NAJDZIWNIEJSZE ODKRYCIE

Barwy ze słońca są. A ono nie ma

Żadnej osobnej barwy, bo ma wszystkie.

Cz. Miłosz

 

 

Newton wcześnie zainteresował się optyką, pierwsze notatki z lektur i eksperymenty zawarte są już w Quaestiones quedam philosophiae. Jednym ze źródeł informacji była tu książka Charletona, kró­lew­skiego lekarza i ucznia Wilkinsa, Physiologia Epicuro-Gassendo-Charletoniana, będąca – jak wskazuje to sam tytuł – niezbyt oryginalną kompilacją idei Gassendiego i staro­żytnych epikurejczyków. Przeczytał również nową książkę Boyle'a Experiments & Considerations Touching Colours, 1664 (Eksperymenty i konsyderacje dotyczące kolorów). Czytał też optyczne traktaty Kartezjusza oraz inną nowość: Micrographia, 1665 (Mikrografia) Hooke'a. Samuel Pepys 2 stycznia 1665 roku zanotował w swym dzienniku: „Do mojego księgarza, gdziem widział Hooke'a książkę o mikroskopie tak piękną, żem ją natychmiast zamówił dla siebie”. W swej książce Hooke opisuje i rysuje zadziwiający świat widoczny pod mikroskopem, znajdując miejsce dla widoków tak różnych, jak tęczowe barwy w cienkich płytkach „moskiewskiego szkła” (tj. miki), budowa złożonego oka owada czy komórki w kawałku korka.

Poglądy Kartezjusza na temat światła nie trafiały Newtonowi do przekonania: jeśli światło jest ciśnieniem, to tak samo dobrze powinniśmy widzieć w dzień i w nocy, a Księżyc nie mógłby nigdy zas­łonić Słońca, jak dzieje się to podczas zaćmień. Nie wierzył rów­nież, że barwy powstają z mieszania się bieli i czerni, jak przyjmowano tradycyjnie od starożytności: zadrukowana kartka powinna z daleka wydawać się barwna.

Od samego początku Newton uważał, że światło jest zbiorem cząstek, a nie ciśnieniem czy pewnym zaburzeniem rozchodzącym się w ośrodku. Jeśli tak, to cząstki wolniejsze (albo na przykład mniejsze) powinny być silniej załamywane na granicy dwóch oś­rodków niż cząstki szybsze (albo większe) – różne rodzaje światła powinny mieć różne wartości współczynnika załamania. Różne rodza­je cząstek świetlnych odpowiadałyby też za różne wrażenia barwne. Z mieszania się na siatkówce oka światła wszystkich rodzajów powstawałoby wrażenie bieli lub szarości. Doświadczenia, jakie zaczął prowadzić, od początku interpretowane były w języku rozmaitych cząstek świetlnych.

Ryc. 5 Dwubarwna nitka widziana przez pryzmat

Aby zrozumieć, jak załamują się cząstki świetlne odpowiadające różnym barwom, Newton obserwował przez szklany pryzmat granice dwóch obszarów o różnych barwach. W zależności od rodzaju sąsiadujących barw obserwuje się w pryzmacie różne układy kolorów blisko linii granicznej. Newton starannie zanotował wyniki dla różnych zestawów barwnych par. Dobitniejszą wersją tego eksperymentu było spojrzenie przez pryzmat na nitkę, której jedna połowa była czerwona, a druga niebieska. Nitka oglądana przez pryzmat wydaje się rozszczepiona na dwie części (ryc. 5). Dzieje się tak, ponieważ światło biegnące z niebieskiej części nitki załamuje się sil­niej niż czerwone i wpada do oka pod innym kątem. Doświadczenie potwierdzało zatem, że różne barwy światła są związane z różnym współczynnikiem załamania. Pryzmat, pozwa­lający rozdzielać światło na składowe o różnym współczynniku załamania, stał się odtąd podstawowym przyrządem w doświad­czeniach Newtona. Pryzmat taki był wtedy powszechnie znaną zabawką optyczną, dostępną nawet na większym jarmarku. Newton zaczął od doświadczeń z jednym pryzmatem, choć sprawdzenie niektórych z jego prze­wi­dywań wymagało dwu pryzmatów. Możliwe, że początkowo nie miał drugiego pryzmatu – mogło to być w okresie epidemii i pobytu na wsi.

Dokładna chronologia prac optycznych Newtona jest trudna do ustalenia. Prawdopodobnie w czasie epidemii – w swym Annus mirabilis – wykonał jedynie najprostsze z doświadczeń potwier­dzających koncepcję cząstek światła różniących się jednocześnie stopniem załamania i barwą („miałem teorię barw”). Większa część ogromnej i pedantycznie dokładnej pracy eksperymentalnej wyko­nana została zapewne już po powrocie do Cambridge: w latach 1667 i 1668. W roku 1670 Newton omawiał osiągnięte wyniki na swych wykładach. Rękopisy tych wykładów złożone zostały zgodnie ze statutami w bibliotece (czego później nie przestrzegał już tak skrupulatnie) i stanowią pierwszy, nie opublikowany za życia autora, traktat dotyczący nowych idei. Pierwszą publikacją na temat op­ty­ki stał się natomiast list Newtona w 1672 roku do sekretarza Towarzystwa Królewskiego Henry’ego Oldenburga. List został odczytany na jednym z posiedzeń i wydrukowany w czaso­piśmie Towarzystwa „Philosophical Transactions” jako New Theory about Light and Colours (Nowa teoria światła i barw). Praca Newtona była pier­wszym wielkim odkryciem naukowym opubli­ko­wa­nym w formie artykułu na łamach specjalistycznego czasopisma.

Newton pisze w nim o swoich doświadczeniach sprzed kilku lat:

sprawiłem sobie trójkątny pryzmat, by zbadać za jego pomocą sławne zjawiska kolorów. I w tym celu, po zaciemnieniu mego pokoju i zro­bieniu małego otworu w okiennicy, aby wpuścić stosowną ilość światła słonecznego, umieściłem pryzmat w miej­scu, gdzie wchodziło światło, tak aby było ono przezeń załamy­wane na przeciwległą ścianę. Z początku było przyjemną dystrak­cją oglądać wytworzone [przez pryzmat] żywe i intensywne kolory, lecz po chwili przykładając się pilniej do ich rozważenia zdumia­łem się widząc ich kształt podłużnym, gdy wedle przyjętych praw załamania spodziewałem się [kształtu] kolistego [50].

Zaciemniony pokój z niewielkim otworem w okiennicy funkcjo­nował w tym doświadczeniu jak camera obscura – ulubiony przyrząd współczesnych Newtonowi malarzy, pozwalający wiernie odtworzyć oglądany widok. Obraz słońca wytworzony na ekranie pro­s­to­padłym do biegu promieni powinien więc być okrągły jak samo słońce. Pryzmat zmieniał kierunek biegu promieni, lecz obraz nadal powinien być niemal idealnie kolisty, gdyby tylko światło słoneczne załamywało się ściśle według prawa Snella (w swoich wykładach Newton ściśle to wykazał). Tymczasem opisywany przez Newtona obraz miał długość około pięciokrotnie większą od szerokości (ryc. 6); albo zatem nie obowiązywało prawo załamania, albo światło składało się z promieni o różnym współczynniku załamania.

Ryc. 6 Obraz słońca wytwarzany przez pryzmat

Sam opis eksperymentu jest raczej literacką syntezą niż historycz­nym sprawozdaniem. Newton nie zaczął swych prac optycznych od tego właśnie doświadczenia i w dodatku niemal od początku dys­po­nował teorią pozwalającą wyjaśnić, dlaczego obraz słońca jest wydłużony. Robocze notatki świadczą jednak, że zdumienie począt­kującego eksperymentatora było autentyczne.

Wydłużenie obrazu domagało się wyjaśnienia. Newton pokazał, że jego źródłem nie są używane przez niego wąskie otwory w okien­­nicach, ponieważ taki sam obraz otrzymuje się i wtedy, gdy pryz­­mat jest ustawiony po drugiej stronie otworu. Oznacza to, że dla obserwowanego zjawiska nie ma znaczenia istnienie granicy świa­tła i cienia – odgrywającej zasadniczą rolę w objaśnieniach Kartezjusza. Podobnie nieistotna jest grubość szkła, przez które prze­chodzą promienie. Zjawisko nie pochodziło również z przy­pad­kowych niedoskonałości pryzmatu, ponieważ drugi podobny pryz­mat, lecz odwrotnie ustawiony, dokładnie kompensował rozsz­czepienie uzyskane przez pierwszy pryzmat. Sprawdził również, iż promienie załamane w pryzmacie po wyjściu z niego nadal biegną po liniach prostych. Gdyby barwa wiązała się z ruchem obrotowym cząstek, jak chciał Kartezjusz, mogłyby one jak „piłka tenisowa ude­rzo­na ukośnie rakietą” zakreślać linie krzywe. Doświadczenie wy­klu­czyło taką możliwość.

Wykluczając różne przyczyny rozszczepienia światła przez pryzmat Newton chciał pokazać, że podłużny kształt obrazu słońca nie jest wytworem przypadkowych okoliczności, lecz przeciwnie – jest prawidłowością, która domaga się wyjaśnienia na gruncie praw optyki. Skrajne promienie światła padającego na pryzmat tworzyły kąt 31' (kątowa średnica Słońca), skrajne zaś promienie wychodzące z pryzmatu, jakby wbrew prawu załamania, tworzyły kąt 2^o 49'.

Ryc. 7 Newtonowskie experimentum crucis

Oczywiście Newton znał przyczynę powstania takiego właśnie obrazu: każdy rodzaj promieni ma inny współczynnik załamania i tworzy oddzielny obraz kolisty, a to, co obserwujemy, jest wyni­kiem nałożenia na siebie nieskończenie wielu kół (ryc. 6). Jeśli pro­mie­nie mają rzeczywiście różne współczynniki załamania, to powin­ny rozmaicie załamywać się również w drugim pryzmacie, ustawio­nym za pierwszym. Te promienie, które odchylają się najmocniej w pierwszym pryzmacie, powinny też najmocniej odchylać się i w dru­gim. W liście do Oldenburga Newton przedstawił oparty na tym rozumowaniu eksperyment, który określił jako experimentum crucis – eksperyment rozstrzygający. W doświadczeniu tym (ryc. 7) wiąz­ka światła wychodząca z pierwszego pryzmatu przechodzi kolejno przez dwa małe otwory oddalone od siebie tak, że światło wycho­dzą­ce z drugiego otworu biegnie w ustalonym i dobrze określonym kierunku. Światło to pada na drugi pryzmat. Obracając pierwszym pryzmatem można zmieniać barwę światła przepuszczanego przez układ. W ten sposób mając pewność, że kąt padania promieni jest stały, można obserwować na ekranie promienie załamywane przez drugi pryzmat. Doświadczenie potwierdza, że każdy wydzielony rodzaj promieni nie rozszczepia się dalej ani nie zmienia barwy podczas przejścia przez drugi pryzmat. Załamanie w drugim pryz­macie zachodzi zaś tak samo jak w pierwszym.

Odkrycie Newtona uściślało prawo załamania pokazując, że róż­ne rodzaje światła mają nieznacznie różniące się od siebie współ­czyn­niki załamania: jeśli światło stanowią rozchodzące się cząstki, to nietrudno zrozumieć taki stan rzeczy. Newton starał się jednak oddzielić wnioski, które wynikają wprost z eksperymentów, od spe­ku­lacji teoretycznych. List ułożony został tak, aby tezy teoretyczne przedstawić jako nieuniknione wnioski z eksperymentów: z nieza­prze­czalnego faktu, że obraz słońca ma kształt podłużny, oraz z experimentum crucis. Z dziesiątków wykonanych przez siebie eksperymentów Newton wybrał te dwa, które same wystarczyły, jak zapewne sądził, aby pokazać, że światło składa się z promieni o róż­nym stopniu załamania. Zamiast przedstawić dalsze ekspery­menty, które doprowadziły go do nowej teorii barw, Newton przy­stąpił do wyłożenia swoich wniosków.

Zdaniem Newtona jednobarwne promienie światła otrzymane przez rozszczepienie w pryzmacie są czymś w rodzaju atomów świe­tl­nych, których nie można już ani rozdzielić, ani w żaden spo­sób zmienić. Każdy z promieni ma swój charakterystyczny współ­czynnik załamania i dla każdego z nich prawo Snella jest ściśle spełnione. Wszystkie zjawiska barwne pochodzą natomiast z mie­szania się owych podstawowych rodzajów światła jednobarwnego.

Pryzmat pozwala zatem rozłożyć światło na elementarne składniki – dokonać jego „anatomii”, jak określił to Fontenelle. Wielką komplikację stanowił dla czytelników Newtona i częściowo dla niego samego fakt, że oprócz prostych barw pryzmatycznych ist­nie­ją również barwy złożone, możliwe do zanalizowania przez pryzmat, choć dla oka nieodróżnialne od czystych barw pryzma­tycznych. Jeszcze innym rodzajem barwy złożonej jest biel:

najbardziej zdumiewającą i cudowną mieszaninę stanowi biel. Nie ma ani jednego rodzaju promieni, który sam mógłby ją wywołać. [...] Często z podziwem oglądałem, jak wszystkie barwy pryzma­tyczne skupione i dzięki temu zmieszane ponownie tak, jak przedtem były zmieszane w świetle, zanim jeszcze padło ono na pryzmat, tworzyły z powrotem światło całkowicie i doskonale białe, i wcale nie różniące się zauważalnie od bezpośredniego światła słońca [...] [50].

Tezę tę Newton ilustrował eksperymentem przytoczonym pod koniec listu (ryc. 8). Światło rozszczepione przez pryzmat i przepu­sz­czone przez soczewkę skupia się ponownie w białą plamę. Gdy jednak ekran ustawi się nieco bliżej bądź nieco dalej, barwy widma ukazują się znowu (w odwrotnej kolejności względem siebie). Dla Newtona był to naoczny dowód, że promienie nie łączą się, lecz tylko mieszają bądź rozdzielają ponownie.

Twierdzenie, że białe światło jest mieszaniną wszystkich barw wid­ma, przeczyło całej tradycji liczącej dwa tysiące lat oraz zdrowe­mu rozsądkowi, uważającemu biel za najczystszą, najdoskonalszą i prostą barwę, z której w miarę słabnięcia otrzymuje się kolor czerwony i kolejno inne coraz ciemniejsze kolory. Rozszczepianie białego światła słonecznego przy załamaniu wyjaśnia zdaniem Newtona nie tylko tęczowe barwy w pryzmatach, ale również barwy samej tęczy.

Ryc. 8 Analiza i synteza światła białego według Newtona

Kartezjusz ustalił, że tęczę widzimy pod kątem odpowiadającym największej ilości promieni załamanych w kierunku oka, nie wyjaś­nił jednak zadowalająco, dlaczego tęcza jest barwna. Teraz okazało się, że każda barwa charakteryzuje się innym współczynnikiem zała­mania. Szukane maksimum wypadnie więc dla każdej barwy pod nieco innym kątem. Przy okazji Newton zastąpił żmudne rachunki numeryczne Kartezjusza dla wielu kątów po kolei eleganckim twier­dzeniem o ekstremum. Promień pasa czerwonego wynosi około 42^o  i jest to najbardziej zewnętrzny pas barwny, pozostałe barwy dają pasy o mniejszych promieniach, najmniejszy promień ma pas fiole­towy. W liście Newton streszcza tylko wyniki rachunków, które szczegółowo przeprowadził w swoich wykładach, o czym zapewne nie wiedziała większość członków Towarzystwa i czytelników arty­ku­łu wydrukowanego w „Philosophical Transactions”.

Teoria Newtona pomagała również zrozumieć, skąd biorą się obserwowane barwy ciał:

barwy wszelkich ciał w przyrodzie mają nie inne pochodzenie, lecz to, że ciała te mają rozmaite zdolności odbijania jednego ro­dza­ju światła w większej obfitości niż inny. Przekonałem się o tym doświadczalnie, oświetlając w ciemnym pokoju takie ciała za pomo­cą niezłożonego światła różnych barw. Dzięki temu każde ciało może wydać się do­wolnej barwy. Nie mają one swej własnej barwy, lecz zawsze zdają się być takiej barwy jak światło na nie rzucane, z tą jednak różnicą, iż najjaśniejsze i najżywsze zdają się w świetle takiej barwy, jaką same mają w świetle dziennym [50].

Ryc. 9 Aberracja chromatyczna

Odkrycie Newtona miało też istotne znaczenie dla budowy przyrządów optycznych. Skoro promienie świetlne załamują się rozmaicie w zależności od rodzaju światła, to obrazy w soczewkach będą tworzyć się osobno dla promieni każdej barwy. Światło białe padające na soczewkę nie skupi się w punkt w żadnym miejscu (ryc. 9). Tę wadę soczewek nazwano później aberracją chroma­tyczną. Jej wielkość według obliczeń Newtona okazała się w typo­wych przypadkach tysiąc albo więcej razy większa niż rozważana przez Kartezjusza aberracja sferyczna. Newton mógł również zrozumieć, dlaczego gigantyczne télescopes aériens Huygensa i in­nych dawały lepsze rezultaty. Newton, podobnie jak wielu uczo­nych, również pracował w swoim czasie nad uzyskaniem soczewek o niesferycznej powierzchni i projektował urządzenia, które mogły­by je wytworzyć. Jak sam pisał, właśnie w trakcie tej pracy zdał sobie sprawę, że jeśli światło nie jest jednorodne, to żaden kształt soczewki nie zapewni skupiania się promieni dokładnie w jednym punkcie.

Na temat dyspersji, tzn. różnicy współczynników załamania pro­mieni fioletowych i czerwonych, w rozmaitych materiałach Newton wypowiadał się chwiejnie i ostatecznie uznał, że każda użyteczna kombinacja soczewek musi być obarczona aberracją chromatyczną. Na szczęście dla przyszłości optyki twierdzenie to okazało się nie­pra­wdziwe. Kilkadziesiąt lat po śmierci Newtona skonstruowano soczewkę tzw. achromatyczną, zbudowaną z dwóch rodzajów szkła.

Aberracja chromatyczna ograniczała możliwości skonstruowania lepszych przyrządów optycznych. Należało albo ograniczyć się do obserwacji w świetle jednobarwnym, albo dążyć do zmniejszenia roli załamania w tworzeniu się obrazu. Ta druga możliwość została przez Newtona wykorzystana w konstrukcji teleskopu zwiercia­dlanego (ryc. 10). Newton okazał się nie tylko utalentowanym eksperymentatorem i matematykiem, lecz również znakomitym rze­mieśl­nikiem. Wiele lat później w Optyce podaje szczegóły szlifowa­nia zwierciadła ze specjalnego stopu miedzi za pomocą smoły i popiołu cynowego. Pisze również, z wyraźną satysfakcją, że pe­wien rzemieślnik w Londynie próbował polerować zwierciadło swo­ją własną metodą, ale wynik był o wiele gorszy. Teleskop zbudo­wany przez Newtona w 1668 roku miał 6 cali długości, ale pozwalał widzieć lepiej niż sześciostopowa luneta. Obraz był jednak dużo ciemniejszy z powodu małej zdolności odbijającej zwierciadła.

Ryc. 10 Teleskop zwierciadlany Newtona

Skonstruowanie nowego rodzaju teleskopu stało się sensacją. Informacje o nim dotarły w roku 1671 do Towarzystwa Królew­skiego, którego członkowie wyrazili chęć zapoznania się z nowym wynalazkiem. W końcu roku Izaak Barrow przywiózł im teleskop (drugi zbudowany własnoręcznie przez Newtona), który jest do dziś przechowywany w zbiorach Towarzystwa. Towarzystwo zapropo­nowało rozesłanie informacji o „wynalazku skrócenia teleskopów” za granicę do Huygensa, aby odkrycie nie zostało skradzione przez obcokrajowców, i na wniosek biskupa Setha Warda mianowało Newtona kandydatem na swego członka. Newton dowiedział się o tym wszystkim z listu Oldenburga i odpowiadając obiecał, że w ra­zie wybrania go członkiem zakomunikuje Towarzystwu „to, co moje skromne i samotne wysiłki uczynić mogą dla posunięcia naprzód waszych filozoficznych zamierzeń”. Była to zapowiedź nadesłania ni mniej, ni więcej tylko teorii barw, co niebawem nastąpiło.

Dnia 11 stycznia 1672 r. Izaak Newton, konstruktor teleskopu zwier­ciadlanego, wybrany został w poczet członków Towarzystwa, które konkretne wynalazki ceniło wyżej niż efektowne teorie, nie wy­łą­czając teorii barw. Podejrzliwość wobec pustosłowia filozofów znalazła swój wyraz w wyjętej z Horacego dewizie Towarzystwa: Nullius in verba, oznaczającej, że słowa największych nawet auto­rytetów nic nie znaczą w zestawieniu z doświadczalnymi faktami.

List z 1672 r. skrótowo informował o wnioskach z doświadczeń i nikt nie zdawał sobie sprawy, że za tą krótką publikacją kryje się parę lat świetnych eksperymentów, wiele skomplikowanych ra­chun­ków i stworzenie całej nowej nauki o barwach. Większa część tej ogromnej pracy ukazała się z ponad trzydziestoletnim opóź­nieniem jako pierwsza księga Optyki.

 

 

* ­* *

 

 

W doświadczeniach Newtona widać istotną rolę koncepcji matematycznych. Gdy większość współczesnych kolekcjonowała fak­ty wzięte z życia potocznego lub dość chaotycznych obserwacji, Newton starał się tak dobrać warunki eksperymentu, aby jak naj­bardziej zbliżyły się do idealnej sytuacji teoretycznej. W doświad­czeniach optycznych używał np. cienkich wiązek światła, które naj­bardziej przypominały abstrakcyjne promienie świetlne. Sytuacje takie były „nienaturalne” i zdaniem wielu należało ostrożnie trakto­wać odpowiedzi wymuszone w ten sposób na naturze. Wciąż jesz­cze żywe było przeświadczenie, że sytuacje sztuczne różnią się zasadniczo od naturalnych, podobnie jak sztuczne produkty nie mogą równać się z tworami natury.

Ponadto Newton poszukiwał teorii ilościowej. Zamiast zado­wa­lać się ustaleniem jakościowych faktów starał się zawsze w doś­wiad­czeniu zmierzyć jakieś wielkości. Doświadczenia Newtona były też o wiele dokładniejsze niż wszystkie eksperymenty przeprowa­dzone przed nim. Było to możliwe dzięki ścisłemu, ilościowemu kon­tro­lowaniu wszystkich parametrów, takich jak odległości, roz­mia­ry szczelin i obrazów oraz dążeniu do takiego ustawienia przy­rządów, aby możliwie zwiększyć dokładność pomiarów (np. pryz­maty zawsze ustawiane były tak, by dawały najmniejsze odchy­lenie). Newton pierwszy używał wąskich wiązek światła i ustawiał przyrządy w dużych odległościach (typowa odległość pryzmatu od ekranu wynosiła 22 stopy), co pozwalało na łatwiejsze pomiary,  np. długość obrazu słońca po przejściu przez pryzmat wynosiła na ekranie 10  cali przy szerokości 2¹/₂ cala, szerokość otworu równa była ćwierci cala. Aby uzyskać ostre obrazy, używał systematycznie soczewek. Często musiał przeprowadzać swe doświadczenia z bardzo słabym światłem, zwłaszcza gdy chodziło o efekty dla skrajnych części widma słonecznego. (Osłabienie to traktował jako wynikające z niepełnego nakładania się kołowych obrazów dla skrajnych barw, które uważał za naturalne granice światła.) Newton pedantycznie zmieniał ustawienie przyrządów i technikę pomiaru tak długo, dopóki wszystkie zjawiska zachodzące w doświadczeniu nie znalazły się pod kontrolą. Do osiągnięcia większej dokładności trzeba było również sporej zręczności (i czasem udziału pomo­c­nika), obraz słońca na ekranie poruszał się bowiem bardzo szybko.

Newton był przy tym mistrzem konstruowania przekony­wa­jących doświadczeń. W wypadku wielu z nich, publikowanych późno albo wcale nie publikowanych, chodziło zapewne o przeko­nanie samego siebie ponad wszelką wątpliwość. Chcąc na przykład w eksperymencie z ryc. 6 wykluczyć możliwość, że przyczyną wy­dłu­żenia obrazu  jest nierównoległość wiązki światła słonecznego, Newton przeprowadził również doświadczenia, w których używał tyl­ko niewielkiej części wiązki o rozbieżności 6', czyli 1/5 średnicy tarczy słonecznej. Spowodowało to zwężenie obrazu bez jego istot­nego skrócenia (zmniejszenie średnicy kół z ryc. 6 bez zmiany ich położenia). Szukając warunków dowiadczenia jeszcze bliższych ideału użył skupionego przez soczewkę światła Wenus – które z jeszcze większą dokładnością można uważać za równoległe. Obraz otrzymany w tym trudnym do przeprowadzenia doświadczeniu miał postać bardzo cienkiego barwnego paska tej samej co przedtem długości.

Jednym z najelegantszych pomysłów eksperymentalnych New­tona było wykorzystanie zjawiska całkowitego odbicia wewnęt­rz­nego. Skoro promienie dające różne barwy mają różne współczyn­niki załamania, to i kąty graniczne, przy których promienie te będą się całkowicie odbijać, będą różne. Rzucając wiązkę światła białego na pryzmat można osiągnąć położenie, przy którym część barw od­bi­je się, a pozostała część załamie i wyjdzie przez drugą ściankę pryzmatu. Udoskonalając to doświadczenie (ryc. 11) Newton użył dwóch pryzmatów tak złączonych, aby cienka warstewka powietrza między nimi mogła pełnić rolę trzeciego ośrodka wywołującego całkowite odbicie wewnętrzne. W układzie takim praktycznie wcale nie ma załamania światła, lecz jedynie część wiązki po odbiciu wychodzi mniej więcej prostopadle do części przechodzącej. Obie wiązki analizuje się dalej za pomocą dwu innych pryzmatów. Lekko obracając złączonymi pryzmatami można zmieniać proporcje barw przechodzących i odbitych. Chociaż kolejne załamania w takim układzie są niewielkie i znoszą się nawzajem, zjawiska barwne ob­ser­wuje się nadal – wbrew teoriom wiążącym barwę z nie skom­pen­sowanym załamaniem. Promień białego światła padający na taki złożony pryzmat rozdziela się na dwie części, jest zatem niejed­no­rodny. Rozdzielenie następuje pod wpływem odbicia, a nie za­łamania – mamy więc drugi obok rozszczepienia w pryzmacie sposób analizowania światła – tym ważniejszy, że zwolennicy kon­ku­ren­cyjnych teorii barw nigdy nie twierdzili, iż barwa może zmieniać się po odbiciu od gładkiej płaszczyzny szkła. Obracając pryzmatami, można obserwować, jak barwy kolejno przechodzą z części przepuszczanej do odbitej, powodując zmianę łącznej barwy wiązki, która staje się biała dopiero wtedy, gdy znajdą się w niej wszystkie barwy pryzmatyczne.

Ryc. 11 Analiza światła za pomocą całkowitego odbicia wewnętrznego

Zdolność rozdzielcza w niektórych doświadczeniach pryzma­ty­cz­nych była na tyle duża, że zastanawiano się, dlaczego Newton nie odkrył w widmie Słońca ciemnych linii. Zostały one odkryte dopie­ro w 1802 r. przez Wollastona w eksperymencie niewiele różniącym się od wykonywanych przez Newtona. Wollaston sądził, że odkrył granice między barwami, nieciągłe widma iskry elektrycznej i pło­mie­nia potraktował natomiast jako anomalie bez istotnego znacze­nia. Musiało minąć jeszcze wiele dziesiątków lat, zanim analiza światła rozszczepionego przez pryzmat mogła znaleźć zastosowanie w nauce jako analiza widmowa.