньше преломлявшийся первой призмой, так же мало преломлялся и второй. Ученый также заметил, что то, каким образом происходило преломление, не зависело от угла падения луча на поверхность призмы. И Ньютон пришел к заключению, что степень рефракции световых лучей – их «преломляемость» – является характеристикой самих лучей, а не призмы. Лучи сохраняли свою преломляемость, проходя через обе призмы. Призмы никак не видоизменяли световые лучи, а лишь просеивали их в соответствии со степенью преломляемости.

Итак, Ньютон получил ответ на свой первый вопрос. «Форма скакового круга» у радуги, отбрасываемой на стену, объясняется тем, что призма преломляет луч света под влиянием характеристик отдельных входящих в него цветов. Если ось призмы горизонтальна, призма сохраняет ширину луча, но развертывает его вертикально. Концы вертикальной удлиненной формы размыты, так как на самом верху и в самом низу лучей меньше. Ньютон писал: «И как выяснилось, истинная причина длины этого Образа [удлиненная форма] заключается в том, что Свет состоит из Лучей с разной преломляемостью, которые независимо от разницы в их угле падения переносились на различные участки стены в зависимости от степени преломляемости».Но что же было такого решающего в данном эксперименте, одном из сотен, проведенных Ньютоном со сходными результатами? Уверенность в выводах, связанных с этим экспериментом, базировалась не на нем одном, а на всех попытках ученого анализировать свет с помощью призм и линз. Однако Ньютон не видел смысла в том, чтобы его коллеги повторяли его собственный, столь сложный путь исследований. Чтобы дать им верное направление, достаточно было ясного описания одного эксперимента. Поэтому с experimentum crucis связана определенная театральность. Он стал демонстрацией или своеобразным резюме того, что самому Ньютону уже было ясно. Целью данной демонстрации было убедить коллег, поэтому она должна была быть простой, доступной по инструментарию и показывать результат четко и максимально наглядно. Ньютон писал позже одному из тех, кто пытался воспроизвести его эксперименты:

...

«Вместо множества самых разных вариантов попробуйте осуществить один лишь experimentum crucis. Ведь важно не число экспериментов, а их весомость; и там, где достаточно одного, какой смысл во многих?»54