Σπουδαία πειράματα στη Φυσική: 1. Πειράματα του Νεύτωνα στην Οπτική.

Ο Ισαάκ Νεύτων πειραματίζεται με το ηλιακό φως. 
Χαρακτικό του Σκωτσέζου ζωγράφου John Adam Houston.

Το 1665 στην Αγγλία ξέσπασε μεγάλη επιδημία πανώλης (πανούκλα), η επονομαζόμενη "Μεγάλη πανώλη του Λονδίνου".

Εκείνη την χρονιά ο Isaac Newton (Ισαάκ Νεύτων) ήταν 22 ετών και μόλις είχε ολοκληρώσει τον πρώτο κύκλο σπουδών του στο Κολλέγιο Trinity του Πανεπιστημίου Cambridge (Καίμπριτζ). Λόγω της επιδημίας το πανεπιστήμιο μπήκε σε καραντίνα και ο Νεύτων, μη μπορώντας να συνεχίσει στον επόμενο κύκλο σπουδών, επέστρεψε στον τόπο καταγωγής του, το Woolsthorpe (Γούλσθροπ) του Lincolnshire (Λίνκολνσαϊρ). Κατά την παραμονή στη γενέτειρά του, η μελέτη και η επιστημονική δραστηριότητά του ήταν τόσο παραγωγική, που στη βιβλιογραφία για τον Νεύτωνα αυτή η περίοδος αναφέρεται ως "Anni Mirabiles" ("Θαυματουργά Χρόνια"). Η προσωρινή αυτή διαμονή στο Γούλσθροπ κράτησε τελικά δύο χρόνια, όσο διήρκεσε η επιδημία. Στην διάρκεια αυτών των δύο ετών, ο Νεύτων δεν ασχολήθηκε μόνο με μαθηματικά προβλήματα, αλλά και με πειράματα Οπτικής. Να επισημάνω ότι ήδη από τα παιδικά του χρόνια είχε μάθει να πειραματίζεται στις ατέλειωτες μοναχικές του ώρες και μέρες.  

Sir Isaac Newton
Χαρακτικό του Βρετανού χαράκτη William Thomas Fry.

Στο πιο βασικό από αυτά τα πειράματα κι ένα από τα σπουδαιότερα πειράματα που έχουν γίνει από έναν άνθρωπο, ήταν η απόδειξη ότι το λευκό φως δεν είναι ένα βασικό χρώμα, αλλά αποτελεί μείγμα των "επτά" χρωμάτων της ίριδας. Έτσι, κατέρριψε τις σχετικές απόψεις του Αριστοτέλη. Ο Έληνας φιλόσοφος πίστευε ότι τα βασικά χρώματα είναι δύο, το λευκό και το μαύρο και ότι το λευκό βαθμιαία μετατρέπεται στο μαύρο περνώντας, κατά σειρά, από τα «ατελή» χρώματα κίτρινο, κόκκινο, ιώδες, πράσινο και κυανό.

Η πειραματική συσκευή που χρησιμοποίησε ο Νεύτων ήταν πολύ απλή, μόνο ένα τριγωνικό γυάλινο πρίσμα. Το πρίσμα ήταν ένα κομψό, απλό όργανο και η ποιότητα του γυαλιού που χρησιμοποιείτο στην κατασκευή του ήταν απαραίτητη για την επιτυχία της πειραματικής διαδικασίας. Το γυαλί κατείχε εξέχουσα θέση σε πολλές πτυχές της επιστημονικής έρευνας. Το γυαλί κατώτερης ποιότητας θα μπορούσε να ακυρώσει ή ακόμα και να ματαιώσει εντελώς το αποτέλεσμα σ' ένα πείραμα. Αν και το γυαλί που κατασκευαζόταν στην Αγγλία του 17ου αιώνα θεωρείτο υψηλότερης ποιότητας από αυτό που παραγόταν αλλού, ο Νεύτωνας, όπως πολλοί από τους συναδέλφους του, συχνά έφτιαχνε και λείαινε το δικό του γυαλί.

Καλλιτεχνική απεικόνιση της ανάλυσης λευκού φωτός από γυάλινο τριγωνικό πρίσμα.
Από  blenderartists

Ο ίδιος ο Νεύτων περιγράφει εκτεταμένα και με ακρίβεια σε επιστολές, αλλά και στο θεμελιώδες έργο του "Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light" ("Οπτική: ή Μια Πραγματεία για τις Αντανακλάσεις, τις Διαθλάσεις, τις Αλλαγές πορείας και τα Χρώματα του Φωτός") τι ακριβώς έκανε για την επιτυχία των πειραμάτων του. Ουσιαστικά ήθελε να κατανοήσει τη φύση του φωτός και των χρωμάτων και να ελέγξει πειραματικά την επικρατούσα θεωρία ότι το πρίσμα δημιουργεί χρώματα από το λευκό φως. Τα πειράματά του ήταν απλά και θα τα χαρακτήριζα κομψά.

Στο παντζούρι ενός παραθύρου άνοιξε τρύπα μικρής διαμέτρου, περίπου ένα τρίτο της ίντσας (0,85 εκ.), με σκοπό το φως του ήλιου να εισέρχεται στο κατασκότεινο δωμάτιο με τη μορφή πολύ λεπτής δέσμης η οποία έπεφτε στον τοίχο απέναντι από αυτό το παράθυρο όπου είχε τοποθετήσει μια κόλλα χαρτιού. Αν δεν μεσολαβούσε κάτι ανάμεσα στην τρύπα και τον τοίχο, τότε πάνω στο χαρτί στον τοίχο σχηματιζόταν μια λευκή κηλίδα με διάμετρο περίπου όσο αυτή της τρύπας. Όμως, όταν στην πορεία της φωτεινής δέσμης παρεμβαλλόταν ένα γυάλινο πρίσμα, η εικόνα στο χαρτί άλλαζε. Τότε ο Νεύτων παρατηρούσε τον σχηματισμό μιας χρωματιστής ταινίας με πάχος όσο ήταν η διάμετρος της τρύπας και με μήκος περίπου πέντε φορές μεγαλύτερο από το πάχος. Η εικόνα της χρωματιστής ταινίας δεν ήταν κάτι που έβλεπε για πρώτη φορά ο Νεύτωνας, γιατί αυτό που παρατηρούσε ήταν η διαδοχή των χρωμάτων που μπορούσε να δει σ’ ένα ουράνιο τόξο. Η ταινία ξεκινούσε έχοντας στη μια πλευρά το κόκκινο χρώμα και στην άλλη άκρη το ιώδες (μοβ) χρώμα. Στο ενδιάμεσο και με τη σειρά από το κόκκινο προς το ιώδες, παρατηρούσε το πορτοκαλί, το κίτρινο, το πράσινο, το γαλάζιο (blue) και το μπλε (indigo). Αυτή η χρωματιστή ταινία δεν είναι τίποτε άλλο παρά το ορατό μέρος του φάσματος του λευκού φωτός. Το πείραμα αυτό επεναλήφθηκε από τον Νεύτωνα αρκετές φορές, μερικές από τις οποίες προσπαθούσε να χρησιμοποιεί πιο καθαρό γυαλί για το πρίσμα. Το αποτέλεσμα ήταν πάντα το ίδιο.

Η παραπάνω εικόνα 13 προέρχεται από το βιβλίο Opticks.
To XY αντιστοιχεί στον ήλιο. Το EG παριστάνει το πατζούρι και το F είναι η μικρή οπή σ' αυτό.
Το ABC είναι το γυάλινο πρίσμα, ΜΝ είναι το κομμάτι του χαρτιού στον τοίχο και ΡΤ το χρωματιστό μακρόστενο φάσμα που παίρνουμε από την ανάλυση του ηλιακού φωτός. Το άκρο Τ αντιστοιχεί στο κόκκινο χρώμα και το άλλο άκρο Ρ αντιστοιχεί στο ιώδες. 

Στην επικεφαλίδα του 3ου οπτικού πειράματος σημειώνει χαρακτηριστικά ο Νεύτων "Το φως του ήλιου αποτελείται από ακτίνες διαφορετικά διαθλάσιμες".

Βέβαια όπως προείπα, ο Νεύτων δεν ήταν ο πρώτος που παρατήρησε αυτή τη σειρά των χρωμάτων, αλλά ο πρώτος που μελέτησε τις φασματικές ταινίες και κατέληξε σε χρήσιμα συμπεράσματα, αφού απέκλεισε τυχαίους παράγοντες, όπως ατέλειες στο γυαλί του πρίσματος ή λοξοδρόμηση των ακτίνων.

Ας δούμε πώς περιγράφει ο ίδιος ο Νεύτων το πείραμά του: "Έχοντας σκοτεινιάσει το δωμάτιό μου για το σκοπό αυτό και ανοίξει μια μικρή τρύπα στα παραθυρόφυλλά μου για να αφήσω να μπαίνει μια κατάλληλη ποσότητα από το φως του Ήλιου, τοποθετώ το πρίσμα μου στην είσοδο της φωτεινής δέσμης, ώστε το φως να μπορεί έτσι να διαθλάται προς τον απέναντι τοίχο. Στην αρχή ήταν μια πολύ ευχάριστη διασκέδαση να βλέπω τα ζωηρά και έντονα χρώματα που παράγονται έτσι· αλλά έπειτα από κάμποση ώρα, όταν βάλθηκα να τα εξετάσω προσεχτικότερα, ένιωσα έκπληξη βλέποντας ότι είχαν επίμηκες σχήμα, ενώ, σύμφωνα με τους παραδεδεγμένους νόμους της διάθλασης, περίμενα ότι το σχήμα θα ήταν κυκλικό."

Το εξώφυλλο της 1ης έκδοσης (1704) του βιβλίου "OPTICKS" του Νεύτωνα.

Συνεχίζοντας ο Νεύτων τα πειράματά του διαπίστωσε ότι κάθε ένα από τα χρώματα (κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, γαλάζιο, μπλε, ιώδες) δεν μπορούσε να αναλυθεί σε κάτι διαφορετικό. Δηλαδή, το λευκό φως μπορεί να αναλυθεί στα διάφορα χρώματα που το συνθέτουν με την βοήθεια ενός πρίσματος, επειδή το κάθε χρώμα παρουσιάζει διαφορετική διαθλαστικότητα. Μεγαλύτερη διαθλαστικότητα παρουσιάζει το ιώδες και αυτή η διαθλαστικότητα μειώνεται καθώς τα χρώματα εναλλάσσονται μέχρι το ερυθρό. 

Ο κύκλος των χρωμάτων όπως σχεδιάστηκε από τον Νεύτωνα. 
Η τοποθέτηση των χρωμάτων γύρω από την περιφέρεια ενός κύκλου
αποτέλεσε μια πολύ χρήσιμη και έξυπνη ιδέα για τους ζωγράφους.
Έτσι, τα πρωτεύοντα χρώματα των ζωγράφων (κόκκινο, κίτρινο, μπλε) μπορούσαν
να τοποθετηθούν απέναντι από τα συμπληρωματικά τους χρώματα
(π.χ. το κόκκινο απέναντι στο πράσινο) με αποτέλεσμα κάθε συμπληρωματικό
να ενισχύει το άλλο μέσω της οπτικής αντίθεσης.

Αυτό το απέδειξε με το παρακάτω πείραμα. Αφού ανέλυσε το λευκό φως με τη βοήθεια ενός πρίσματος, τοποθέτησε ένα δεύτερο πρίσμα σε απόσταση περίπου πέντε μέτρων από το πρώτο και σ’ αυτό οδήγησε μόνο την ακτίνα του κόκκινου χρώματος όπως έφευγε κατευθείαν από το πρώτο πρίσμα. Παρατήρησε ότι η δεύτερη διάθλαση της κόκκινης ακτίνας δεν προκάλεσε την παραγωγή κάποιου άλλου χρώματος. Η κόκκινη ακτίνα παράμεινε κόκκινη παρά την διάθλασή της στο δεύτερο πρίσμα. Στο ίδιο αποτέλεσμα κατέληγε ακόμη κι αν περιέστρεφε το πρίσμα. Το ίδιο συνέβαινε αν χρησιμοποιούσε ακτίνα οποιουδήποτε χρώματος, οι ακτίνες δεν άλλαζαν χρώμα. Αργότερα αυτό το πείραμα το αποκάλεσε «experimentum crucis», δηλαδή «κρίσιμο πείραμα». 

Η διάθλαση της κόκκινης ακτίνας δεν προκαλεί την παραγωγή κάποιου άλλου χρώματος.

Το κρίσιμο πείραμα έδειχνε ότι οι ακτίνες διατηρούσαν το χρώμα τους όταν διέρχονταν από δεύτερο πρίσμα και κάθε ακτίνα είχε συγκεκριμένο βαθμό διαθλαστικότητας. Ο Νεύτων απέδειξε πειραματικά ότι το πρίσμα  δεν δημιουργούσε χρώματα, αλλά απλώς διαχώριζε τα χρώματα που προϋπήρχαν στην αρχική ακτίνα λευκού φωτός, επειδή κάθε μέρος του φάσματος είχε τον δικό του βαθμό διαθλαστικότητας. Αυτή η παρατήρηση οδηγούσε σε δύο συμπεράσματα. Πρώτον, υπήρχε αναλογία μεταξύ διαθλαστικότητας και χρώματος και δεύτερον, το λευκό φως ήταν ετερογενές μείγμα διαφορετικών χρωμάτων. Το δεύτερο συμπέρασμα ήταν αυτό που προκάλεσε τη μεγάλη επανάσταση στην επιστήμη της Οπτικής. Η αριστοτελική και, αργότερα, η καρτεσιανή αντίληψη για τη φύση του φωτός κατέρρευσαν από ένα και μοναδικό πείραμα, αυτό του Νεύτωνα.

Η παραπάνω εικόνα 14 προέρχεται από το βιβλίο Opticks.
Τo S αντιστοιχεί στον ήλιο. Το EG παριστάνει το πατζούρι και το F είναι η μικρή οπή σ' αυτό.
Το ABC είναι το πρώτο γυάλινο πρίσμα που αναλύει το λευκό φως και το DH είναι το δεύτερο πρίσμα μέσα από το οποίο οδηγείται μια μονοχρωματική ακτίνα. Το ΡΤ είναι η μακρόστενη εικόνα που βλέπουμε από την ανάλυση του λευκού φωτός αν δεν παρεμβληθεί το δεύτερο πρίσμα. Στo pt παρατηρούμε ότι η μονοχρωματική ακτινοβολία δεν αναλύεται παραπέρα, αφού έχει περάσει από το δεύτερο πρίσμα. 

Αυτή η σειρά πειραμάτων του Νεύτωνα περιλάμβανε και ένα τρίτο σημαντικό πείραμα που έγινε αργότερα. Θέλησε να ελέγξει αν το φαινόμενο της ανάλυσης του λευκού φωτός είναι αναστρέψιμο. Έτσι, στο πείραμα που έστησε τοποθέτησε ένα δεύτερο πρίσμα στην πορεία της πολύχρωμης δέσμης που είχε προκύψει από το πρώτο πρίσμα. Βέβαια, το δεύτερο πρίσμα ήταν κατάλληλα τοποθετημένο με την ακμή του αντίθετα προσανατολισμένη απ’ ότι αυτή του πρώτου. Η λογική του Νεύτωνα ήταν ότι αν το πρώτο πρίσμα μπορούσε να δημιουργήσει χρώματα από το λευκό φως, ίσως θα μπορούσε να δημιουργήσει ακόμη περισσότερα χρώματα από τις υπάρχουσες χρωματιστές ζώνες. Αμέσως διαπίστωσε ότι η πολύχρωμη ταινία που έπεφτε στο δεύτερο πρίσμα έβγαινε από αυτό ως λευκή ακτινοβολία και μάλιστα σχημάτιζε μια λευκή κηλίδα! Αυτό επιβεβαίωσε ότι το λευκό φως ήταν ένα μείγμα διαφορετικών χρωμάτων και αμφισβήτησε την ιδέα ότι το πρίσμα ήταν αποκλειστικά υπεύθυνο για τη δημιουργία χρωμάτων.

Ανάλυση και σύνθεση του λευκού φωτός με συνδυασμό δύο τριγωνικών πρισμάτων.

Τέλος, στηριγμένος στο συμπέρασμα ότι το λευκό φως αποτελείται από χρώματα, ο Νεύτωνας κατασκεύασε τρόχο που έχει το όνομά του ("Τροχός του Νεύτωνα"), με το γύρισμα του οποίου καταφέρνουμε να συνθέτουμε το λευκό χρώμα στην επιφάνεια του δίσκου του τροχού. 

Υπολογίζεται ότι το 1670, αφού πλέον είχε τελειώσει τις σπουδές του και είχε γίνει καθηγητής μαθηματικών στη Λουκασιανή (Lucasian) Έδρα του Καίμπριτζ από το 1669, ο Νεύτων ολοκλήρωσε το μεγαλύτερο μέρος του έργου του στην Οπτική. Όμως το συνολικό έργο του στην οπτική παρουσιάστηκε εκδοτικά για πρώτη φορά πολύ αργότερα, το 1704, με το πολυσέλιδο βιβλίο του «Opticks».

Στο μεσοδιάστημα, κάνοντας αρχή το 1672, ο Νεύτων είχε παρουσιάσει τα βασικά σημεία του έργου του στην Οπτική, είτε με δημοσίευση άρθρων στο περιοδικό Philosophical Transactions (Φιλοσοφικά Πεπραγμένα) της Royal Society, είτε με ομιλίες του, είτε μέσω επιστολών.  

Ο τροχός του Νεύτωνα.

Ο λόγος για την καθυστερημένη έκδοση του έργου «Οπτική» είχε να κάνει με την πολύχρονη αντιπάθεια και αντιπαράθεση που υπήρχε ανάμεσα στο Νεύτωνα και τον Robert Hooke (Ρόμπερτ Χουκ), που ήταν υπεύθυνος πειραμάτων της Royal Society. Η διαμάχη ανάμεσα σ’ αυτούς τους δύο μεγάλους επιστήμονες κράτησε περίπου 40 χρόνια και είχε σχέση με τις διαφορετικές απόψεις τους στα ζητήματα της Οπτικής, αλλά όχι μόνο.

Μόνο μετά τον θάνατο του Χουκ το 1703, αποφάσισε ο Νεύτων να εκδώσει το έργο του «Οπτική», το οποίο βέβαια περιείχε και πολλά άλλα θέματα (π.χ. για τον ανθρώπινο μεταβολισμό, την κυκλοφορία του αίματος, πειράματα αλχημείας κλπ) πέραν αυτών που είχαν σχέση καθαρά με την Οπτική (π.χ. ανάκλαση και διάθλαση του φωτός, λειτουργία του ματιού, κατασκευή του κατοπτρικού τηλεσκοπίου, θεωρία των χρωμάτων κλπ). 

Χειρόγραφες σημειώσεις του Νεύτωνα που περιέχονται στο βιβλίο του "Οπτική".

Αξίζει νομίζω να αναφέρω πώς ο Νεύτων ξεκινάει το έργο του "Οπτική": "Πρόθεσή μου σ' αυτό το βιβλίο δεν είναι να εξηγήσω τις ιδιότητες του φωτός με υποθέσεις, αλλά να προτείνω και να τα αποδείξω με τη Λογική και τα Πειράματα...."

Να σημειώσω ότι μετά τον θάνατο του Χουκ, ο Νεύτων εξελέγη πρόεδρος της Royal Society το 1703 μέχρι το θάνατό του, το 1727.

• Το κείμενο (pdf) της 1ης έκδοσης του βιβλίου "OPTICKS" από το Internet Archives.

• Κείμενο με τίτλο "Ο Νεύτων και η φύση του φωτός" από τον Καθηγητή Χ. Βάρβογλη, στην εφημερίδα ΤΟ ΒΗΜΑ.

Σχέδιο από το βιβλίο "Opticks", όπου φαίνεται η διάθλαση του ηλιακού φωτός
μέσα από δύο τριγωνικά πρίσματα. 

• Πειραματική παρουσίαση της λειτουργίας του δίσκου του Νεύτωνα από τον Ν. Χρόνη.

• Εργασία με τίτλο "Ισαάκ Νεύτων: Μια Ματιά στην Οπτική" από τον Κων. Ιγνατιάδη και την Ίριδα Πάτρα.

• Βιντεοπαρουσίαση των πειραμάτων του Νεύτωνα για την ανάλυση του λευκού φωτός από την Khan Academy (αγγλικά, 7:40). 

  Πηγή: wikipedia,  academia,  ΤΟ ΒΗΜΑ,  physicswithart,  micromagnet,  Smithsonian Libraries,  webexhibits,   twinkl,   AAAS,   cmog,  byjus