POGOŃ ZA CIENIEM

Izaak Newton niechętnie odsłaniał swoje myśli, niemal nigdy nie mówił o osobistych motywach swoich poczynań, był człowiekiem skrytym i raczej podejrzliwym. Wyniki swoich prac komunikował prze­ważnie tylko komuś zaufanemu, dając się długo i często bez­skutecznie namawiać na publikację. Naturalna potrzeba podzielenia się rezultatami pracy była często gwałtownie studzona czyjąś nie­przychylną reakcją. Dzieje wszystkich publikacji Newtona są zapi­sem następujących po sobie przypływów i odpływów lęku przed światem zewnętrznym.

Zbudowanie teleskopu „katadioptrycznego” (tzn. zwierciadlano-­soczewkowego) było sensacją na skalę europejską. Nad ulepsze­niem teleskopów pracowali uczeni w wielu krajach i trudno było o bardziej aktualny temat. Panowała atmosfera oczekiwania na wiel­kie wynalazki i rywalizacja między uczonymi przyjmowała formę międzynarodowego wyścigu. Opisy teleskopu oraz drugiego w tym czasie angielskiego wynalazku – „tuby stentorofonicznej” sir Samuela Morlanda z Magdalen College w Cambridge (która pozwa­lała podobno rozmawiać na odległość półtorej mili) obiegały kręgi zainteresowanych. Newton stał się sławny.

Pojawili się natychmiast również inni pretendenci do pierw­szeństwa w dokonaniu wynalazku. James Gregory opublikował jeszcze w 1663 roku pomysł teleskopu z dwoma zwierciadłami wklęsłymi, a Francuz Guillaume Cassegrain zaproponował mniej więcej jednocześnie z Newtonem teleskop o zwierciadle wklęsłym i wypukłym. Różnice między schematami były niezbyt istotne, choć Newton z przesadnym zapałem argumentował za swoją konstrukcją, która nie była zbyt wygodna w użyciu – należało bowiem patrzeć w inną stronę, niż zwrócony był teleskop, co zwłaszcza w obser­wacjach astronomicznych jest niewygodne. Nikt nie negował jednak pierwszeństwa Newtona jako konstruktora. Cała sprawa na razie była burzą w szklance wody, nikt nie potrafił bowiem zapewnić zwierciadłom teleskopu jednocześnie wymaganego kształtu i odpo­wie­dniej zdolności odbijania promieni. Metalowe zwierciadła odbi­jały słabo i szybko ciemniały. Teleskop zwierciadlany znalazł po­ważne zastosowanie dopiero sto lat później, gdy William Herschel, muzyk z kąpieliska w Bath i astronom-amator, nauczył się (również samodzielnie) szlifować duże zwierciadła i stał się największym obserwatorem swej epoki.

Zachęcony powodzeniem teleskopu i przyjęciem w poczet człon­­­­ków Towarzystwa Królewskiego, Newton zdecydował się og­ło­­­sić swoją teorię barw – rezultat „skromnych i samotnych wy­siłków”. List Newtona został odczytany na posiedzeniu 8 lutego 1672 r., a tydzień później na następnym posiedzeniu Robert Hooke, jako specjalista w przedmiocie, odczytał swoje uwagi na temat pracy Newtona.

Czytając dziś opisy doświadczeń Newtona i wyciągane przez niego wnioski, nie zawsze możemy sobie wyobrazić rozsądną opo­zycję przeciw jego teorii. Również sam Newton nie wyobrażał sobie, że można dyskutować z jego interpretacją doświadczeń. Rzeczywistość miała mu przynieść bolesne rozczarowanie.

Newton sądził, że ponad wszelką wątpliwość wykazał, iż „światło jest heterogeniczną mieszaniną promieni o różnym stopniu załamania”. Uważał też, że konkluzje jego eksperymentów nie są za­leż­ne od konkretnych poglądów na temat światła, że są po prostu stwierdzeniem empirycznych faktów. Dopiero te niewątpliwe wnios­­ki mogą posłużyć do budowania sobie poglądu na to, czym jest naprawdę światło.

W zakończeniu listu Newton umieścił ponadto dość nieostrożną konkluzję, że oto barwy okazały się jakościami promieni światła. Skoro zaś barwy są jakościami – atrybutami – to musi istnieć sub­stan­cja, której są atrybutami. Podobnie jak dawniej z jakości zmys­łowych, takich jak barwy, wnioskowano o istnieniu ciał obdarzo­nych tymi jakościami, tak teraz z istnienia barw możemy wnios­kować o istnieniu cielesnego światła. Całe to scholastyczne rozumo­wanie nie weszło do wersji wydrukowanej ostatecznie w „Philoso­phical Transactions”, opinie krytyczne zmusiły bowiem Newtona do ostrożniejszego sformułowania swoich tez. Wszelako ani z poglądu, że odpowiednio przeprowadzone doświadczenie może wykazać ja­kieś twierdzenie zupełnie niezależnie od przyjmowanych teorii, ani z przekonania o cielesności światła (co praktycznie oznaczało, że światło to cząstki) Newton nigdy nie zrezygnował. Pierwszego bro­nił jawnie jako swego założenia metodologicznego, drugiego pośrednio – wykazując za pomocą doświadczeń, że nie może być inaczej.

Artykuł Newtona zapoczątkował kilkuletnią dyskusję na łamach „Philosophical Transactions”. Sam Newton spodziewał się chyba, że dyskusja będzie dotyczyć co najwyżej technicznych detali i że po przeprowadzeniu eksperymentów wszyscy zostaną przekonani. Sprawy ułożyły się jednak całkiem inaczej. Newton niejako sprowo­kował kłopoty, nie publikując wielkiej części swych eksperymentów i obliczeń, które musiałyby zrobić wrażenie na każdym i zmusiłyby zapewne polemistów do staranniejszego wyważania swoich zastrze­żeń. Podnoszone obiekcje często wynikały z nieporozumień albo niezrozumienia tez Newtona. Jezuita Ignace Gaston Pardies uważał, że nierówność kątów padania światła słonecznego na pryzmat objaś­nia wyniki Newtona łącznie z experimentum crucis, choć wyklu­czeniu tej właśnie możliwości Newton poświęcił szczególnie dużo uwagi w artykule. Inny jezuita Anthony Lucas z Liege zgłosił zastrze­żenia do wielkości pięciokrotnego wydłużenia obrazu słońca, tak jakby trzykrotne wydłużenie zmieniało coś we wnios­kach Newtona (nie trzeba dodawać, że właśnie liczby Newtona były dokładne). Być może już wtedy Newton nabrał awersji do uczonych jezuitów – później nie pomijał żadnej okazji, by zwalczać ich poglądy na dosłownie każdy temat. Były również poważniejsze trud­ności: eksperymenty Newtona wymagały nadzwyczajnej na owe czasy staranności. W 1681 r. Edmé Mariotte, sławny eksperymen­tator Akademii Nauk w Paryżu, ogłosił, że experimentum crucis nie przebiega tak, jak zapewniał Newton, i promień w drugim pryz­macie ponownie się rozszczepia – był to oczywiście skutek niedokładnego wydzielenia jednej barwy spośród reszty.

Większość dyskutantów potraktowała artykuł Newtona jako jesz­cze jedną hipotezę dotyczącą światła, niezbyt przejmując się szczegółami doświadczeń i subtelnością wyprowadzanych z nich wniosków. Wprowadzenie matematycznej ścisłości do nauki o kolo­rach nie zostało w ogóle zauważone. Robert Hooke odrzucił kon­kluzje pracy, twierdząc protekcjonalnie, że setki razy wykonywał podobne doświadczenia i że owszem tak właśnie przebiegają, ale że nie wynika z nich wcale słuszność hipotezy Newtona.

Robert Hooke, choć tylko siedem lat starszy od Newtona, był uz­na­nym autorytetem w optyce. Syn duchownego z wyspy Wight karierę naukową zaczął jako pomocnik Roberta Boyle'a. W 1662 r. został „kuratorem eksperymentów” (Curator of Experiments) w To­warzystwie Królewskim. Do jego obowiązków należało przedsta­wianie każdego tygodnia nowych eksperymentów na posiedzeniach Towarzystwa. Hooke był błyskotliwym eksperymentatorem w duchu baconowskim, pracował nad niezliczonymi wynalazkami, jak wych­wyt kotwicowy, dzwon nurkowy, system telegrafu czy przyrządy optyczne. Twierdził, że ulepszona przez niego „tuba stentoro­foniczna” długości sześciu stóp pozwala na rozmowy między Dover i Calais. Na wiadomość o teleskopie Newtona stwierdził, że sam już w 1664 r. skonstruował jednocalową (!) lunetę z soczewkami lepszą niż zwykłe pięćdziesięciostopowe, ale potem z powodu zarazy, po­ża­ru i nawału zajęć nie zdążył tego wynalazku rozwinąć. Odkrycie swoje w zaszyfrowanej wersji złożył Hooke w Towarzystwie dla zapewnienia sobie priorytetu. Chodziło zapewne o utopijny pomysł zastosowania szkła o różnej gęstości w różnych punktach w celu zlikwidowania aberracji sferycznej. Roli aberracji chromatycznej Hooke nigdy nie uznał.

Recenzja Hooke'a pisana była, jak sam miał to przyznać, w poś­piechu. Hooke uważał, że jego własna impulsowa hipoteza światła równie dobrze objaśnia wyniki doświadczeń Newtona. Najwyraźniej argumenty ilościowe specjalnie go nie interesowały. Podstawowe stwierdzenie Newtona, iż białe światło jest mieszaniną, uważał za całkowicie nieuprawnione. Jego zdaniem równie dobrze moglibyś­my utrzymywać, że wszystkie dźwięki są zawarte w powietrzu miechów, zanim organy zaczęły grać. Zdaniem Hooke'a światło zmienia się przechodząc przez pryzmat i nonsensem jest twier­dze­nie, że skoro jakaś barwa pojawia się po przejściu przez pryzmat, to znaczy, że była zawarta również w świetle padającym. Promień świetlny wyobrażał sobie raczej jak strunę, której część spoczywa (co odpowiada światłu białemu), a druga część drga (co odpowiada załamaniu). Mówić, że spoczynek składa się ze wszystkich ruchów, byłoby nadużyciem zdrowego rozsądku. Newton mówił o ścisłej odpowiedniości między barwą a współczynnikiem załamania, dla Hooke’a zaś  było to prawdą o tyle, że „ta część rozszczepionego pro­mienia, która jest najbardziej zakrzywiona, objawia barwę niebieską” – cały sens precyzyjnego twierdzenia zatarty został w banalnym fakcie obserwacyjnym. Newton podkreślał, iż jest nie­skoń­czenie wiele barw prostych – odpowiadających rozmaitym wartoś­ciom współczynnika załamania. Hooke uważał to twierdzenie za przy­kład złej metodologii, ponieważ niepotrzebnie mnoży ono byty, postulując nieskończenie wiele barw, wystarczą zaś tylko dwie skrajne: niebieska i czerwona. Hooke nie wierzył też, aby światło składało się z cząstek, ani w to, że Newtonowi udało się tego dowieść.

Newton był zupełnie nie przygotowany psychicznie do obrony swojej teorii przed zarzutami, a zwłaszcza takimi, które nie sięgały jej istotnej treści. Najpierw przygotowywał przez wiele miesięcy długą odpowiedź dla Hooke'a, która byłaby obszernym traktatem z optyki. Potem jednak się rozmyślił i w krótkiej replice raz jeszcze podkreślił, że istotą jego pracy nie jest taka czy inna hipoteza na temat światła, lecz wnioski otrzymane z doświadczeń, i że to właś­nie Hooke ocenia eksperymenty Newtona z punktu widzenia swo­jej hipotezy, która jest i niewystarczająca, i niezrozumiała. Jedynym sposobem podważenia teorii Newtona byłoby zanegowanie wyni­ków tych doświadczeń lub zaproponowanie innych, które prze­czyłyby wnioskom Newtona. Przy okazji wyparł się gładko, jakoby po­s­tu­lował cielesność światła czy jakąkolwiek inną hipotezę. Pokazał też, jak można by wyjaśnić rozszczepienie w pryzmacie, zakładając, że światło jest falą, a różne barwy odpowiadają różnej „wielkości” fali, tj. długości w dzisiejszej terminologii. Po skonstru­o­waniu całego tego wywodu stwierdził jednak, że taka hipoteza nie mogłaby objaśnić prostoliniowego rozchodzenia się światła. Replika Newtona była zjadliwa i przesądziła o charakterze przyszłych stosunków między nim a Hookiem.

Wzajemna niechęć, przechodząca w niektórych okresach w led­wie maskowaną wrogość przez wiele lat była istotnym składnikiem życia obu antagonistów. Newton przeżył rywala i został po jego śmierci przewodniczącym Towarzystwa Królewskiego. Wtedy też dopiero zdecydował się opublikować wyniki swoich młodzieńczych prac z optyki. Optyka ukazała sie dopiero w roku 1704.

Interesująca jest też opinia Huygensa, najwybitniejszego autory­tetu w nauce europejskiej, odkrywcy pierścieni Saturna i jego naj­większego satelity Tytana, konstruktora najlepszych teleskopów owych czasów. Jego pierwsza reakcja była przychylna, pochwalił teorię Newtona jako bardzo pomysłową. Kolejne wypowiedzi były bardziej powściągliwe. Huygens podawał w wątpliwość wielkość aberracji chromatycznej podawaną przez Newtona. Jako wytrawny obserwator wiedział, że aberracja ta nie jest aż tak wielka, jak obli­czył Newton. (Przynajmniej część nieporozumienia brała się stąd, że Newton obliczał wielkości aberracji dla najbardziej skrajnych barw widma, a w praktyce obserwacyjnej ważne są tylko środkowe części widma, w których wzrok ma największą czułość, z czego obaj nie­zbyt dokładnie zdawali sobie sprawę.) W 1673 r. w swym najob­szerniejszym komentarzu Huygens twierdził, że nie powinno być więcej kolorów podstawowych niż dwa: żółty i niebieski. Wszystkie inne można uzyskać przez mieszanie tych dwóch podstawowych. Stwierdził, że nie rozumie, dlaczego Newton „nie zadowoli się dwoma kolorami, żółtym i niebieskim” – łatwiej byłoby wtedy zna­leźć hipotezę mechaniczną objaśniającą różnorodność barw. Newton nie mówi również, na czym polega natura i różnorodność barw, lecz jedynie stwierdza ich różny współczynnik załamania, co jest wprawdzie interesujące, ale nie sięga sedna problemu.

Huygens sugerował, że należałoby zbadać doświadczalnie, czy mniejsza liczba kolorów nie wystarczy do zbudowania pozostałych (nb. w 1852 r. Helmholtz miał wykazać, że mieszając czyste widmo­wo światło niebieskie i żółte można otrzymać światło białe). Dla Huygensa kwestią podstawową było znalezienie kolorów podsta­wowych i podobnie jak Hooke nieskończoną liczbę barw pryzma­tycznych traktował jako mnożenie bytów ponad potrzebę.

Odpowiedź Newtona podkreślała aspekt doświadczalny: z dwóch tylko barw nie udawało mu się skonstruować wszystkich innych. Wszystkie barwy proste są jednakowo podstawowe, a gdy­by szukać hipotez objaśniających continuum barw przez wielkości mechaniczne, to nie byłoby kłopotu, ponieważ na przykład wiel­kość, prędkość lub „siła” cząstek są wielkościami ciągłymi. Celem pracy Newtona nie było szukanie hipotezy, lecz stwierdzenie stanu faktycznego, niezależnego od wszelkich hipotez. To wyjaśnienie Newtona nie było tak złośliwe jak w polemice z Hookiem, Huygens jednak  widząc pewne zacietrzewienie oponenta wolał nie wdawać się w spór.

Pod wpływem krytyk Newton uświadomił sobie pewne trudnoś­ci swojej teorii barw, choć nigdy się do tego nie przyznał. Przestał twierdzić, że do otrzymania barwy białej potrzeba wszystkich barw prostych, jak początkowo sądził. Twierdził teraz tylko, że to światło słoneczne zawiera wszystkie barwy proste. Zaczął wyraźniej odróż­niać barwy proste jako takie, których nie można już rozłożyć za pomocą pryzmatu. Zajął się też mechanizmem widzenia barw.

Wiedząc, że wzrok reaguje na bodźce z pewną bezwładnością, Newton pokazał, jak można otrzymać wrażenie bieli w sytuacji, gdy nie mamy w ogóle do czynienia z białym światłem (ryc. 12). Jeśli za pryzmatem umieścimy soczewkę skupiającą, to ustawiając w odpo­wiedniej odległości za soczewką ekran otrzymamy na nim biały obraz. Jeśli teraz pomiędzy soczewkę a pryzmat wstawimy grzebień przepuszczający tylko część barw pryzmatycznych, obraz na ekranie stanie się zabarwiony zależnie od tego, które barwy będą przepusz­czone, a które zatrzymane. Jeżeli powoli poruszamy grzebieniem, zauważamy kolejne zmiany barwy obrazu na ekranie. Jeżeli nato­miast zaczniemy szybko poruszać grzebieniem, obraz stanie się ponownie biały, mimo że w żadnej chwili nie był biały przy powolnym ruchu.

Wiele lat później w Optyce Newton przedstawił model opisujący, jak oko postrzega mieszanie się barw. Czyste barwy pierwotne były w tym modelu reprezentowane przez punkty na obwodzie koła tak, że purpura (tzn. fiolet) sąsiadowała z czerwienią. Wynik mieszania się kilku barw przedstawiany był jako środek ciężkości odpowied­nich punktów. Centrum koła odpowiadało bieli. Punkt leżący we­wnątrz koła miał barwę odpowiadającą przedłużeniu promienia przechodzącego przez ten punkt do obwodu (ryc. 13) i barwa ta była mniej lub bardziej intensywna w zależności od odległości punktu od środka. Model ten miał opisywać stwierdzony przez Newtona fakt, że tę samą barwę złożoną uzyskać można na wiele sposobów przez mieszanie światła o barwach prostych. Co do mini­malnej liczby barw pierwotnych potrzebnych do uzyskania bieli, Newton nie był pewien, czy nie wystarczą trzy; sam potrafił uzyskać biel z czterech barw. Geometryczna konstrukcja Newtona niewiele różni się od stosowanego współcześnie tzw. standardowego wykre­su barwności. Dokładny, ilościowy opis wymaga zastąpienia koła przez pewną figurę ograniczoną mniej regularną linią krzywą.

Ryc. 12 Doświadczenie ilustrujące bezwładność wzroku

Przez cały ten okres Newton przebywał w Cambridge i jedynie korespondencyjnie brał udział w dyskusjach i polemikach. Pisywał tylko do dwóch osób w Londynie: do Collinsa w kwestiach mate­ma­tycznych i do Oldenburga na temat optyki. Właśnie za pośrednictwem Oldenburga otrzymywał krytyczne uwagi na temat swojej pracy i jemu przekazywał odpowiedzi, nie starając się nawiązać bezpośredniego kontaktu nawet z takimi sławami, jak Huygens. Na posiedzeniach Towarzystwa odczytywano niektóre jego listy, ale sam Izaak Newton in persona pojawił się dopiero w roku 1675, aby zniknąć na długie lata.

Reakcje na teorię barw, jeśli nawet sceptyczne, nie były wrogie w stosunku do młodego profesora z Cambridge. Wszelako polemi­ka, do której został zmuszony, zaczęła go wkrótce nużyć i niecierp­liwić. Wydaje się, że przeciągająca się publiczna dyskusja wytrącała Newtona z równowagi. Collinsowi pisał, że dopóki nie skończy z dru­kowaniem swoich prac, dopóty „nie będzie się cieszyć swą daw­ną pogodną wolnością”. W liście zaś do Oldenburga w 1676 r. tak podsumował swoją sytuację:

częste przerwy [w innych pracach], jakie nieuchronnie powstawały dzięki listom różnych osób (pełnym obiekcji i innych kwestii) [...] sprawiły, że zacząłem oskarżać się o nieroztropność, ponieważ goniąc aż dotąd za cieniem, poświęciłem mój spokój, rzecz praw­dziwie istotną [43].

Ryc. 13 Mieszanie się barw według Newtona

W ciągu kilku lat na łamach „Philosophical Transactions” ukaza­ło się łącznie 10 artykułów krytycznych i 11 odpowiedzi Newtona. Była to jego zdaniem zbyt wysoka cena za ogłoszenie odkrycia. W latach następnych zerwał niemal całkowicie korespondencję nau­kową, nie wydrukował również nic ważnego przez następne kilka­naście lat – aż do publikacji Principiów.