Johann Kern, Stuttgart, jo_k@gmx.net
Прав ли был Ньютон?
Разлагает ли призма солнечный свет на цветовые составляющие?
В результате эксперимента установлено, что свет разделяется на цветовые составляющие не при входе в призму, а только при выходе из неё. Так как принято считать, что скорость света всех цветов в воздухе одинакова, то это разделение невозможно объяснить ни на основе волновой, ни на основе
корпускулярной теории света.
В справочниках и учебниках [1], [2, Abb. 9.23] принято давать следующую схему хода лучей в призме (Рис. 1):
Рис. 1. Имеющий, якобы, место ход лучей в призме.
w – белый свет, r – красный, v – фиолетовый. 1 – пластинка (лист бумаги), которую можно передвигать вдоль плоскости призмы, постепенно перекрывая часть выходящих из неё лучей.
Тот, кто работал только со стеклянными призмами и только с узкими лучами света, вряд ли будет иметь основания сомневаться в правильности этого рисунка.
Из этого рисунка нетрудно догадаться, что разложение происходит (должно происходить) внутри тела призмы. При выходе лучей из призмы никакого разложения на цветовые составляющие не происходит, но при этом появляется своего рода „возможность фиксации“ этого разложения. Удобно рассматривать радужную полоску света на экране на некотором расстоянии от призмы. Но, если всё вышесказанное правильно, то должна существовать ещё одна возможность: если к поверхности призмы приложить белый, но достаточно тонкий лист бумаги, мы должны увидеть на нём, как и на экране, хотя и более узкую, но радужную полоску.
Однако мы её не видим.
Кроме того, если мы на поверхности призмы попытаемся непрозрачным предметом (пластинкой 1, рис. 1) перекрыть часть поверхности, из которой выходят преломленные лучи, мы должны получить постепенное исчезновение части цветов спектра. Однако при любом старании мы этого получить не можем. Мы можем при этом получить более бледный спектр (фото 1) или полное его исчезновение, но погасить один или часть из цветов радужного спектра мы не можем. Ближе ж к экрану, на некотором отдалении от поверхности призмы, мы можем с лёгкостью перекрыть любую часть спектра.
Если же мы возьмём не стеклянную призму, а аквариум в форме призмы, то мы можем повторить тот же опыт с попыткой перекрыть часть спектра непрозрачной пластинкой, при перемещении пластинки по внутренней стенке аквариума. С тем же успехом, верней, при той же безуспешности нашей попытки. Но если наша непрозрачная пластинка будет белой, мы сможем дополнительно убедиться в том, что полоска света, которую мы пытаемся перекрыть внутри аквариума, вовсе не радужная, а просто белая. Никакого разложения света внутри
Фото 1. Слева – снимок участка радужной полоски, получаемой на экране при разложении полоски солнечного света призмой.
Справа – та же радужная полоска при попытке перекрыть часть полоски света, выходящей из призмы, и тем самым получить на экране только часть цветового спектра. Перекрытие осуществляется непрозрачной пластинкой, перемещаемой по плоскости призмы, из которой выходят лучи, образующие на экране радужную полоску.
Водяной разлагающей призмы не получается.
Конечно, Ньютон и Гюйгенс, уверенные в абсолютной правильности рис. 1, могли пренебречь столь простой проверкой известного им факта разложения солнечного света призмой. Но оба они наверняка не однажды бродили в солнечный день босиком по песчаному морскому мелководью. Поверхность моря, даже на мелководье, редко бывает спокойной. При лёгком волнении поверхности воды они должны были обнаружить перекрещивающиеся яркие полоски света на морском дне, в том числе и на границе со своей собственной тенью. Это должно было заставить их задуматься о том, что они видят результат работы бесконечного числа „призм“, в которых свет доходит только до противоположной стенки „призмы“. В ту пору из-за преломления света и его физической сущности ломались копья, и их обоих должно было волновать всё связанное или граничащее с преломлением света в призме. Они должны были обратить внимание на то, что никакие цветные полоски на песчаном морском дне при этом не возникают, и что это противоречит пониманию процесса разложения света, которого они оба придерживались. Но нет ничего труднее, чем заметить нечто необычное в обычном, и ещё труднее осознать увиденное. Ещё Архимед и Аристотель видели медленное качающееся падение пёрышек и листьев наряду с быстрым падением камней или сучьев, но человечеству понадобилось целых два тысячелетия и гениальная наблюдательность Галилея, чтобы понять, что виновата в этом вовсе не относительная тяжесть падающих предметов, а наличие (сопротивления) воздуха.
Но вернёмся к нашим простым экспериментам. На их основе мы должны придти к выводу, что при разложении света призмой происходит следующее (Рис. 2):
Рис. 2. Действительный ход лучей в призме.
w – белый свет, r – красный, v – фиолетовый. 1 – пластинка (лист бумаги), которую можно передвигать вдоль плоскости призмы, постепенно перекрывая часть выходящих из неё лучей.
Луч света в месте входа в призму расходится конусом, но не разделяется при этом на лучи различных цветов. Разделение на цвета происходит в каждой точке выхода конуса света из призмы. Убедиться в этом очень просто: при малейшем зазоре между нашим листом бумаги (экраном) и поверхностью призмы начинается игра цветов. Прижмите лист бумаги к поверхности призмы – и все цвета снова исчезают.
Совершенно ясно, что в случае рис. 2 при перемещении пластинки 1 и перекрытии этим части выходящих из призмы лучей, исчезновения части лучей спектра ожидать нельзя, но можно предсказать изменение яркости радужной полоски, что и наблюдается в действительности (см. фото 1).
Кстати, можно отметить ещё одно обстоятельство. В соответствии с рис. 2 наиболее чёткая радужная полоска должна наблюдаться на некотором расстоянии (своего рода фокусном расстоянии) от призмы, что и наблюдается. В соответствии же с рис. 1 хорошая радужная полоска должна быть видна в непосредственной близости к плоскости призмы, а её не видно. Этот факт был известен, но на него никто не обращал внимания.
Что же из этого следует?
Прежде всего – то, что Ньютон и Гюйгенс недостаточно точно сформулировали происходящий процесс: разложение света на цветовые составляющие происходит не внутри призмы, а при выходе света из неё. Но в одном они были абсолютно правы – свет призмой действительно разлагается.
Но нас интересует, конечно, не то, что как Ньютон, так и Гюйгенс могли ошибаться или быть недостаточно наблюдательными, а то, что из этого следует с точки зрения понимания сущности света. При этом у нас возникает масса вопросов.
1. Если свет внутри призмы не разлагается на цветовые составляющие, то разлагается ли он по скоростям (внутри оптически более плотной среды)?
1-1. Если да, то мнение о том, что цветовая окраска лучей света зависит от их скорости (внутри оптически более плотной среды) не соответствует действительности.
1-1-1. Если да, то почему лучи одной и той же скорости при выходе из призмы разлагаются на различные цвета?
1-2. Если нет, то свет и внутри оптически более плотной среды имеет одну и ту же скорость.
1-2-1. Если нет, то чем объяснить расхождение луча света при входе в оптически более плотную среду?
1-2-2. Если нет, то свет не является волной.
2. Чем объяснить разложение света на цветовые составляющие при выходе из более плотной оптической среды? Волновая теория при этом явно не проходит, так как принято считать, что скорость света всех цветов в воздухе одинакова, и потому из одной точки не могут появиться лучи нескольких направлений.
Не означает ли это, что свет не является волной?
Этот вывод, казалось бы, был бы на радость Ньютону, если бы он мог познакомиться с этой работой. Но, увы, свет нельзя считать и частичками. Направления скоростей для частичек получаются точно такими же, как и в случае волны (см. часть 7 книги [4]). И в случае частичек объяснить расхождение лучей на выходе из призмы невозможно. Не проходит и метод Ферма (см. там же)
Что же такое свет?
Свет получается ещё более таинственным, чем мы его знали до сих пор?
Не объяснить, а просто описать поведение света в призме можно следующим образом.
Поток света состоит из многих лучей, обладающих различными качествами (принято говорить, что они имеют различные цвета).
При вхождении в оптически более плотную среду луч света преломляется и разделяется по направлению в зависимости от величины, от выраженности одного из качеств, которое он приобретает в этой среде (принято говорить, что в оптически более плотной среде изменение направления происходит в зависимости от скорости лучей различного цвета).
При выходе из оптически более плотной среды луч света опять преломляется и теряет качество, приобретённое им в оптически более плотной среде (принято говорить, что скорости лучей света, независимо от их цвета, опять становятся одинаковыми). При этом он вновь разделяется по направлению в зависимости от меры качества, приобретаемого им при новом переходе (т.е., в зависимости от цвета, приобретаемого лучами при выходе из призмы, при переходе из оптически более плотной среды в менее плотную).
Это описание звучит несколько кабалистически, но возможно, со временем найдётся не только более удачное описание, но и объяснение поведения света. Существующее объяснение на основе волновой теории звучит намного приятнее и логичнее, но, к сожалению, не соответствует истине (если скорости лучей различного цвета в воздухе в достаточной мере одинаковы).
Мы всё ещё можем утверждать, что коэффициент преломления для различных цветов различный, но только при выходе лучей из оптически более плотной среды. При входе в призму это объяснение становится неуместным.
Волновая теория на выходе света из призмы явно не работает. Поэтому нет смысла утверждать, что она выполнима внутри призмы или до входа в неё.
Разложение света на цветовые составляющие при выходе из призмы заставляет вспомнить идею, существовавшую во времена Ньютона, об изменении скорости (частичек) света при подходе к поверхности тела, иначе говоря, идею о бесконтактном взаимодействии (частичек) света с веществом. Как волновая, так и корпускулярная теории света приводят к мысли (см. [3] и часть 7 в книге [4]), что при входе света в оптически более плотную среду должно происходить разделение по направлениям в зависимости от скорости составляющих луча света. При этом молча предполагается, что эти составляющие существуют изначально независимо друг от друга в исходном луче. А что, если это не так?
На этот вопрос мы пока ответить не можем, но одно предположительно должно выполняться: свет предположительно разделяется внутри призмы по скоростям. Тогда остаётся сделать вывод, что цвета и скорость света (внутри оптически более плотной среды) не имеют ничего общего. Что же такое цвет, о каком свойстве света он говорит?
Первое предположение можно проверить экспериментально. Можно взять лучи различного отклонения в призме и измерить их скорость при прохождении через оптически более плотные среды. Сделать это надо, не выпуская света из призмы (если это возможно), иначе встанет дилемма: скорость лучей какого цвета надо измерять?
На вопрос о том, что такое цвет, так просто не ответить. Конечно, можно сказать: „A зачем вообще спрашивать? Ответ-то известен: различие в частоте!“ Но пять минут тому назад мы были твёрдо уверены, что скорость луча света (внутри оптически более плотной среды) и его цвет неразрывно связаны. Теперь же у нас есть основания говорить противоположное. Мы столько раз заблуждались в своей „надёжно обоснованной“ уверенности, что сомневаться всегда уместно.
Нужны идеи новых экспериментов или просто новые идеи, позволяющие делать новые выводы. Свет далеко ещё не изучен.
Вслед за частью исследователей ньютоновских времён мы имеем полное основание предполагать бесконтактное взаимодействие вещества с лучами света, но мы при этом должны иметь ввиду взаимодействие, приводящее к разложению света на цветовые составляющие при переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. До каких расстояний это взаимодействие эффективно? Что за частицы вызывают это кажущееся бесконтактное взаимодействие?
Когда Ньютон обнаружил явление разложения света призмой на цветовые составляющие, он якобы играл с лучами солнца, проходящими сквозь щели в крыше. Разумеется, эти лучи были узкие. С тех пор считается, что в случае использования широких лучей радуга как бы разделится наполовину, и средняя часть будет белой. Так оно и должно быть в соответствии с существующей теорией, т.е. в соответствии с рисунком 1.
Но те, кто имеют аквариумы, периодически освещаемые солнцем, хорошо знают, что безо всякого ограничения солнечных лучей по ширине, в комнате периодически появляется отличная яркая радуга, причём очень большой ширины. И это легко объясняется в соответствии с рис. 2. Наверняка подобное видели и профессора физики. Но спросите их в тот момент, когда они эту радугу не видят, и они скажут вам, что это невозможно. Такова сила вбитых в нашу голову „непреложных истин“.
Литература:
1. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич, Справочник по элементарной физике, стр. 158, изд-во “Наука”, Москва, 1980.
2. H. Vogel, Gerthsen Physik, 18. Auflage, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 1995, S. 487
3. O. Höfling, Physik, Band II Teil 2, стр. 639 – 641, Dümmler, Bonn 1986
4. Йохан Керн. Разгадка вечных тайн природы, изд-во Политехнического университета, Санкт-Петербург, 2010. (В печати. 205 стр. А5 с иллюстрациями. Книга может быть заказана и куплена через e-mail контакт с Александром Даниловым
dadtada@mail.ru)