Довольно трудно решить вопрос, к какому времени относятся первые научные открытия Ньютона. Брюстер полагает, что удачные опыты над разложением световых лучей призмою были сделаны Ньютоном в 1666 году. Это мнение подтверждается самим Ньютоном в письме его к Ольденбургу, где прямо указан год.
Познакомившись с трудами Кеплера, Декарта и своего учителя Барроу, Ньютон как ум вполне независимый никому не поверил на слово. Сохранились сведения, что упомянутая покупка Ньютоном призмы в 1664 году была сделана главным образом с целью проверить учение Декарта, имевшее наиболее философскую и законченную форму. Декарт, как известно, объяснял все при помощи своих вихрей. Племянник Ньютона, Кондуит, вероятно со слов самого Ньютона, утверждает, что его дядя “весьма скоро выработал собственные взгляды на эти вопросы и признал учение Декарта ложным”. Еще менее он мог усвоить взгляды своего учителя Барроу, который утверждал, например, следующее: “Красный цвет есть испускание света более яркого, чем обыкновенный, но прерванного промежутками тени”.
Как видно из слов Ньютона, его оптические исследования первоначально имели тесную связь с практической астрономией. В начале 1666 года он много работал над шлифовкою увеличительных стекол и зеркал. Эти работы познакомили его опытным путем с основными законами отражения и преломления, с которыми он был уже теоретически знаком по трактатам Декарта и Джемса Грегори. Декарт еще в 1629 году выяснил ход лучей в призме и в стеклах различной формы; он даже придумал механизмы для полировки стекол. Современник Ньютона шотландский профессор Грегори построил модель замечательного для своего времени телескопа, основанного на теории вогнутых зеркал. До того времени удавалось лишь устройство преломляющих телескопов (рефракторов); теорию их дал Декарт, а Гюйгенс сумел соорудить великолепный инструмент, далеко оставивший за собою первые попытки Галилея и позволивший своему изобретателю открыть кольца и спутники Сатурна. Таким образом, еще до Ньютона практическая оптика достигла значительной степени совершенства и была одною из наук, наиболее занимавших тогдашний ученый мир.
Зато теория преломления весьма мало подвинулась со времен Декарта, открывшего основной закон, которым устанавливается известная зависимость между углом падения и утлом преломления, то есть разрешившего геометрическую часть вопроса. О цветах радуги и цветах тел существовали весьма сбивчивые понятия: почти все тогдашние ученые ограничивались утверждением, что тот или иной цвет представляет либо “смешение света с тьмою”, либо соединение других цветов. Само собою разумеется, что такой очевидный факт, как радужное окрашивание, наблюдаемое при рассматривании предметов сквозь призму или сквозь плохое оптическое стекло, был слишком известен всем, занимавшимся оптикою, и к уничтожению этого окрашивания прилагались все усилия техники, хотя еще не была понята его истинная причина. Но все были твердо убеждены в том, что всякого рода лучи при прохождении сквозь призму или сквозь увеличительное стекло преломляются совершенно одинаково. Окрашивание и радужные каймы приписывали исключительно неправильностям поверхности призмы или стекла и воображали, что эти явления можно было бы уничтожить, если бы призма имела математически плоские или гладкие грани.
Работы Ньютона были на время прерваны появлением в Кембридже какой-то эпидемии, заставившей его уехать в свой родной Вульсторп. По возвращении в Кембридж он достал хорошую трехгранную призму и после некоторых попыток придумал следующий опыт: просверлив малое отверстие в оконной ставне, он пропустил сквозь него солнечные лучи и изолировал таким образом пучок лучей в темной комнате; мысль совершенно правильная, потому что при наблюдении массы света явления стушевываются. Это был уже первый шаг к анализу света.
Поставив призму так, что одна из ее граней была почти горизонтальна, и пропустив пучок лучей сквозь боковые грани, Ньютон увидел на противоположной стене продолговатую радужную фигуру, или спектр, который в его опыте имел длину в пять раз больше ширины. Такого отчетливого и прекрасного явления нельзя было получить иначе, как с тонким пучком лучей и в темной комнате, и первое впечатление, испытанное Ньютоном, было чисто эстетического характера. “Чрезвычайно приятное развлечение, – пишет Ньютон, – доставил мне вид этих чистых и ярких цветов”. Физика и даже математика имеют свою художественную сторону.
За эстетическим впечатлением последовал научный анализ явления. По тогдашним теориям все лучи должны были преломиться одинаково; каким же образом цилиндрический пучок лучей, пройдя сквозь призму, дал вместо круглого или чуть-чуть овального вследствие некоторого наклона лучей такое изображение, которое представляло эллипс чрезвычайно вытянутый, похожий скорее на полосу, чем на круг? Очевидно, что лучи, вместо того чтобы оставаться параллельными, сильно разошлись между собой. Но одна геометрия не объясняла дела: надо было искать физического объяснения явления. Не происходит ли оно оттого, что солнечный диск (круг) дает различные лучи, смотря по тому, исходят ли они из середины или с краев диска? Ньютон легко убедился, что это геометрическое объяснение неосновательно. Вычисление показало ему, что солнечный диск, видимый с земли под углом немногим более половины градуса, не мог повлиять на расхождение лучей, составлявшее в его опыте более двух с половиной градусов. “Любопытство побудило меня опять взять призму, – рассказывает Ньютон. – Я стал тогда подозревать, что лучи после прохода сквозь призму искривляются”. Проверив это опытом, он, однако, увидел, что лучи хотя и расходятся, но идут прямолинейно. В этом он легко убедился, изменяя расстояние между доской (экраном), на которой воспринимал спектр, и отверстием в ставне. Оказалось, что длина спектра при двойном удалении экрана увеличивается ровно вдвое и так далее, то есть соответствует законам прямолинейной перспективы; ясно, что лучи вовсе не искривляются.
Разные неосновательные “подозрения” – так называл Ньютон свои гипотезы – навели его наконец на мысль сделать следующий опыт. Подобно тому, как в начале своего анализа он уединил тонкий пучок белых солнечных лучей, так теперь ему пришла на ум мысль уединить часть преломленных лучей. Это был второй и важнейший шаг в деле анализа спектра. Заметив, что в его опыте фиолетовая часть спектра всегда была наверху, ниже синяя и так далее до нижней красной, Ньютон попытался уединить лучи одного какого-нибудь цвета и исследовать их отдельно. Взяв дощечку с весьма малым отверстием, Ньютон приложил ее к той поверхности призмы, которая обращена к экрану, и, прижимая к призме, передвигал то вверх, то вниз, причем без труда достиг уединения одноцветных, например одних красных, лучей, прошедших сквозь малое отверстие в дощечке. Новый, еще более тонкий пучок чисто красных лучей подлежал дальнейшему исследованию. Пропустив красные лучи сквозь вторую призму, Ньютон увидел, что они снова преломляются, но на этот раз все почти одинаково. Ньютон думал даже, что совсем одинаково, то есть считал одноцветные лучи вполне однородными. Повторив опыт над желтыми, фиолетовыми и всеми остальными лучами, он наконец понял главную особенность, отличающую те или иные лучи от лучей другого цвета. Пропуская сквозь одну и ту же призму то одни красные лучи, то одни фиолетовые и так далее, он окончательно убедился, что белый свет состоит из лучей разной преломляемости и что степень преломляемости находится в тесной связи с качеством лучей, именно с их цветом. Оказалось, что красные лучи наименее преломляемы и так далее до наиболее преломляемых – фиолетовых.
Открытие различной преломляемости лучей и составляет капитальный результат анализа, произведенного Ньютоном, результат, подтвержденный всеми позднейшими исследованиями и послуживший исходным пунктом целого ряда научных открытий. Ньютон ошибался в частностях и не мог, конечно, предвидеть всех позднейших выводов. Но ему принадлежит честь основного анализа, доказавшего, что качественные различия лучей зависят от различий, доступных точному количественному измерению, а такое приведение качества к количеству всегда составляет огромный шаг вперед в науке. Дальнейшее развитие идеи Ньютона привело в новейшее время к открытию так называемого спектрального анализа, сделанному гейдельбергскими учеными Бунзеном и Кирхгофом. В самом измерении преломляемости лучей сделаны огромные успехи, да и теория преломления совершенно изменилась благодаря тому, что одержало верх учение о волнообразном движении эфира, которое Ньютон горячо оспаривал.