Éter

V té době mělo mnoho vědců problém s přijetím Newtonových myšlenek, a proto on sám přišel s hypotézou éteru, jakožto tajemného prostředí bez hmoty a hustoty, které gravitační přenos umožňovalo. Éter proniká veškerými tělesy, směřuje stále k zemi a táhne tato tělesa za sebou [7], [36].

Newton se o éteru nezmiňuje v knize o Optice (1704). Ani v prvním vydání knihy Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, ale až ve druhém vydání z roku 1713. Zmínku o éteru najdeme v posledním odstavci Obecného poučení, skoro na samém konci knihy. Původně Newton nepřipouštěl, že by byl éter v meziplanetárním prostoru, pouze připouštěl jeho vliv na vzájemné působení těles na blízkou vzdálenost. Dále podle jeho zákona, kdy všechna tělesa se navzájem přitahují silou stejně velikou, ale opačně orientovanou, musí i éter jednoznačně mířit do ostatních těles. Je nutno podotknout, že Isaac Newton nepokládal hypotézu éteru za správnou. Vymyslí-li se jedna hypotéza, musí se učinit další a to je bez konce, proto se nadále držel své teze: „Hypotézy nevymýšlím.” „Abych se však při výkladu hypotézy éteru vyhnul rozvláčnosti a nastínil vhodnou představu, budu o ní někdy mluvit tak, jako bych ji přijal a věřil v ni.” Používá ji, ale s úplným přesvědčením nevěří, že éter existuje [7], [36].

„Předpokládá se, že existuje jakési éterové prostředí, které má v mnohém totéž složení jako vzduch, ale je daleko více zředěné, jemné a pružné. Dosti významným argumentem pro existenci takového prostředí je i to, že pohyb kyvadla ve skleněné nádobě s odčerpaným vzduchem je téměř tak rychlý jako ve vzduchu” [36].

Později Newton využil éteru v optice, kdy světlo se šíří éterem. Stejně tak Huygens, Hooke i Grimaldi, když každý z nich vytvářel svoji teorii světla, sahal po éteru. Huygens, který si hájil vlnovou teorii světla, nutně potřeboval prostředí, kterým se vlny šíří. Chápal, že éter přenáší světlo i gravitační síly. Nebylo možné, aby existoval světlonosný éter a gravitační éter odděleně. Jak víme, Newton odmítal vlnovou teorii, on sám viděl světlo jako částice, korpuskule. Poprvé se o éteru zmiňuje v roce 1672, při srovnání své korpuskulární teorie s teorií vlnovou, kdy napsal, že vlnění éteru je stejně užitečné a potřebné u obou. Původně se domníval, že pro šíření částic ve vesmírném prostředí není třeba éteru a že jeho korpuskulární teorie světla ho ani nepotřebuje. Jeho vlastní pokusy s pozorováním zvláštní periodické změny barev barevných kroužků v tenkém prostoru mezi vypouklou čočkou a plochou deskou ukázaly, že světlo je spojeno s jakousi periodičností. K objasnění tohoto jevu, dnes nazývaného Newtonovy kroužky, korpuskulární hypotéza nepomohla. Vycházelo mu, že v povaze světla je přeci něco vlnového. A když vlnového, nelze se bez éteru obejít [7], [36].

Podívejme se na definici éteru. Toto slovo pochází z řečtiny a vyjadřuje v dějinách filozofie a fyziky představu o nevažitelné a smyslům nedostupné substanci, jež tvoří nejjemnější součást prahmoty nebo pralátky. V řecké mytologii byly jako éter označovány nejvyšší a nejčistší vrstvy vzduchu, kde měli sídlit bohové. Nejprve se éter ztotožňoval se vzduchem nebo s ohněm, ale v době Isaaca Newtona byl vykládán jako nevažitelné prostředí, z jehož vlastností lze vykládat různé fyzikální jevy. Éter nikdo nikdy neviděl, ale učenci předpokládali, že se jedná o velmi zředěný plyn. Natolik zředěný, že nebrzdí odvěké pohyby planet, ale přitom je přitahuje k sobě navzájem, zejména ke Slunci. Proniká-li éter do jádra Země, Slunce, hvězd a planet, kondenzuje a mění se v obyčejné plyny a kapaliny. Přitom je velmi pružný, protože když přenáší světlo, pohybuje se do taktu se světelnou vlnou. Přitom je tekutý jako kapalina a olejnatý jako olej, neboť přilíná k pórům těles, aby mohla proběhnout přitažlivost [11], [36].

„Nejsou chybné všechny hypotézy, ve kterých je světlo připisováno tlaku nebo pohybu šířícímu se nějakým tekutým prostředím?”, ale o jedenáct let později v roce 1717 v druhém vydání traktátu „Opticks“ si Newton klade osm otázek týkajících se teorie světla. Při jejich objasnění musí použít hypotézu éteru. V dalších vydáních „Opticks“ v letech 1721 a 1730, které redigoval osobně, ponechal tyto odpovědi beze změny [36].

O sto padesát let později se ruský chemik a tvůrce chemické tabulky prvků Dmitrij Ivanovič Mendělejev (1834 – 1907) [37] zamýšlel nad chemickým složením éteru. Zprvu se domníval, že je to suma zředěných plynů v nasyceném stavu. Pokusy prováděl při nízkých tlacích. V článku „Pokus o chemické pojetí světového éteru” píše:

„Zdá se mi možné, že světový éter není zcela stejnorodý plyn, nýbrž směs několika plynů blízkých nasycenému stavu, to znamená, že stejně jako naše pozemská atmosféra je složen ze směsi několika plynů.”

Tyto myšlenky měly blízko k myšlenkám mladého Isaaca Newtona. Mendělejev éter umístil do nulové skupiny své tabulky prvků a dal mu název newtonium. Éter jako nositel gravitačních sil a Huygensových podélných světelných vln by mohl být plynem s rozmanitými vlastnostmi. Položme si otázku: jak zvládá šíření příčných světelných vln, které se šíří jen v tuhých tělesech? Toto šíření v 19. století objevil francouzský inženýr, stavitel mostů a silnic Augustin Jean Fresnel. Ten prohlásil a okamžitě svými výpočty potvrdil, že tento tuhý éter je mnohem pružnější než ocel. Tato pružnost není pozadu za dřívějším plynným éterem. Inu podle Einsteina éter je „černou ovcí v rodině fyzikálních substancí” [36].

Augustin Jean Fresnel byl zaujat proti Newtonově korpuskulární teorii světla. Jeho objevy a matematické dedukce, vycházející z experimentálních výsledků Thomase Younga, vedly k rozšíření vlnové teorie světla na širokou skupinu optických jevů. Roku 1817 Young vyslovil domněnku, že světlo je vlnění, které má malou příčnou složku a dominantní podélnou složku. Fresnelovi se roku 1821 podařilo matematicky ukázat, že polarizaci lze vysvětlit pouze tehdy, pokud světlo je úplně příčné, bez jakékoliv podélné složky. Podélné je zvukové vlnění. Společně s Françoisem Aragoem (budoucím premiérem) studoval zákony interference polarizovaných paprsků. Podařilo se mu získat kruhově polarizované světlo s pomocí skleněného hranolu. Dnes známé pod jménem Fresnelův hranol. Roku 1819 byl jmenován komisařem pro majáky, pro které vyvinul speciální čočku, jako náhradu za zrcadla. Ta je v dnešní době nazývána Fresnelovou čočkou. V roce 1823 byl jednomyslně zvolen členem francouzské akademie a o dva roky později se stal členem londýnské Královské společnosti. Zemřel na tuberkulózu v roce 1827 [36].

James Clerk Maxwell, který předpověděl existenci elektromagnetických vln podobných světlu, nepochopil, že samotnou svou podstatou nepotřebují žádné prostředí. Elektromagnetické jevy vysvětloval jako stavy napětí v éteru. A ani německý fyzik Heinrich Rudolf Hertz [11] (1857 – 1894), který tyto vlny objevil, také éter nezahodil. Hendrik Antoon Lorentz [11] (1853 – 1928), který zjistil, že příčinou elektromagnetických jevů jsou elektrony, přidal éteru vlastnost nepohyblivosti. Éter byl pokládán za nositele elektromagnetického pole a za látku vyplňující absolutní prostor, avšak z hlediska Einsteinovy teorie relativity je elektromagnetické pole považováno za samostatnou realitu, která nepotřebuje žádného nositele. Einstein upozornil na to, že teorie relativity není na předpokladu existence éteru závislá [36].

Ještě poznámka k Newtonovi, ten éter využíval k popisu činnosti svalů živočichů a některých chemických jevů [36].

Lidské oko

Newton přemýšlel nad tím, jak lidské oko vnímá tyto barvy. Jeho úslovím bylo, že nevymýšlí hypotézy, ale dělá pokusy a z nich usuzuje závěry. Měl dost sporů, které vznikly díky pokusům s hranoly. V roce 1671, kdy světu předal zrcadlový dalekohled, se Newton stal členem Royal Society. Jeho kolega Robert Hooke s velkými sympatiemi přijal Newtonův vynález dalekohledu, ale velice podrážděně reagoval na Newtonův list z onoho 6. února 1672, v kterém rozebíral teorii barev [6].

„Předpokládám, že podobně jako tělesa různých rozměrů, hustoty a dalších rozdílných vlastností vydávají například při úderu zvuky v různých tóninách, a tedy způsobují i vibrace vzduchu různé hodnoty, tak i světelné paprsky, když se střetnou s povrchem, který je silně lomí, vzbuzují v éteru vibrace různé hodnoty. Nejsilnější vibrace dávají vzniknout vjemu nejsilnějších barev, to jest červené a žluté, nejslabší vjemu modré a fialové, střední vjemu barvy zelené, souhrn vibrací dává barvu bílou – zrovna tak, jako se zvuky různých tónů přenášejí kmitáním vzduchu na sluchový orgán se smyslovými buňkami. Neboť příroda se podobá vždycky sobě samé.” Toto tvrdil Newton [6].

O sto let později Thomas Young (1773 – 1829) popřel Newtonovo tvrzení, že oko obsahuje velké množství částic, z nichž každá reaguje na určitou barvu. Zamyslel se nad tím, že není možné, aby v oku bylo tolik druhů fotoreceptorů citlivých na velké množství odstínů. Vypracoval teorii tří nervových vláken. Podrážděním určitého z nich vzniká vjem určité barvy. Těmi třemi základními barvami by mohla být červená, žlutá a modrá, ale později se opravil na červenou, zelenou a modrou [6].

Jeho teorii doplnil fyziolog Hermann von Helmholtz (1821 – 1894), a tak se mluví o Youngově-Helmholtzově [34] teorii barevného vidění lidským okem. Těchto teorií existuje však několik. Zrakový vjem je v současnosti posuzován jako složitý fyzikální, neurofyziologický a psychický proces zprostředkovaný zrakovým orgánem [6].

Střední věk

Období mezi roky 1667 až 1696, kdy je Isaac Newton převážně badatelem a z části i univerzitním učitelem, prožívá velmi skromně a navenek tak trochu jednotvárně. Nikdy necestoval mimo Anglii, prakticky neměl důvěrných přátel, ale nebyl škarohlíd, občas si zašel na partičku karet a jako muž šetrný zapisoval si do deníčku své výdaje za knihy, přístroje, ale i za prohry v kartách. Jeho plat v té době činil 100 až 150 liber. Když v roce 1669 nastoupí post lukasiánského profesora, získá tím dalších 100 liber. To mu umožní, že nemusí sdílet místnost s jiným kolegou, ale může si pronajmout vlastní. Ve svých volných chvílích, kterých moc nemá, se věnuje historii starověku, biblickým dějinám, také chemii a alchymii. V chemii se v té době rozeznávaly jen čtyři prvky a všechno ostatní se považovalo za jejich sloučeniny. Např. kovy měly být sloučeninami síry a rtuti, pokaždé v jiném poměru. Newton z neúspěšných pokusů pochopil, že alchymie a chemie není vůbec jednoznačná, jak si lidé myslí. Však on sám musel mnoho času věnovat obhajobám svých fyzikálních výsledků proti námitkám svých vědeckých kolegů a byl tím stejně znechucen jako v dětství nevyprovokovanými rvačkami od svých spolužáků [1], [7].

V Newtonovi se mísí povaha vědce a mnicha, nikdy se neožení a na sebe bude vždy velmi přísný, v jídle střídmý, materiálně šetrný, avšak velkoryse štědrý vůči potřebám jiných. Je štíhlým mužem s dlouhými vlasy, ve stáří krásně stříbrné barvy. V rozhovorech o běžných věcech je nezajímavý, jednoduchý a úsečný. Společenský život nenávidí. Ačkoliv málo spí a hodně pracuje, tak prakticky není nemocný. Jako učitel je ke studentům vlídný, ale náročný. Při přednáškách měl poloprázdné posluchárny z důvodu, že často přednášel o tom, na čem právě pracoval, což bylo pro studenty těžké k pochopení. Své přednášky si pečlivě zapisuje a na konci akademického roku je odevzdává do knihovny Trinity College [1].

V roce 1637 ve své práci „La dioptrique“ [8] popisuje sférickou vadu čočkových dalekohledů francouzský filozof, matematik a fyzik René Descartes [11] (1596 – 1650). Newton se pokusil tuto vadu odstranit. V roce 1668 vynalezl vlastní konstrukci zrcadlového dalekohledu. Tu o tři roky později ještě vylepšil a druhý exemplář svého vynálezu zaslal v roce 1671 Královské vědecké společnosti do Londýna, která ho 11. ledna 1672 zvolila za svého člena. Tou dobou patřili k Royal Society návrhář, astronom a velice slavný architekt Sir Christopher Wren [13] (1632 – 1723), kryptograf a matematik, který zavedl symbol ∞ pro nekonečno, John Wallis [14] (1616 – 1703), dále pak irský fyzik, přírodovědec, teolog a zároveň zakladatel moderní chemie Robert Boyle [11] (1627 – 1691) a jeho budoucí rival, přírodovědec širokého záběru Robert Hooke [11] (1635 – 1703) [1], [15].

6. února 1672 Newton publikuje svoji samostatnou práci „Nová teorie světla a barev” v prvním vědeckém časopise světa Philosophical Transactions. V latinském překladu vyšel tento článek již za čtrnáct dní, 19. února v časopise Acta Philosophia Societatis Regiae in Anglia, vydávaném amsterodamským nakladatelstvím Heinrich a Theodor Boom. V témže roce dokončuje knihu „Optical Lectures”. Tato šedesátá a sedmdesátá léta 17. století Newton věnoval zejména bádání na poli matematiky a optiky, ale pro mnohé neshody s již zmíněným Robertem Hookem a Gottfriedem Leibnizem, toto pole opouští a věnuje se teoretické mechanice, která se stane základem dnešní klasické mechaniky [1].

Velice těžce nese ztrátu svého kolegy a dobrodince reverenda Isaaca Barrowa, který na jaře roku 1677 náhle umírá ve věku 47 let na zápal plic. O dva roky později se bude muset Newton vyrovnat se smrtí své matky Hannah Smithové [1].

Ve stejném roce, kdy umírá Newtonovi matka, přichází na studia do Cambridge básník a budoucí státník Charles Montagu [16] (1661 – 1715), který bude později jmenován 1. lordem z Halifaxu. Tento mladý muž bude patřit na pětatřicet let do velmi malého okruhu Newtonových přátel a stejně jako Barrow zemře ve věku 55 na zápal plic a opět to bude velká rána pro Newtona [1].

Dalekohled

Newton's_reflecting_telescope

Newton už jako bakalář rád pozoroval Měsíc a komety. Neváhal za optické přístroje utratit značnou částku peněz. Velmi ho mrzelo, že dalekohledy jsou nedokonalé. Nejprve si myslel, že je to tím, že si pořizuje levné dalekohledy s malým zvětšením, ale záhy zjistil, že celkově dalekohledy mají dvě závažné optické vady neboli aberace. Jedna z nich je chromatičnost = barevnost a druhá sférická = kulová vada. Francouz René Descartes v roce 1637 popisuje ve své práci La dioptrique právě zmiňovanou druhou vadu [1], [8].

Tato vada spočívá v tom, že bod pozorovaného předmětu leží na optické ose čočky sférického tvaru a zobrazí se ne jako bod, ale jako malá ploška. Tento obraz je tedy neostrý. Zjednodušeně tvrdil, že je to způsobeno sférickou plochou čočky. Od té doby se nesprávně říká této vadě sférická. Správným termínem je vada otvorová nebo aperturní aberace, protože roste s velikostí otvoru, kterým vstupuje světlo do optické soustavy téměř nezávisle na tvaru ploch omezujících čočky. René Descartes se mylně domníval, že vadu lze odstranit asférickým tvarem čočky, tedy volbou nekulových ploch 2. stupně – paraboloidů, elipsoidů, hyperboloidů nebo složitých Descartových ploch [1].

Newton začal přes analytickou geometrii studovat tyto plochy a pokoušel se brousit skla těchto složitých tvarů. Záhy zjistil, že touto metodou lze ovlivnit jen vadu otvorovou, nikoliv však chromatičnost, jenž byla u dalekohledů závažnější, neboť způsobuje nepříjemné barevné kontury obrazů pozorovaných předmětů. Newton měl podezření, že příčina barevné vady je v samé podstatě světla jako takového a v jeho procesu lomu. Broušení skel zanechal a přešel na pozorování světla přes hranol, kde ho fascinovala barevná spektra [1].

Po čase se Newton opět ke konstrukci dalekohledu vrátil a tyto vady odstranil tím, že vytvořil reflektor s primárním parabolickým zrcadlem. Ohnisko vyvedl rovinným zrcadlem mimo tubus dalekohledu, kde umístil okulár. Toto vede ke kuriozitě, že do dalekohledu se hledí nikoli ve směru optické osy, ale kolmo k tomuto směru pozorování. Nejtěžší bylo vytvořit vhodnou slitinu, která by měla velkou odrazivost, byla dobře leštitelná a odolávala nepřízni počasí. Zde se uplatnila jeho zručnost z dětství a alchymistické zkušenosti získané v laboratořích lékárníka Clarka v městečku Grantham. Po minimálně osmdesáti tavbách zhotovil měděné zrcadlo s příměsí arsenu a cínu. Psal se rok 1668 a byl zde první exemplář dalekohledu. Zvětšoval přibližně 38-krát, průměr objektivu byl kolem 2,5 cm o délce 15 cm, obraz měl zastřený. Newton po třech letech vylepšování zkonstruoval druhý exemplář, který zaslal Královské vědecké společnosti do Londýna. Společnost jeho dalekohled s nadšením přijala. Předvedla ho králi Karlu II. a svým přisedajícím zahraničním členům. Na základě tohoto vynálezu ho 11. ledna 1672 zvolila za svého člena [1] [8].

Dalekohled je tvořen tubusem. V něm se nalézají dvě zrcadla. Primární zrcadlo má parabolický tvar a je uloženo ve spodní části tubusu. Přijímá přicházející světlo a odráží ho do svého ohniska, kde je umístěno malé sekundární zrcadlo, které odráží paprsky do okuláru umístěného na boku přístroje, tedy mimo tubus. Optická soustava dvou zrcadel a okulárů způsobuje, že vzniklý obraz je převrácen stranově a pólově, což pro astronomická pozorování není k závadě [11].

Robertu Hookeovi (1635 – 1703) nelze odepřít objev první rostlinné buňky, kterou našel v roce 1660 v korkové vrstvě a nazval ji cellula. K jejímu objevení mu pomohl jím sestrojený, vylepšený mikroskop, který měl oddělený objektiv, okulár a osvětlovací zařízení. Nelze mu však dokázat, že vynalezl zrcadlový dalekohled v roce 1664, tedy dříve než Isaac Newton. Hooke udává, že z důvodu morové epidemie se nemohl o dalekohledu nikdo dozvědět [15].

Lukasiánský profesor

V roce 1663 díky daru bohatého soukromníka Henryho Lucase [12] (1610 – 1663) vznikla na Trinity College lucasovská katedra matematiky, na níž se stal prvním profesorem Barrow a po něm Newton. Henry Lucas ve své poslední vůli odkázal univerzitě svou knihovnu o čtyřech tisících svazcích a zanechal instrukce pro nákup půdy, jejíž výnos 100 liber za rok měl sloužit jako plat pro nositele titulu „lukasiánský profesor“. Nebýt této katedry stal by se z Newtona farář nebo farmář, neboť jeho pobyt zde byl zatím pouze dočasný. Na Cambridge měly věhlas katedry teologie a filologie, nikoliv však matematika, jako tomu bylo na nejstarší anglické univerzitě v Oxfordu. Matematiku na Cambridge pozvedl až Barrow a do slávy ji přivedl Newton [1].

V budoucnu mezi mnohé držitele Lucasovy stolice patřili [10] např. irský matematik, fyzik, politik a teolog George Gabriel Stokes [11] (1819 – 1903), britský fyzik a nositel Nobelovy ceny v oblasti kvantové fyziky Paul Adrien Maurice Dirac [11] (1902 – 1984), dále pak britský fyzik v oboru kosmologie a kvantové gravitace Stephen William Hawking (*1942). V současnosti je tento post považovaný za jednu z nejprestižnějších akademických funkcí na světě [1].

Numerické řešení nelineárních rovnic Newtonovou metodou

Newtonova metoda pro hledání kořenů rovnice f(x) = 0 je založena na názorné geometrické interpretaci. Průsečík tečny sestrojené ke grafu funkce v daném bodě xk s osou x může být lepší aproximací hledaného kořene než xk samotné. Protože se jedná o aproximaci danou průsečíky tečen s osou x, někdy se používá pro tuto metodu označení Newtonova metoda tečen.

Celý text se vzorci v PDF je zde: Numerické řešení nelineárních rovnic Newtonovou metodou

První vědecké úspěchy

Unknown_man,_formerly_known_as_Isaac_Barrow_from_NPG

Morové prázdniny končí a Newton se v roce 1667 vrací do Cambridge nikoliv jako bakalář, ale jako volený člen Trinity College. S sebou tehdy přinesl mnoho spisů. Například jeden z nich sepsaný 13. listopadu 1665 nesoucí název: „Úvaha o fluxích a jejich aplikacích na problém tečen a křivosti čar”. Další, který dokončil v říjnu následujícího roku „Traktát o fluxích” a v listopadu „Nový traktát o fluxích”. Jeho kolega Isaac Barrow [9] (1630 – 1677) je velmi nadšen z jeho prací. Ačkoliv oba jsou rovnocenní členové Trinity College, Newton navštěvuje Barrowy přednášky a neváhá s ním o mnohých věcech diskutovat, ten zase na něho naléhá, aby vydal své traktáty o fluxích, ale Newton je zaneprázdněn prací na Dodatku k Kinkhuysenově Algebře a i samotnému Barrrowi pomáhá s pracemi [7]: „Lectiones geometricae“ (1669) a „Lectiones opticae“ (1670) [1].

V poslední zmíněné práci jsou v Dodatku zveřejněny i Newtonovy výsledky z optiky. „Traktát o fluxích“ zveřejněný v roce 1671 vyúsťuje ve spor s vědcem Gottfriedem Wilhelmem von Leibnizem (1646 – 1716) o prvenství objevu diferenciálního a integrálního počtu (kalkulu). Jedná se o rok, kdy Newtonův iniciátor profesor Isaac Barrow na univerzitě už není a Newtona nemá kdo v daném sporu podržet. Po mnoha letech se vědci shodnou na tom, že oba na diferenciální a integrální počet přišli nezávisle a každý z nich použil trochu jinou metodu výpočtu, i když výsledky měli shodné [1].

16. března 1668 se na návrh profesora Isaaca Barrowa stal Newton starším členem Trinity College jako profesor matematiky a do ní zahrnovaných fyzikálních disciplín. O pár měsíců později 7. července, byl promován magistrem in artibus, což byl tehdy vrchol akademické dráhy na „nižší” fakultě artistické. Titul doktor bylo možno získat pouze na fakultě lékařské, právnické a později i na filozofické [1].

Barrow je si plně vědom talentu mladého muže, jeho znalostí matematiky si cení více než svých, a tak 29. října 1669 [9] rezignuje na svou profesuru v Newtonův prospěch a raději přijímá pozici královského kaplana v Londýně. Druhým důvodem může být i to, že se jedná o čestnější a tedy i přibližně desetkrát lépe placené místo. Zde je nutno uvést, že Isaac Barrow velice ovlivnil Newtonův život. Přestože se oba sešli na univerzitě pouze na dva roky, toto setkání v budoucnu značně ovlivnilo Newtonovo vědecké myšlení. Z přednášek Isaaca Barrowa o optice Newton vycítil, že by se měly vykládat jiným způsobem. Místo plánovaných přednášek algebry a geografie přednášel studentům o optice ve svém pojetí a svým kolegům Kinkhuysenovi a Vareniovi pouze redigoval učebnice [1].

Spektrum

newton-prism-experiment-2

Isaaca Newtona napadlo v jednom lednovém dni roku 1666 učinit pokus se světlem. Dokonale zabednil celou místnost. Do jedné okenice vyvrtal malou dírku tak, aby jí mohlo pronikat sluneční světlo. Tento paprsek namířil na protější stěnu, kde se mu zobrazila jasná skvrna. Pak postavil do jeho cesty trojboký hranol a objevila se mu na stěně duha. Newton byl první, kdo jednotlivé barvy přisoudil samotnému bílému světlu. Rozklad světla hranolem byl v té době již dobře znám. Řada vědců před Newtonem, např. anglický minorita Roger Bacon [7] (1214 – 1294), italský jezuita Francesco Maria Grimaldi [7] (1618 – 1663) a také Jan Marcus Marci, viděla duhu, ale předpokládali, že barvy vznikají dodatečně interakcí světla s látkou. Newton uvedl ve své knize „Nová teorie světla a barev” v roce 1672, že se jedná o neuspořádaný shluk paprsků. Světlo se podle této teorie skládá z nesmírně malých, rychle se pohybujících částic (korpuskulí), které vysílá světelný zdroj. Tyto částice se pohybují prostorem přímočaře, pronikají průhlednými látkami, odrážejí se od látek neprůhledných jako pružné kuličky. Když vstoupí do oka, vyvolají vjem vidění. Jeho teorie vychází z mechaniky [6].

„Často jsem s obdivem přihlížel, že všechny barvy spektra, sbíhajíce se, a pak se znovu směšujíce, jak byly ve světle předtím, než dopadly na hranol, znovu vytvářely světlo, úplně a dokonale bílé a nelišící se nijak znatelně od přímého slunečního světla. Je tomu tedy vskutku tak, že bělost jest obvyklá barva světla a světlo že je neuspořádaný shluk paprsků různých barev, jak různě smíšené tryskají ze světelných těles” [6].

Vzal druhý hranol, postavil ho obráceně, hranou nahoru a duha mu zmizela, zůstala jen jasná skvrna. Když druhý hranol odstranil, opět se objevila duha. Tímto pokusem dokázal, že jde o světlo složené. Složené, které se dá rozkládat a zase skládat. Správně usoudil, že světelný paprsek není bezbarvý, že se v něm skrývají všechny barvy duhy. Sedm svítivých barev nazval spektrem. Z latiny se přeloží do českého jazyka jako vidmo, vidina, přízrak nebo přelud. Charakter světla se při průchodu sklem nijak nezmění, pouze se fyzikálně rozděluje [6].
Dnes již nikdo nezjistí, zda Isaac Newton věděl, že jev disperze světla při lomu byl dávno znám. Jisté je, že od něj pochází název spektrum, převratná koncepce složitosti bílého světla, pojem analýza a syntéza světla, které objevil jako první. Sedm let o nich mlčel, až do 6. února 1672, kdy poslal svůj první samostatný článek londýnské Královské společnosti [1].

V roce 1648 Jan Marek Marci z Lanškrouna vydal v Praze spis „Thaumantias sive liber de arcu coelesti deque colorum apparentium natura, typis Academicis, neboli „Kniha o duze“ [27], který nese název podle řecké Iris Thaumantias, dcery boha Thaumanta. Iris byla krásná a pestrobarevná, byla poslem bohů a zosobněním duhy, zázraků a tajemných světelných jevů na obloze a moři. Když byl za svou statečnost jmenován šlechticem z Kronlandu (je to přesmyčka historického názvu Lanškroun), nechal vyzdobit svůj erb duhou [1].

V tomto spise je popsána disperze světla při lomu paprsku. Není vyloučeno [1], že Newton byl obeznámen s tímto spisem, který se mohl dostat do Anglie, neboť v té době byla dcera anglického krále Alžběta Stuartovna [11] (1596 – 1662) ženou našeho zimního krále Fridricha Falckého [11] (1596 – 1632) a styky mezi našimi zeměmi byly značně živé. Dále je známo, že Královská společnost se chystala jmenovat Marka svým zahraničním členem, ale nemohla to pro jeho nečekané úmrtí učinit [27].

Z Newtonova deníku: „Za těchto okolností nelze dále debatovat, zda existují barvy ve tmě, ani zda jsou vlastnostmi předmětů, které vidíme. … Neboť, protože jsou barvy vlastnostmi světla, majíce jeho paprsky za svůj vnitřní a bezprostřední subjekt, jak můžeme myslit, že tyto paprsky jsou také vlastnostmi, aniž by jedna vlastnost mohla být subjektem jiné a ji podporovat, což ve skutečnosti znamená nazývat ji substancí. … Ale není tak snadné určit dokonaleji, co je světlo, jakým způsobem se láme a jakými způsoby nebo účinky vytváří v našich myslích představu barev. Ale nebudu mísit dohady s jistotami” [6].

Při rozkladu světla hranolem Newton viděl nezávisle na povaze zdroje sedm spektrálních barev přesně v tom pořadí jaké má duha a tedy prohlásil, že spektrum plamene svíčky, Slunce, ale i rozžhavených kovů je principiálně stejné a spojité. Omyl byl v tom, že spektrum je posloupnost obrazů vstupního otvoru, a že při volbě otvoru jako úzké štěrbiny by bylo spektrum výraznější (difrakce rozostřuje – roztahuje do šířky) a s případnými mezerami. K tomuto objevu přišel až v roce 1813 německý optik Joseph von Fraunhofer [7] (1787 – 1826), který na vstupu do spektroskopu umístil štěrbinu a na výstupu dalekohled. Takto zjistil existenci tmavých mezer ve slunečním spektru, tedy dokázal nespojitost spektra [1].