Experimentul lui Isaac Newton cu prisma, pentru spectrul luminii

Tuturor ne plac curcubeele, dar de unde vin acele culori uimitoare? Majoritatea oamenilor înțeleg că picăturile de ploaie împart lumina soarelui (lumina „albă”) în culorile sale componente, curbând sau refractând diferite lungimi de undă în măsuri diferite (albastrul este curbat mai mult decât roșu, deci este întotdeauna în interior), dar dacă ați fi trăit înainte de 1672 nu ați fi știut răspunsul. Experimentul clasic care a arătat cum lumina obișnuită este alcătuită din lumină de diferite culori, a fost realizat de omul de știință englez Isaac Newton, fără îndoială unul dintre cei mai mari oameni de știință care au trăit vreodată. A lăsat să cadă lumina soarelui de la fereastră pe o pană de sticlă în formă de triunghi (o prismă) și divizând astfel lumina în culorile azi cunoscute.

Știinâa de la acea vreme susținea că lumina albă este cea mai pură formă (Aristotel, din nou) și că, prin urmare, lumina colorată trebuie să fi fost modificată cumva. Pentru a testa această ipoteză, Newton a trecut un fascicul de lumină solară printr-o prismă de sticlă și a arătat că se descompune într-un spectru afișat pe perete. Oamenii știau deja despre curcubee, desigur, dar erau considerate doar niște aberații frumoase. De fapt, a concluzionat Newton, aceste culori – roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo, violet, și nuanțele dintre ele – erau fundamentale. Ceea ce părea simplu la suprafață, un fascicul de lumină albă, era, dacă cineva studia mai profund, frumos și complex.

Opticks

(Prima ediție, 1704, a cărții Opticks: sau, un tratat al reflexelor, refracțiilor, inflexiunilor și culorilor luminii.)

Opticks: sau, un tratat al reflexelor, refracțiilor, inflexiunilor și culorilor luminii este o carte a filosofului naturalist englez Isaac Newton, care a fost publicată în limba engleză în 1704. (O traducere științifică latină a apărut în 1706.) Cartea analizează natura fundamentală a luminii prin refracția luminii în prisme și lentile, difracția luminii prin foi de sticlă foarte distanțate și comportamentul amestecurilor de culori cu lumini spectrale sau pulberi de pigmenți. Este considerată una dintre marile opere de știință din istorie. Opticks a fost a doua carte importantă a lui Newton despre știința fizică. Numele lui Newton nu a apărut pe pagina de titlu a primei ediții Opticks.

Publicarea cărții a reprezentat o contribuție majoră la știință, diferită de, dar într-un fel, rivalizând cu, Principia. Opticks este în mare măsură o dare de seamă a experimentelor și a deducțiilor făcute din acestea, acoperind o gamă largă de subiecte în ceea ce urma să fie cunoscut ulterior ca optica fizică. Respectiv, această lucrare nu este o discuție geometrică despre catoptrică sau dioptrică, subiectele tradiționale ale reflectării luminii prin oglinzi de diferite forme, și explorarea modului în care lumina este „curbată” pe măsură ce trece dintr-un mediu, cum ar fi aerul, în altul, precum apa sau sticla. Mai degrabă, Opticks este un studiu al naturii luminii și culorii și al diferitelor fenomene de difracție, pe care Newton le-a numit „inflexiunea” luminii.

În această carte, Newton prezintă pe deplin experimentele sale, raportate pentru prima dată Societății Regale din Londra în 1672, despre dispersie sau separarea luminii într-un spectru al culorilor sale componente. El demonstrează modul în care apariția culorii apare din absorbția selectivă, reflectarea sau transmiterea diferitelor părți componente ale luminii incidente.

Semnificația majoră a operei lui Newton este că a răsturnat dogma, atribuită lui Aristotel sau Teofrast și acceptată de cărturari în timpul lui Newton, că lumina „pură” (cum ar fi lumina atribuită Soarelui) este fundamental albă sau incoloră și este modificată în culoare prin amestec cu întuneric cauzat de interacțiunile cu materia. Newton a arătat că opusul este adevărat: lumina este compusă din diferite nuanțe spectrale (el descrie șapte – roșu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo și violet) și toate culorile, inclusiv albul, sunt formate din diverse amestecuri ale acestor nuanțe . El demonstrează că culoarea provine dintr-o proprietate fizică a luminii – fiecare nuanță este refractată la un unghi caracteristic de o prismă sau lentilă – dar afirmă clar că culoarea este o senzație în minte și nu o proprietate inerentă a obiectelor materiale sau a luminii în sine . De exemplu, el demonstrează că o culoare roșie-violet (magenta) poate fi amestecată prin suprapunerea culorilor roșu și violet a două spectre, deși această culoare nu apare în spectru și, prin urmare, nu este o „culoare a luminii”. Prin conectarea extremelor roșu și violet ale spectrului, el a organizat toate culorile ca un cerc de culoare care prezice cantitativ amestecuri de culori și descrie calitativ similitudinea percepută între nuanțe.

Contribuția lui Newton la dispersia prismatică a fost prima care a schițat matrice de prisme multiple. Configurațiile cu prismă multiplă, ca extensoare de fascicul, au devenit centrale în proiectarea laserului reglabil mai mult de 275 de ani mai târziu, și au pregătit scena dezvoltării teoriei dispersiei cu prisme multiple.

Experimente

(Replica celui de-al doilea telescop reflectorizant al lui Newton, pe care l-a prezentat Societății Regale în 1672. )

În 1666, Newton a observat că spectrul de culori care iese dintr-o prismă în poziția de deviere minimă este alungit, chiar și atunci când raza de lumină care intră în prismă este circulară, adică prisma refractează diferite culori prin unghiuri diferite. Acest lucru l-a determinat să concluzioneze că culoarea este o proprietate intrinsecă luminii – un punct care fusese, până atunci, o chestiune de dezbatere.

Din 1670 până în 1672, Newton a ținut prelegeri despre optică. În această perioadă a investigat refracția luminii, demonstrând că spectrul multicolor produs de o prismă ar putea fi recompus în lumină albă de către un obiectiv și o a doua prismă. Oamenii de știință din acea vreme au afirmat că analiza și resinteza lui Newton a luminii albe se datorează alchimiei corpusculare.

El a arătat că lumina colorată nu își schimbă proprietățile separând un fascicul colorat și trimițându-l pe diferite obiecte și că, indiferent dacă este reflectată, împrăștiată sau transmisă, lumina păstrează aceeași culoare. Astfel, el a observat că culoarea este rezultatul interacțiunii obiectelor cu lumina deja colorată, mai degrabă decât a obiectelor care generează singure culoarea. Aceasta este cunoscută ca teoria culorii lui Newton.

(Ilustrația unei prisme dispersive care separă lumina albă în culorile spectrului, așa cum a fost descoperită de Newton. )

Din aceste studii, el a concluzionat că obiectivul oricărui telescop refractar va avea de suferit din cauza dispersiei luminii în culori (aberație cromatică). Ca o dovadă a conceptului, el a construit un telescop folosind oglinzi reflectorizante în locul lentilelor ca obiectiv pentru a evita această problemă. Construirea primului telescop reflector funcțional cunoscut, cunoscut astăzi sub numele de telescop newtonian, a presupus rezolvarea problemei unui material oglindă adecvat și a unei tehnici de modelare. Newton și-a construit propriile oglinzi pe o compoziție personalizată din speculum foarte reflexiv, folosind inelele lui Newton pentru a analiza calitatea opticii pentru telescoapele sale. La sfârșitul anului 1668, a reușit să producă acest prim telescop reflectorizant. Avea o lungime de aproximativ opt centimetri și oferea o imagine mai clară și mai mare. În 1671, Societatea Regală a cerut o demonstrație a telescopului său reflectorizant. Interesul lor l-a încurajat să-și publice notele în Despre culori, pe care ulterior le-a extins în lucrarea Opticks. Când Robert Hooke a criticat unele dintre ideile lui Newton, Newton a fost atât de ofensat încât s-a retras din dezbaterea publică.

Newton a susținut că lumina este compusă din particule sau corpusculi, care au fost refractați prin accelerarea într-un mediu mai dens. El s-a apropiat de undele sonore pentru a explica modelul repetat de reflecție și transmisie prin filme subțiri, dar și-a păstrat teoria „potrivirilor” care dispuneau corpusculii pentru a fi reflectați sau transmiși. Cu toate acestea, fizicienii de mai târziu au favorizat o explicație pur de undă a luminii pentru a explica modelele de interferență și fenomenul general al difracției. Mecanica cuantică de astăzi, fotonii și ideea dualității undă-particulă au doar o asemănare minoră cu înțelegerea de către Newton a luminii.

În 1704, Newton a publicat Opticks, în care și-a expus teoria corpusculară a luminii. El a considerat că lumina este alcătuită din corpuscule extrem de subtile, că materia obișnuită era alcătuită din corpusculi mai mari, și a speculat că printr-un fel de transmutație alchimică „corpurile brute și lumina nu sunt convertibile unul în altul … și poate că nu corpurile sunt cele care primesc mult din activitatea lor de la Particulele de lumină care intră în compoziția lor?”

În cartea sa Opticks, Newton a fost primul care a prezentat o diagramă folosind o prismă ca extensor de fascicul și, de asemenea, utilizarea matricelor cu prisme multiple. La aproximativ 278 de ani de la analiza lui Newton, dispozitivele de extindere a fasciculului cu prismă multiplă au devenit esențiale pentru dezvoltarea laserelor tunabile cu lățime îngustă. De asemenea, utilizarea acestor expansoare de fascicule prismatice a condus la teoria dispersiei cu prisme multiple.