Forside Søgning Liste

Newton grundlagde sin verdensberømmelse ved nogle forsøg med lys, som han udførte i 1666, og som han første gang publicerede i 1672. Se vores oversættelse under 1672: Newtons originale artikel om optik. Vi ved ikke, om Newton kendte Marcis iagttagelser fra 1648, men Newtons udgangspunkt var en gentagelse af Marcis forsøg.

1. Spektre

Billedet skitserer Newtons mørklagte forsøgslokale. Sollyset kommer ind ad et lille rundt hul i væggen til venstre. Det er 6 mm i diameter, og der er 6,5 meter over til den hvide skærm ved den modsatte væg. Lige efter at lyset er kommet indenfor, bliver det brudt af et prisme, og de brudte stråler danner så en lys plet på skærmen. Hvis prismet ikke var der, ville pletten være rund og hvid og i forlængelse af solstrålen. Prismet bryder som bekendt lyset bort fra den brydende kant, og man kunne derfor forvente en rund hvid plet længere oppe på væggen. Men det ser man ikke. Lyspletten bliver et højt, smalt rektangel, dog uskarpt afrundet foroven og forneden. Rektanglet er lige så bredt, som solpletten ville have været, men det var i Newtons tilfælde ca. 5 gange så højt. På billedet har vi overdrevet bredden for tydelighedens skyld. Af samme grund har vi overdrevet vinklen mellem de to brudte røde og blå stråler, og vi har tegnet strålerne med farver, selv om de ikke kan ses fra siden. Lyspletten er farvet. Den er rød forneden, lidt længere oppe er den orange, så bliver den gul, og det fortsætter i regnbuens rækkefølge, rød, orange, gul, grøn, blå, indigo, violet. Der er jævne overgange mellem farverne. Newton kaldte pletten et spektrum, det er det latinske ord for billede. Den hvide solstråle spaltes altså af prismet i stråler, der har alle regnbuens farver. Det røde lys brydes altså mindst og det blå mest. Det er derfor, at aftenrøden bryder frem og afløser den blå himmel. Hvis du vil se Newtons egne notater om forsøget, skal du klikke her.

Newton undersøgte fænomenet nærmere på to forskellige måder. For det første undersøgte han, om farverne kunne spaltes yderligere, og for det andet prøvede han omvendt at komme tilbage fra spektret til hvidt lys.

1. eksperiment. Billedet herunder viser opstillingen til den første undersøgelse.

Der benyttes nu to skærme og to prismer. På skærmen til venstre dannes spektret, men lidt mindre end før. Der er boret et lille hul i skærmen. På figuren er det gult lys, der fortsætter gennem hullet. Der rammer det et nyt prisme, og Newton kunne så på skærmen til højre se, at det gule lys ikke spaltedes yderligere. Der var en rund gul plet på skærmen. Tilsvarende gjaldt, hvis man lod en anden af spektrets farver ramme hullet i skærmen. De farver, der viser sig på den første skærm, kan altså ikke spaltes yderligere. Det var det første forsøg. Hvidt lys opspaltes altså af et prisme i en (uendelig) række farver, der hver for sig ikke kan spaltes yderligere. Newton tillagde dette forsøg stor betydning. Han kaldte det "Experimentum crucis", "Det afgørende forsøg". Forsøgsresultaterne gjorde det muligt for Newton at bevise, at Snells brydningslov gælder for hver enkelt farve, og han beregnede brydningsforholdet for forskellige farver. På billedet nedenfor gengiver vi Newtons egen tegning af eksperimentet. Newton brugte en skærm mere, end vi har vist ovenfor. Jeg kan ikke se, hvad gavn skærmen BC gør. Efter passage gennem skærmen DE er den lysstråle, der kommer ud ved Y, meget tæt på at være monokromatisk, dvs. at den består af lys med ét bestemt brydningsforhold.

2. eksperiment. Vi går nu over til at beskrive et andet forsøg, hvor man samler spektrets farver i en lille lysplet.

I denne opstilling rammer de farvede lysstråler en samlelinse, og da de, så nogenlunde i hvert fald, kommer i retning fra et bestemt punkt, samles de i billedet af dette punkt. Det fanger vi på en skærm og, mirakuløst nok, de viser sig som en hvid plet på skærmen. På figuren har vi indtegnet de farvede lysstråler. Men strålerne kan jo ikke ses fra siden, så når man laver forsøget, ser man kun den hvide plet. Hvis man rykker skærmen lidt nærmere til linsen, ser man et kort spektrum med det blå lys øverst. Hvis man rykker skærmen lidt længere væk fra linsen, krydser lysstrålerne hinanden, inden de når skærmen. Derfor ser man et kort spektrum, der er rødt foroven og blåt forneden. I den stilling af skærmen, hvor det skifter, ser man altså en hvid plet.

Forsøgene viser, at hvidt lys er sammensat af lys af en (uendelig) række farver. Hver farve har sit eget brydningsforhold, og kan altså karakteriseres ved et tal, nemlig brydningsforholdet. Det er et skridt fremad i retning af at gøre begrebet farve tilgængeligt for videnskabelig behandling.

Der er masser af farver, der ikke findes i spektret for hvidt lys, f.eks. brun.

Newton brugte ikke selv brydningsforholdet som måltal for farven. Han valgte nogle brøker, som afspejler toneforholdene i en molskala. Det var veldefineret nok, og Newton var selv klar over det tilfældige i dette valg. I dag virker valget mærkeligt.

De fleste af Newton´s samtidige betragtede hvidt lys som usammensat og farvet lys som fremkommet ved ændringer af hvidt lys. Newton havde nu vist, at det er omvendt: Hver enkelt af spektrets farver er usammensat, og hvidt lys fremkommer som synsindtryk, når alle regnbuens farver blandes. Det kan man også illustrere med et stykke legetøj for børn:

Det er en stor snurretop. På den sidder der en vandret, rund skive. Den er ved linier fra centrum delt i måske 5 vinkler med regnbuens farver. Når så snurretoppen snurrer, ser den (ret) hvid ud.

Det lykkedes også for Newton at bruge lyset fra Venus som lyskilde. Det lille hul, han brugte til sollyset, var kun 6 mm i diameter, og det var for lidt, når lyskilden var det svage lys fra Venus. Han samlede derfor lys fra Venus i en samlelinse, anbragte et prisme umiddelbart bag linsen og iagttog billedet af Venus på en skærm. Og det var ikke en rund lysplet. Billedet var, for nu at citere Newton ordret, "drawn out into a long splendid line". Man kan i disse ord føle Newtons glæde ved iagttagelsen.

Lad os betragte to af spektrets farver, farve 1 og farve 2. Så kan det godt ske, at farve 1 lyser stærkere end farve 2 i Solens spektrum, mens farve 2 lyser stærkere end farve 1 i spektret for Venus. Forsøgsomstændighederne tillod ikke Newton at opdage forhold af denne art.

Newton lavede en masse forsøg med udgangspunkt i Solens spektrum. Lad os slutte med at beskrive et af dem. Her undersøgte han de farver, der reflekteres fra en farvet overflade. Han tegnede en blå plet og en rød plet på et stykke papir. Og inde i mørkekammeret belyste han så pletterne med lys fra den blå del af spektret. Så så begge pletterne blå ud, men den røde plet lyste meget svagere op end den blå. Det gik omvendt, hvis han belyste pletterne med lys fra den røde del af spektret. Han skrev:"Note y^t y^e purer y^e Red/Blew is y^e lesse tis visible w^th blew/Red rays."

Konklusionen udtrykte Newton selv således:

"Lys er en inhomogen blanding af stråler med forskellige brydningsforhold."

Det følger af Newtons resultater, at en samlelinse ikke kun har ét brændpunkt, den har et violet brændpunkt nærmest linsen, lidt længere væk et blåt og så videre gennem regnbuens farver, til man længst væk kommer til et rødt brændpunkt. Billeddannelsen er derfor ikke perfekt. Et billede af en genstand med mange farver vil have farvede kanter. Man taler om linsens farvefejl.

På billedet til højre viser vi, hvordan en linses farvefejl kan vise sig. Vi opfanger en punktformet lysgivers billede på en skærm, der er anbragt, så det røde brændpunkt ligger på skærmen. Det er kun de røde og de blå stråler vi har tegnet til højre for linsen. Længst til højre viser vi punkteret, hvordan skærmen ser ud forfra. Der er et lille skarpt rødt billede af lysgiveren, og det blå lys viser sig i en kreds uden om det røde punkt. Opgave 11 Til højre er der ingen skarp begrænsning af det blå område, men på den lille hvide skærm ser det ud som om der er en skarp grænse for det blå område. Hvad er rigtigt?

Newton sluttede af sine resultater, at det var umuligt at lave en linse uden farvefejl. Det blev senere opdaget, at dette er forkert. Newtons argument byggede på, at hvis én glassort bryder lyset mere end en anden, så vil den også sprede farverne mere end den anden, men denne påstand er forkert. Newtons synspunkt holdt sig imidlertid halsstarrigt, især i England. Fejlen blev opdaget i 1733 af Chester Moore Hall, og han fik konstrueret de første akromatiske linser, dvs. linser uden farvefejl. Den schweiziske matematiker Leonard Euler påpegede mod Newtons synspunkt noget provokerende, at Newton helt sikkert havde uret, for Gud havde jo allerede skabt sin egen akromatiske linse: Det menneskelige øje.

Der var fra midten af 1600-tallet en ivrig diskussion om lysets natur. Huygens fremkom i 1677 med et bølgeteoretisk bevis for brydningsloven. Argumentet kan også forklare, at forskellige farver har forskellige brydningsforhold. Dette tyder på, at lyset er en bølgebevægelse. Der var imidlertid andre videnskabsmænd, der hældede til den anskuelse, at lys er partikler, der bevæger sig fra lyskilden til modtageren. Newton hældede mest til partikelteorien, men noget afgørende argument havde man ikke på den tid. Newton fremhævede stærkt, også i breve til samtidige, at spekulationerne over lysets natur kun var spekulationer. Hypoteserne kunne ikke bekræftes af eksperimenter. Den iagttagelse af bl.a. Newton, som vi nu går over til at beskrive, peger også frem mod bølgeteorien, men det ser ikke ud til, at Newton tænkte i de baner. Grimaldi var i 1663 tættere på.

2. Newtonringe

Flere fysikere, bl.a. Hooke, Huygens og Grimaldi, havde beskæftiget sig med de farvefænomener, der opstår i tynde gennemsigtige lag. Fænomenet kendes i dag fra f.eks. sæbebobler og olieforurenede vandpytter, hvor man ser farver, selv om hverken vandet eller olien er farvet. Det var svært at gå i gang med en teori om emnet, bl.a. fordi man ikke kunne måle tykkelsen af disse tynde lag. Men Newton fandt en metode:

Newtons opstilling vises på figuren nedenfor til venstre. Han lagde et kikkertobjektiv i sin indfatning på et bord. Oven på denne samlelinse lagde han en plankonveks samlelinse med den plane side nedad. Han belyste det hele ovenfra med hvidt lys og kiggede på det ovenfra. Så så han en mørk plet, der hvor linserne rører hinanden, og uden om pletten opstod der i mellemrummet mellem linserne en række lyse cirkler med farvede rande. Hvis han belyste det hele med monokromatisk lys, opstod der omkring den mørke plet afvekslende lyse og mørke cirkler i lysets farve. De kaldes i dag for newtonringe. Herunder er der til højre et nyt billede af newtonringe frembragt af gult, monokromatisk lys.

Her følger Newtons egen beskrivelse af forsøget:

"For at få en bedre observation af rækkefølgen af farverne tog jeg to kikkertobjektiver, det ene en plankonveks linse fra en fjortenfods kikkert og det andet en dobbeltkonveks fra en halvtreds fods. Og på den lagde jeg den anden, med den plane side nedad. Jeg pressede dem langsomt mod hinanden, og farverne opstod efter hinanden i midten, og når jeg langsomt løftede den øverste linse fra den nederste, fik jeg dem til at forsvinde igen, en efter en." Herunder viser vi to tegninger fra Newtons bog "Opticks" fra 1704.

Ovenfor til højre ser vi Newtons tegning af ringene. Det ligner det gule billede ovenfor.

Ovenfor til venstre ses et lodret snit gennem linserne, svarende til den punkterede firkant på figuren med to linser ovenfor. AB er den plankonvekse linses underside, og CD er den nederste linses overside. Alle de skrå streger forestiller lysstråler. Billedet viser, hvordan Newton forklarer, at ringene opstår. Hvis man oppefra følger en lysstråle skråt nedad mod højre, er der to muligheder: Det kan være, at strålen fortsætter ligeud, ned i den nederste linse. Så kan den ikke ses oppefra. Den anden mulighed er, at strålen tilbagekastes fra overfladen af den nederste linse og fortsætter skråt opad til højre. Så kan den ses oppefra. Newton giver ingen forklaring på, at nogen af lysstrålerne tilbagekastes, og andre ikke.

Det er heller ikke det, der sker. Newton kendte ikke til bølgers interferens, og han kunne derfor ikke give en tilfredsstillende forklaring på newtonringene. Thomas Young forklarede i 1803 fremkomsten af newtonringe som interferens af lysbølger. Efter Huygens var Young den største fortaler for, at lyset er en bølgebevægelse.

I sine forsøg med monokromatisk lys udførte Newton omhyggelige målinger. Han målte sammenhængen mellem ringenes diameter og farve på den ene side og den lokale afstand mellem de to glasoverflader på den anden. Det var disse måleresultater, som Young brugte ved bestemmelse af bølgelængden af de forskellige farver af lys.

Newton var gennem sine iagttagelser af newtonringe tæt på at starte spektralanalysen, som er et overmåde vigtigt hjælpemiddel i moderne fysik. Men tiden var ikke moden. Der gik 150 år, før Kirchhoff og Bunsen blev klar over spektralanalysens store betydning.

Opgave 9 På billedet nedenfor skinner Solen ned i min sigte ude fra køkkenet. Det ligner newtonringe, kan du forklare fænomenet? (- Jeg er ikke tilfreds med min egen forklaring, så jeg ville blive glad for en!)

Hvis du støder på et ord, hvis betydning du ikke kender, så søg på ordet.