Оптика ( — трактат англійського вченого Ісаака Ньютона (1642—1727). Вперше опублікований англійською мовою 1704 року; латинський переклад вийшов 1706 року. (Opticks was originally published in 1704). В «Оптиці» розглянуто фундаментальні закони, що стосуються проходження світла при заломленні через призми і лінзи, дифракції, інтерференції, а також теорії змішування кольорів.
«Оптика» — друга велика праця Ньютона з фізичної науки, її вважають однією з трьох головних праць із оптики періоду наукової революції (разом із Йоганна Кеплера та Християна Гюйгенса.
Книга складається з трьох частин. У першій книзі подано основи геометричної оптики, теорію дисперсії світла та вчення про склад білого кольору. Друга книга присвячена інтерференції світла в тонких плівках. У третій книзі розглянуто дифракцію і поляризація світла. Остання книга закінчується , що стосуються різноманітних предметів, окремі з яких не стосуються оптики.
Огляд Видання «Оптики» стало важливим внеском у науку, відмінним від «Начал», але в деякому сенсі міг з ними змагатися, проте ім'я Ньютона не з'явилося на обкладинці першого видання. «Оптика» — це значною мірою запис експериментів та висновків, зроблених на їх основі, які охоплюють широкий спектр тем у галузі, яка пізніше стала відомою як фізична оптика. (Opticks was originally published in 1704). Тобто, ця робота не є геометричним обговоренням чи , традиційних тем відбиття світла дзеркалами різної форми та дослідження того, як світло «згинається», коли воно переходить з одного середовища, як-от із повітря, в інше, як-от у воду чи скло. Швидше, «Оптика» — це дослідження природи світла та кольору, а також різних явищ дифракції, які Ньютон назвав «згинанням» світла.
Ньютон повністю викладає свої експерименти з дисперсії, про які вперше повідомив Лондонському королівському товариству 1672 року, або розкладання світла на спектр. Він демонструє, як колір виникає внаслідок вибіркового поглинання, відбиття або пропускання різних складових частин світла.
Головне значення роботи Ньютона в тому, що вона спростувала догму, яку приписували Арістотелю чи Теофрасту та яку приймали вчені часів Ньютона, про те, що «чисте» світло (як-от світло, приписуване Сонцю) є фундаментально білим або безбарвним і перетворюється на колір завдяки змішуванню з темрявою, спричиненою взаємодією з матерією. Ньютон показав протилежне: світло складається з різних спектральних відтінків (він описує сім — червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, синій, індиго та фіолетовий), і всі кольори, включно з білим, утворюються різним змішуванням цих відтінків. Він демонструє, що колір виникає з фізичної властивості світла — кожен відтінок у призмі або лінзі заломлюється під характерним кутом — але він чітко стверджує, що колір — це відчуття в мозку, а не невід'ємна властивість матеріальних об'єктів або самого світла. Наприклад, він демонструє, що можна отримати червоно-фіолетовий (пурпуровий) колір, перекривши червоний та фіолетовий кінці двох спектрів, хоча цей колір не з'являється в спектрі і тому не є «кольором світла». Поєднавши червоний і фіолетовий кінці спектра, він систематизував усі кольори у вигляді колірного кола, яке дає змогу як кількісно передбачити результати змішування кольорів, так і якісно описати сприйняту схожість відтінків.
Внесок Ньютона у дослідження призматичної дисперсії полягав у тому, що він першим запропонував схеми з використанням систем із декількох призм. Багатопризмові конфігурації, як розширювачі променя, стали центральними в розробці настроюваного лазера понад 275 років потому та заклали основу для розвитку .
Порівняння з «Началами»
«Оптика» багато в чому відрізняється від «Начал». Вперше її опубліковано англійською мовою, а не латиною, якою користувалися європейські філософи, що сприяло розвитку народної наукової літератури. Ці книги були взірцем науково-популярного викладу: хоча англійська мова Ньютона дещо застаріла — він виявляє схильність до довгих речень з багатьма вбудованими уточненнями — книга все ще може легко зрозуміти сучасний читач. Натомість, мало хто з читачів часу Ньютона вважав «Начала» доступними або навіть зрозумілими. Його формальний, але гнучкий стиль демонструє розмовні вирази та метафоричний вибір слів.
На відміну від «Принципії», «Оптика» не побудована на геометричній традиції, згідно з якою твердження доводиться шляхом дедукції з попередніх тверджень, лем або перших принципів (або аксіом). тверджень, що доводяться шляхом дедукції з попередніх тверджень, лем чи (або аксіом). Натомість аксіоми визначають технічні терміни або фундаментальні властивості матерії та світла, а сформульовані твердження демонструються за допомогою конкретних, ретельно описаних експериментів. У першому реченні Книги I проголошено: «Моя мета в цій книзі не полягає не в тому, щоб пояснити властивості світла гіпотезами, а в тому, щоб запропонувати та довести їх за допомогою розуму та експериментів». У Experimentum crucis або «критичному експерименті» (Книга I, Частина II, Теорема II) Ньютон показав, що колір світла відповідає його «ступеню заломлення» (кут заломлення), і що цей кут не можна змінити додатковим відбиттям або заломленням, або пропусканням світла через кольоровий фільтр.
Ця праця є вадемекумом мистецтва експериментатора, що демонструє на багатьох прикладах, як використовувати спостереження для висування фактичних узагальнень про фізичний світ, а потім виключати конкурентні пояснення за допомогою конкретних дослідних перевірок. На відміну від «Начал», які проголошували гіпотези Non fingo або «Я не висуваю жодних гіпотез» поза дедуктивним методом, «Оптика» розвиває гіпотези про світло, які виходять за рамки експериментальних доказів: наприклад, що фізична поведінка світла зумовлена його «корпускулярною» природою як малих частинок, або що сприйняті кольори гармонійно пропорційні, як тони діатонічної музичної гами.
Питання
Спочатку Ньютон планував написати чотири книги, але він пропустив останню книгу про далекодію. Замість цього він завершив «Оптику» набором питань без відповідей та позитивних тверджень, які в третій книзі називаються «питаннями» (). Перший набір Питань був коротким, але пізніші перетворилися на короткі есе, що займали багато сторінок. У першому виданні було шістнадцять таких питань; у латинському виданні 1706 року, і в переробленому англійському виданні, опублікованому в 1717—1718 роках, їх кількість зросла до 23. У четвертому виданні 1730 року було 31 питання.
Ці питання, особливо пізніші, стосуються широкого кола фізичних явищ, які виходять за рамки теми оптики. Вони стосуються природи та передавання тепла; можливої причини гравітації; електричних явищ; природи хімічної дії; способу, в який Бог створив матерію; належного способу займатися наукою і навіть етичної поведінки людей. Ці питання насправді не є питаннями у звичайному сенсі. Майже всі їх сформульовано в заперечній формі, як риторичні питання. Тобто, Ньютон не запитує, чи світло «є» чи «може бути» «тілом». Натомість він заявляє: «Хіба світло не є тілом?» Стівен Гейлс, переконаний прихильник Ньютона початку XVIII століття, заявив, що це ньютонівський спосіб пояснення «за допомогою питань» ().
Визначні питання Перше питання звучить так: «Хіба тіла не діють на світло на відстані та своєю дією не заломлюють його промені; і хіба ця дія (caeteris paribus) не є найсильнішою на найменшій відстані?», припускаючи вплив сили тяжіння на траєкторію світлових променів. Це припущення з'явилося за два століття до передбачення гравітаційного лінзування в рамках загальної теорії відносності Альберта Айнштайна, згодом підтвердженого 1919 року.
У питанні 3 робиться спроба пояснити дифракцію та кільця Ньютона, розглядаючи «вугроподібний» рух світлових частинок під час проходження повз краї. Ньютон раніше пояснював, що цей рух виникає внаслідок коливань у світлоносному ефірі, які спричиняють певну взаємодію між частинками та їхнім власним середовищем. У XIX столітті хвильова теорія витіснила цю теорію, але з появою квантової механіки деякі автори вважають, що теорія пілотних хвиль, одна з , підтверджує корпускулярну теорію Ньютона в цьому плані.
Питання 6 книги гласить: «Хіба чорні тіла не сприймають тепло від світла легше, ніж тіла інших кольорів, оскільки світло, що падає на них, не відбивається назовні, а проникає в тіла і часто відбивається та заломлюється всередині них, доки не заглушиться та не загубиться?», тим самим вводячи поняття абсолютно чорного тіла. Перша частина питання 30 гласить: «Хіба масивні тіла та світло не перетворюються одне в одне?», тим самим передбачаючи еквівалентність маси та енергії.
В останньому питанні (номер 31) розглядається, чи може корпускулярна теорія пояснити, як різні речовини реагують сильніше на одні речовини, ніж на інші, зокрема, як нітратна кислота (aqua fortis) реагує сильніше з каламіном, ніж із залізом. Це 31-е питання часто пов'язують із походженням концепції спорідненості в хімічних реакціях. Різні історики та хіміки XVIII століття, як-от Вільям Каллен і Торберн Бергман, приписували Ньютону розробку таблиць спорідненості.
Прийняття «Оптика» була широко читаною та обговорюваною в Англії та континентальній Європі. Рання презентація роботи Королівському товариству викликала запеклу суперечку між Ньютоном і Робертом Гуком щодо корпускулярної теорії світла, що спонукало Ньютона відкласти публікацію роботи до смерті Гука 1703 року. На континенті, і зокрема у Франції, як «Начала», так і «Оптика» спочатку відкинули багато натурфілософів, які захищали картезіанську натурфілософію та арістотелівську версію кольору і стверджували, що вважають експерименти Ньютона з призмою складними для повторення. Наприклад, арістотелівську теорію фундаментальної природи білого світла захищав аж до XIX століття німецький письменник Йоганн Вольфганг фон Гете в його 1810 року ().
Ньютонівська наука стала центральним питанням в атаці, яку доби Просвітництва розпочали проти натурфілософії, що ґрунтувалася на авторитеті давньогрецьких чи давньоримських натуралістів або на дедуктивному міркуванні з (метод, який пропагував французький філософ Рене Декарт), а не на застосуванні математичних міркувань до досвіду чи експерименту. Вольтер популяризував ньютонівську науку, включивши зміст як «Начал», так і «Оптики», у свою працю «Елементи філософії Ньютона» (1738), а приблизно після 1750 року створено єдину та всеохопну модель ньютонівської науки як поєднання експериментальних методів, наведених в «Оптиці», та математичних методів, наведених у «Началах». Серед головних адептів цієї нової філософії були Бенджамін Франклін, Антуан Лавуазьє та .
Після Ньютона багато чого змінилося. Томас Юнг та Огюстен Жан Френель показали, що хвильова теорія, яку описав Християн Гюйгенс у (1690), може довести, що колір є видимим проявом довжини хвилі світла. Наука також поступово почала усвідомлювати різницю між сприйняттям кольору та математизованою оптикою. Гете зі своєю епічною діатрибою «Теорія кольорів» не зміг похитнути фундамент ньютонівської теорії, але, як пише Джон Тіндаль 1880 року, «одну діру в броні Ньютона Гете знайшов… Ньютон твердо дотримувався думки, що рефракція без зміни кольору неможлива. Тому він вважав, що об'єктиви телескопів назавжди залишаться недосконалими, оскільки ахроматизм і рефракція несумісні. Доллонд довів, що цей висновок хибний».
Історія створення Дослідження в галузі оптики завжди займали важливе місце серед наукових інтересів Ньютона. Ще студентом, 1664 року, він зайнявся розробкою поліпшеної конструкції телескопа. 1666 року намагався власноруч виготовити несферичне скло, але не досяг успіху, і через деякий час облишив ці дослідження. 1668 року в Кембриджі він побудував першу модель телескопа-рефлектора довжиною 15 см із дзеркалом діаметром 25 мм, а до 1671 року побудував другий прилад, більшого розміру та кращої якості.