NATURA ŚWIATŁA

Krytycy Newtona zarzucali mu często, iż objaśnia zbyt mało: bada prawidłowości matematyczne, a nie sięga istoty rzeczy, nie uczy, jaka jest natura światła. Teorie i eksperymenty Newtona dostarczały precyzyjnego opisu zjawisk, ale nie wyjaśniały, dlaczego zjawiska zachodzą w taki właśnie sposób. Newton był zdaniem wielu swoich współczesnych raczej matematykiem niż filozofem. Filozofowie przyrody wciąż spodziewali się sięgnąć do istoty rzeczy, przepro­wadzić to, co nie udało się Arystotelesowi, korzystając tym razem z pewnych rozumowań popartych eksperymentem. Najważniejszym – jak się wydawało – pytaniem optyki było: Czym jest światło – zbiorem cząstek czy jakimś specjalnym ruchem eteru wypeł­niającego świat?

Memoriał przesłany Towarzystwu Królewskiemu w 1675 r. za­wie­rał hipotezę dotyczącą światła i eteru oraz opis doświadczeń z cienkimi warstwami. Praca ta nie ukazała się drukiem i Newton póź­niej mało zajmował się optyką. Dopiero w roku 1704, niemal dwa­dzie­ścia lat po wydaniu Principiów, zdecydował się ogłosić swoje prace optyczne. Teoria barw weszła do pierwszej księgi Optyki, badania pierścieni do drugiej. Księga trzecia, ostatnia i najkrótsza, zawierała doświadczenia nad dyfrakcją. W późniejszych wydaniach Newton dodał na końcu Optyki spekulacje w formie pytań lub przypuszczeń – Queries – na temat natury światła, mechanizmu widzenia, natury grawitacji oraz reakcji chemicznych. Queries były rodzajem postscriptum do naukowej twórczości Newtona. Mógł w nich dość swobodnie wypowiedzieć swoje opinie, opatrując je za każdym razem ostrożnym znakiem zapytania.

Newton wierzył przez całe życie, że światło składa się z cząstek. Po krytyce z lat siedemdziesiątych zdawał sobie jednak sprawę, że nie dysponuje bezpośrednimi dowodami. W Optyce unika wyraź­nego stwierdzenia, czym jest światło, choć pośrednio cały tekst książ­ki ujawnia pogląd korpuskularny na naturę światła. Już pier­w­sza definicja – promienia świetlnego – określa go jako najmniejszą część światła, jaką można wydzielić w sensie prze­strzennym i czaso­wym. Newton mówi też, że promienie świetlne mają „najmniejsze części, i to zarówno następujące po sobie wzdłuż tej samej linii, jak i współczesne sobie na wielu liniach”, ale nigdzie nie mówi wprost, że światło składa się z cząstek.

Pogląd, że światło jest złożone z różnych rodzajów promieni, że jest mieszaniną, był drugą idée fixe Newtona w optyce. Światło nie jest modyfikowane przy przechodzeniu przez pryzmat, lecz jedynie ujawnia swą pierwotną złożoność. Promienie jednorodne mają zaś stałe właściwości – są rodzajem atomów świetlnych, których nie można w żaden sposób zmodyfikować. Poglądy te Newton konsek­wentnie wyznawał przez całe życie, nie przyznając się do jakiej­kolwiek ewolucji swych przekonań.

W Hipotezie z 1675 r. Newton objaśniał zachowanie światła wpływem wszechobecnego eteru, wypełniającego wszelkie szcze­liny i pory między innymi cząstkami materii. Teoria światła musiała m.in. wyjaśnić, dlaczego cząstki światła rozchodzą się z ogromnymi prędkościami. Newton uważał wtedy, że światło ma własną zasadę ruchu, pewną siłę, która rozpędza jego cząstki, dopóki opór eteru nie zrównoważy jej działania:

w podobny sposób, jak kiedy ciała upuszczone w wodę są przy­spieszane, dopóki opór wody nie wyrówna siły ciężkości. Bóg, który dał zwierzętom zdolność poruszania się niedostępną nasze­mu pojęciu, zdolny jest bez wątpienia nadać ciałom inne zasady ruchu, które dla nas są równie niepojęte [50].

Opór eteru określać miał prędkość cząstek światła: gdzie eter był gęstszy, tam światło poruszało się wolniej. Aby spełnione było pra­­wo załamania, należało przyjąć, że eter jest w gęstych materia­łach rzadszy. Eter stał się w ten sposób w Hipotezie jakby negaty­wem pozostałej materii – najgęstszy był tam, gdzie nie było innych cząsteczek. Przejście światła z powietrza do szkła oznaczało więc zmniej­szenie gęstości eteru i jego oporu.

Później w Principiach Newton udowodnił, że przynajmniej w ru­chu ciał niebieskich nie obserwuje się żadnego oporu eteru. Moż­na natomiast wyjaśnić ruchy planet za pomocą sił grawitacji działa­jących na odległość. Podobną ideę sił działających na odległość zastosował również w optyce, choć tym razem nie udało mu się od­kryć prawa rządzącego siłami. Przypuszczał, że cząstki światła, gdy wyrwą się już z obszaru przyciągania cząsteczek ciała (np. pod wpływem bardzo silnych drgań cieplnych), są silnie odpychane i rozpędzają się do ogromnej prędkości.

Ryc. 15 Ugięcie światła w pobliżu włosa według Newtona

Zasady mechaniki łącznie z koncepcją sił działajacych na odleg­łość łatwo dostarczały matematycznych praw odbicia i załamania. Nieścisłe rozumowanie Kartezjusza zostało zastąpione precyzyjnymi twierdzeniami. Prawa mechaniki pozwoliły również na sformu­ło­wanie pierwszej teorii współczynnika załamania. Rozważając zwią­zek sił na granicy próżni i danego materiału ze zmianą pręd­kości Newton wywnioskował, że wielkość n² – 1, gdzie n jest współ­czynnikiem załamania, proporcjonalna jest do siły. Dzięki temu mógł sprawdzić, czy wszystkie ciała jednakowo przyciągają światło. Po przeanalizowaniu danych Newton doszedł do wniosku, że współ­czynnik załamania zależy od gęstości ciała oraz zawartości siarki w danym ciele. Siarkę uważano wtedy za składnik wszystkich ciał. Jej zawartość określać miała stopień palności substancji. W ten sposób głęboko zakorzeniony pogląd alchemików o związku siarki ze światłem stał się u Newtona hipotezą potwierdzoną danymi licz­bo­wymi, uzyskanymi z zestawienia obserwowanych wielkości n² –1 oraz gęstości wielu ciał.

Największą trudność sprawiało zjawisko dyfrakcji. Teoria barw tym razem nie pozwoliła odsłonić sekretu zjawiska, choć doświad­czenia w świetle jednobarwnym znów pomogły objaśnić kolory ob­ser­wowane w eksperymentach z białym światłem. Mimo precyzyj­nych pomiarów i całego kunsztu eksperymentalnego wyniki nie ukła­dały się w konsekwentną teorię. Newton wykazał m.in., że granice cienia rzucanego przez włos są krzywoliniowe (ryc. 15). Wyjaśnienia tego zjawiska szukał w siłach odpychających, które maleją z odległością i działają rozmaicie na różne promienie. W su­mie jednak w Optyce nie ma żadnej teorii opisującej zjawiska dyf­rakcji. Newton musiał zdawać sobie sprawę, że trudno objaśnić tworzenie się prążków dyfrakcyjnych na gruncie mechaniki. W Queries zastanawiał się, czy ruch cząstek światła w pobliżu ciała uginającego nie przypomina ruchu węgorza, co miałoby w rezul­tacie dawać periodyczne prążki.

Konkurencyjnym poglądem na naturę światła była teoria impul­sowa lub falowa Huygensa, przedstawiona w 1678 r. przed paryską Akademią Nauk, a opublikowana dopiero w 1691 r. jako Traité de la lumiere (Traktat o świetle). Teoria Huygensa była w pewnym stopniu rozwinięciem idei Hooke'a. Huygens podobnie jak Kar­tezjusz (i Hooke) odrzucał istnienie próżni i sądził, że świat wypeł­nio­ny jest eterem. Światło miało być ruchem przekazywanym przez sprężyste cząstki eteru. Owo przekazywanie ruchu przypominałoby uderzenie rozpędzonej kuli w szereg stykających się, nieruchomych kul. Jeśli tylko kule są jednakowe i doskonale sprężyste, to ruch zostanie przekazany od pierwszej do ostatniej bez strat. Wielka pręd­kość światła (obliczona w 1676 r. przez pracującego również w Paryżu Roemera) świadczyć miała o ogromnej sprężystości eteru.

Teoria falowa próbowała również wyjaśnić prostoliniowe roz­cho­dzenie się światła. Cząsteczki ciała poruszając się gwałtownie, np. pod wpływem ognia, przekazują swój ruch eterowi, wzbudzając w nim fale elementarne. Fale te następnie składają się w jeden sil­niejszy impuls, który obserwujemy. Czoło tak powstałej fali wypad­ko­wej jest obwiednią owych elementarnych fal (na ogół kulistych) – jest to sławna zasada Huygensa. Huygens mówi wprawdzie o falach i powołuje się na analogię do fal wodnych, lecz uważa owe impulsy za nieokresowe, jego fale są zaburzeniami bez żadnej okresowości przestrzennej czy czasowej, przypominają raczej fale uderzeniowe rozchodzące się po wybuchu. Fala za szczeliną będzie mieć brzegi prostoliniowe – dowodzi Hugens – części fal bowiem, które rozchodzą się poza obszarem geometrycznego cie­nia, są „zbyt słabe, aby wytworzyć tam światło”.

Huygensowi udało się ze swej intuicyjnej zasady wyprowadzić prawo odbicia oraz prawo załamania. To drugie wymagało, aby pręd­kość światła, np. w wodzie, była mniejsza niż w powietrzu, odwrotnie niż u Newtona. Doświadczalne rozstrzygnięcie sprzecz­ności między obiema teoriami było jednak jeszcze długo niemoż­liwe z powodu wielkiej prędkości światła i trudności technicznych pomiaru.

Ryc. 16 Rozchodzenie się fal za szczeliną według Newtona

Newton z kolei sądził, że fale nie mogą rozchodzić się prosto­liniowo i muszą silnie uginać się (jak powiedzielibyśmy dzi­siaj) na przeszkodach. Rycina z Principiów ilustruje jego pogląd na moż­li­wość objaśnienia zjawisk świetlnych za pomocą fal (ryc. 16). O róż­nicy między zachowaniem się fal (w tym wypadku dźwię­ko­wych) i świat­ła świadczył jego zdaniem fakt, że dzwon albo działo słychać zza wzgórza nawet wtedy, gdy ich nie widać. Ponieważ jednak cienie przedmiotów są ostro zarysowane, przeto światło nie może być falą.

Oczywiście ani Huygens, ani Newton nie potrafili analizować nakładania się fal – zjawisk interferencji i dyfrakcji. Dlatego nie zdawali sobie sprawy z roli długości fali jako naturalnej skali odleg­łości, powyżej której zjawiska dyfrakcyjne stają się niewidoczne. Okresowe zmiany barwy w cienkich warstwach, które są od XIX w. podręcznikowym przykładem interferencji fal, były dla Newtona kolejnym argumentem przeciwko teorii impulsowej typu Huygensa czy Hooke'a: uważał bowiem, iż nie ma powodu, aby fala zacho­wywała się w taki sposób.

Aby objaśnić barwy obserwowane w cienkich płytkach, Newton odwołał się jeszcze raz do wpływu eteru. Gdy cząstka światła prze­chodzi przez pierwszą powierzchnię płytki, wywołuje efekt podob­ny jak wrzucenie kamienia do wody: w eterze rozchodzi się fala składająca się z kolejnych zgęszczeń i rozrzedzeń. Fala ta wyprze­dza cząstkę światła. Gdy cząstka światła dociera do drugiej po­wierzchni, może zostać przepuszczona albo odbita – w zależności od tego, czy natrafi tam na rozrzedzenie, czy na zgęszczenie eteru. Każdej barwie światła odpowiadałaby więc fala eteru o określonej długości.

Fale eteru wyjaśniać miały również widzenie barw. Różne rodzaje drgań, wywołanych uderzaniem promieni świetlnych o siat­kówkę, przenoszone są wzdłuż nerwów do sensorium, gdzie powstaje wrażenie. Mieszanie się rozmaitych drgań wytwarza wraże­nia bieli, drgania o największej długości odpowiadają wrażeniu czer­wieni i żółci itp. Konsonanse tych drgań byłyby odpowiedzialne za harmonię kolorów – pomysł, do którego Newton był bardzo przywiązany. Naciskając oko palcem w ciemności, można wywołać trwające około sekundy wrażenie tęczowych kół, co potwierdza, że drgania mechaniczne są przyczyną wrażeń wzrokowych.

Optyka pisana była już po Principiach i wyjaśnienia odwołujące się do eteru nie wydawały się wtedy Newtonowi zbyt pewne. Aby uniknąć wdawania się w hipotetyczne spekulacje na temat fal eteru, przyjął teorię tzw. przystępów zdolności odbijania. Promień świet­l­ny znajdowałby się periodycznie w stanie pozwalającym na łatwe przejście przez granicę ośrodków bądź łatwe odbicie od tej granicy. Każdy promień doświadczałby takich okresowych nawrotów zdol­ności przechodzenia i odbijania już od chwili swego wysłania. Teoria taka jest niezgodna z doświadczeniem. Przewiduje np. zaw­sze odbicie części promieni od pierwszej powierzchni, niezależnie od grubości płytki. Tymczasem przy pewnych grubościach nie mamy wcale odbicia, co zauważył w XIX w. Fresnel. Wtedy też do­pie­ro udało się znacznie lepiej wyjaśnić zjawiska odkryte przez Newtona i Hooke'a. Falowa teoria Fresnela objaśnia zresztą barwy cienkich warstw w sposób bliższy pomysłowi Hooke'a.

Choć Newton zdawał sobie sprawę, że trudno wykazać doś­wiad­czalnie istnienie eteru, to jednak podobnie jak Huygens speku­lował na jego temat przez całe życie. Teoria przystępów nie oznaczała bynajmniej odrzucenia samej koncepcji eteru, była jedynie próbą oddzielenia wiedzy sprawdzonej doświadczalnie od hipotez. Eter nadal wydawał się najlepszym, jeśli nawet tylko hipo­tetycznym, wyjaśnieniem przystępów łatwego odbicia. W 1717 r. do kolejnego wydania Optyki dołączył serię Queries dotyczących eteru. Teraz eter zgodnie z mechaniką Principiów miał być bardzo roz­rzedzony. Musiał też przenosić fale sprężyste prędzej niż biegnie światło – aby objaśnić zjawiska w cienkich warstwach. W rezul­tacie jego właściwości stały się jeszcze bardziej niezwykłe niż dawniej: miał być wieleset tysięcy razy rzadszy od powietrza i jedno­cześnie wieleset tysięcy razy bardziej od niego sprężysty.

Obie teorie, Huygensa i Newtona, napotykały trudności, o któ­rych ich twórcy wspominali niechętnie. Huygens unikał mówie­nia o barwach, Newton nie mówił wprost o cząstkach światła. Obie teorie okazały się w różny sposób przydatne w badaniu dwój­łomności. Zjawisko odkryte w roku 1669 przez Duńczyka Erasmusa Bartholina w kryształach szpatu islandzkiego (kalcytu) polega na rozsz­czepieniu padającego światła na dwie części: jedna załamuje się zgodnie z prawem Snella (promień zwyczajny), druga nie­zgodnie (promień nadzwyczajny). Huygens objaśnił załamanie promienia nadzwyczajnego przyjmując, że fale elementarne są w tym wypadku elipsoidami (a nie sferami). Udało mu się ustalić rozmiary i orien­tację tych elipsoid względem kryształu, a tym samym podać prawo załamania promienia nadzwyczajnego.

Huygens sądził, że promień zwyczajny przenoszony jest przez eter wypełniający kryształ, promień nadzwyczajny natomiast – przez cząstki samego anizotropowego kryształu. Nie udało mu się jednak wyjaśnić w ten sposób zjawiska, które sam odkrył i sumien­nie opisał w swoim Traité. Gdy mianowicie promień światła rozsz­cze­pio­ny przez kryształ szpatu przepuścimy przez drugi identycznie ustawiony kryształ, to promienie już nie rozszczepią się ponownie, lecz zwyczajny załamie się zwyczajnie, a nadzwyczajny – nadzwy­czaj­nie. Gdy drugi kryształ obrócimy o kąt prosty względem pierw­szego, to oba promienie zamienią się rolami, przy czym znów nie rozszczepią się na dwa.

Z punktu widzenia Newtona (który zajął się tym problemem w 25. Query) sytuacja jest jasna: mamy tu jeszcze raz do czynienia z analizą światła. Zjawiska opisane przez Huygensa można objaśnić pewną symetrią prostokątną promieni, które byłyby zatem czymś w rodzaju magnesów posiadających bieguny. Padające światło roz­dzie­la się na dwa promienie o różnych orientacjach; po przejściu do drugiego kryształu oba promienie zachowują w dalszym ciągu swoje orientacje. Newton naszkicował jedynie ideę, dość bliską po­la­ry­zacji (która jest przyczyną zjawiska). Nie starał się jednak objaśnić istotnych trudności: dlaczego światło dzieli się tylko na dwie wiązki zamiast na nieskończenie wiele jak w pryzmacie ani jak objaśnić mechanicznie bieg promienia nadzwyczajnego.

Dopiero w 1706 r., w 29. Query do Optyki Newton postawił wprost pytanie, czy światło nie składa się z cząstek. Nigdy jednak nie sformułował tej hipotezy jako jedynej możliwej do przyjęcia. Podstawowe pytanie siedemnastowiecznych badaczy: Czy światło jest cielesne, czy też jest ruchem? – pozostało bez definitywnej odpowiedzi.