Физические основы учения о свете и цвете

Начиная с древних времен предлагаемые различными исследователями ответы на вопрос: «Какова природа света и цвета?» долго были очень противоречивы и не базировались на научной основе. И только в XVII веке английский ученый Исаак Ньютон поставил цветоведение на фундамент физического эксперимента с математической обработкой результатов, показав сложную взаимосвязь света и цвета.

Природа света и цвета.В 1666 году, во время Великой чумы, когда Кембриджский университет был закрыт, И. Ньютону пришлось заниматься научными опытами дома, в частности, это были опыты по изучению природы света. Затемнив окно и оставив в нём небольшое отверстие, Ньютон расположил перед солнечным лучом, проникающим сквозь это отверстие, стеклянную призму (объёмное тело, имеющее в основании треугольник). Белый луч света, пройдя через призму, превратился в последовательный ряд цветов, которые отобразились на расположенном позади призмы экране (рис. 1).

Ньютон выделил в этом ряду семь цветов - красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. (Наверное, все бывшие прилежные ученики помнят из школьного курса физики такую фразу: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».)

Далее, расположив за первой призмой ещё одну, Ньютон «собрал» разноцветный разложенный луч опять в пучок белого света, который отразился «солнечным зайчиком» на экране.

Семицветная полоска разложенного луча света называется спектром. Такой же спектр представляет собой радуга. Солнечный свет проходит сквозь многочисленные капли воды, которые играют роль естественных призм, дробящих свет на разные цвета. То есть призма, дождевые капли своей формой преломляют белый луч света, преобразуя его в цветную спектральную полосу.

Так, благодаря злой иронии судьбы - Великой чуме XVII века, давшей возможность Ньютону отвлечься от насущных университетских дел и заняться давно интересующей его проблемой цвета, человечество приблизилось к научному определению природы цвета. Именно, приблизилось, так как это потрясающе красивое природное явление вызывало многочисленные споры учёных на протяжении последующих веков и до сих пор преподносит новые и новые загадки. Очень часто в литературе о цвете встречается такое выражение: «Ньютон доказал, что белый луч света состоит из семи цветных лучей». Это не точная формулировка. Сам Ньютон в своё время уточнял: «По существу же лучи не являются цветными; в них нет ничего, кроме определённой способности и предрасположения вызывать ощущения того или иного цвета. Цвет лучей - это их предрасположение тем или иным способом воздействовать на органы чувств, а их ощущение принимает форму цветов».

Сведения об окружающих предметах мы получаем через ощущения: о теплоте мы судим по осязанию, о сладости - по вкусовым ощущениям, о цвете предмета - по зрительным ощущениям. Более 90% всей информации человек получает через зрительные ощущения. Не напрасно говорят: «Лучше один раз увидеть, чем десять раз услышать».

Современная наука определяет цвет как ощущение, возникающее в органе зрения человека при воздействии на него света.

Если мы выключим ночью в помещении свет, то сможем воспринимать свойства предметов, находящихся там, только посредством осязания. Цвет этих предметов мы определить не сможем. («В темноте все кошки серы».) Следовательно, без света у предметов нет цвета. Цвет не является постоянным свойством (качеством) предмета.

Рассмотрим природу света. В своё время Ньютон доказал опытным путём, что свет - это видимая человеческим глазом область электромагнитных излучений (электромагнитная энергия). От главного источника света нашей Солнечной системы - Солнца - исходит несколько видов электромагнитных излучений (инфракрасные, ультрафиолетовые и видимые волны). Кроме этих световых излучений во Вселенной есть ещё и другие: радиоволны, рентгеновские излучения... Видимая часть электромагнитных излучений - и есть тот белый свет, которому мы обязаны цветами (рис. 2).

Свет принадлежит к сложнейшим явлениям природы. Как уже говорилось, на протяжении многих веков исследователи, начиная с Древней Греции, спорили о том, чем является свет и как он распространяется. И в наши дни это явление не до конца исследовано учёными. В XVII веке Ньютон и другие учёные полагали, что свет состоит из быстро движущихся частиц, которые назвали «корпускулами». Датский учёный X. Гюйгенс утверждал, что свет состоит из волн. В 1801 году английский ученый Т. Юнг поставил ряд опытов с дифракцией света. Это явление состоит в том, что при прохождении через узкую щель свет слегка рассеивается, а не распространяется по прямой линии. Юнг объяснил дифракцию распространением света в форме волн. И в 60-х годах XIX века шотландский ученый Максвелл высказал предположение, что электромагнитная энергия, включая световую, распространяется волнами. Однако к началу XX века немецкий учёный М. Планк доказал, что энергия излучения может существовать лишь в виде крошечных сгустков - квантов. За свою квантовую теорию Планк в 1918 году получил Нобелевскую премию. Квант светового излучения - это частица, называемая фотоном. Нобелевские премии просто так не присуждают. Значит, прав был Ньютон, говоря, что свет - это частицы, а Гюйгенс - ошибался? Вовсе нет! Они оба в какой-то мере правы. Современная наука доказывает двойственность природы света. Так, если на пути света поставить экран с небольшим отверстием, свет ведёт себя подобно океанской волне, способной пройти через любое отверстие. И свет и волна, пройдя сквозь любое отверстие, распространяются затем кругами. С другой стороны, если потоки света падают на поверхность какого-либо металла (процесс поглощения света), то они ведут себя как поток частиц (фотоны), бомбардирующих эту поверхность. Свет выбивает из металла электроны точно так же, как мелкая дробь, ударяясь о бумагу, вырывает из неё клочки. Таким образом, иногда свет ведёт себя как волны, иногда - как частицы.

Итак, на сегодняшний день это - официальная научная версия физической природы света. («Поживём, - увидим» или услышим, что учёные скажут через некоторое время).