Newtons teori om lysets natur

1. Forudsætningerne

Newton arbejdede tidligt i sin karriere med spektrets farver, og han offentliggjorde sine resultater i 1672. Hans engelske kolleger opfordrede ham til også at beskrive lysets natur. Han var ikke meget for det, og først i 1704 beskrev han sin teori om lysets natur i "Opticks".

Blandt Newtons forgængere var der især to, hvis arbejder havde betydning for at forstå lysets natur. Det var Grimaldi og Huygens.

Grimaldi havde opdaget at en lysstråle i et homogent medium ikke altid bevæger sig retlinet, men at den ved passage af et lille hul kan brede sig kegleformet ud. Grimaldi opdagede også at det kan ske at to lysstråler, som rammer samme punkt på en skærm ikke giver en lysplet, men mørke. Begge dele kan ske med bølgebevægelser, men næppe ved en strøm af partikler. Grimaldis udtalelser om lysets natur er imidlertid uklare

De grundlæggende love for spejling og brydning udledes let af "Huygens´ princip", se 1677 Huygens. Men det er en svaghed ved Huygens arbejder med lys, at det ikke behandler farvernes teori.

En anden svaghed ved teorien om bølger er, at bølger skal have noget at bølge i, og det var svært at forestille sig hvad det skulle være. Man brugte så ordet æteren om dette ukendte materiale. Det måtte opfylde hele verdensrummet, og Newton mente at æteren nødvendigvis måtte bremse planeterne i deres bevægelse om Solen, og det ville jo ødelægge deres ellipseformede baner. Konsekvensen var, at Newton foretrak at antage, at en lysstråle er en strøm af partikler, men han gav også udtryk for, at han ikke selv fandt partikelteorien fuldt tilfredsstillende.

2. Newtons syn på hvad lys er

3. Spejling

I første omgang har Newton nok forestillet sig at spejlingen foregår ligesom når man kaster en bold skråt ned mod et gulv. Men det duer ikke. For lyspartiklerne må være så små, at sammenlignet med dem må den spejlende overflade være meget ujævn, og så må partiklerne blive kastet tilbage i alle mulige retninger. Newton antog derfor at det spejlende materiale virkede frastødende (ikke psykologisk!) på lyspartiklerne. På figuren til højre kommer lyset oppe fra den lyseblå luft og bevæger sig ned mod det mørkeblå vand. Når partiklerne i den gule lysstråle kommer tilstrækkelig nær på den spejlende vandoverflade, i den punkterede linjes afstand, afbøjes lyspartiklerne opad af den frastødende kraft, så banen bliver krum, og når strålen så igen passerer den punkterede linje, ophører frastødningen og lysstrålen fortsætter retlinet og danner samme vinkel med spejlet som den indfaldende stråle.

Det hele virker meget rimeligt, men nogen egentlig dokumentation for, at beskrivelsen passer med virkeligheden, giver Newton ikke.

4. Brydning

Så kommer vi til Newtons behandling af brydningen. På billedet til venstre kommer den gule lysstråle ovenfra og bevæger sig retlinet ned mod den vandrette punkterede linje. Denne gang antager Newton at vandet virker tiltrækkende på lyspartiklerne, således at hastighedsvektorens lodrette nedadrettede komposant bliver større. Det bevirker, at lysstrålen krummer som vist, og den bliver først retlinet igen, når den kommer ned i vandet. Tiltrækningen har altså bevirket, at lysets hastighed er større i vand end i luft. (Det er faktisk forkert, men det kunne man ikke måle på Newtons tid.)

På figuren til højre kommer lyset oppe i det lyseblå, hvor lyshastigheden er H, og lyset brydes ned i det mørkeblå, hvor lyshastigheden betegnes h. Brydningens størrelse fastlægger Newton ved at antage, at hastighedsvektorens vandrette komposant v er konstant. Den har altså samme værdi før og efter brydningen. På figuren til højre er lyset 1 sekund om at gå fra A til B, og det er også 1 sekund om at gå fra C til D. Den vandrette komposant af hastigheden betegnes v. Den findes to steder på figuren. De to trekanter er retvinklede. De rette vinkler dannes af lodrette og vandrette liniestykker. I trekanterne har den gule hyponenuse til venstre længden H og til højre har den længden h. Det er fordi vi ovenfor valgte 1 sekund som tidsenhed. Den røde indfaldsvinkel i findes i trekanten til venstre, og den grønne brydningsvinkel b findes i trekanten til højre. Af trekanterne fås nu, at

Resultatet stemmer med Snells brydningslov, som siger at forholdet sini/sinb er uafhængigt af værdien af i. Så Newtons idé med at antage, at hastighedsvektorens vandrette komposant er konstant, har en fornuftig konsekvens. Men værdien af forholdet er forkert. Huygens mente, at det skulle være H/h og ikke h/H, og det blev senere bekræftet.

Som vi har set forklarer Newton spejlingen, ved at antage at der virker en frastødning på lyspartiklerne, mens han forklarer brydningen, ved at antage at der virker en tiltrækning på lyspartiklerne. Og påvirkningen kommer i begge tilfælde fra det mørkeblå materiale på figurerne. Newton klarede denne vanskelighed ved at antage, at hver enkelt lyspartikel hele tiden skifter mellem to tilstande, en spejlingstilstand, hvor der virker en frastødning på partiklen, og en brydningstilstand, hvor der virker en tiltrækning. Og det er så den tilstand en partikel er i, når den rammer grænsefladen, der bestemmer om partiklen skal spejles eller brydes.

Under 1723 kan du læse om naturvidenskabelige fejltagelser. Kik på vores eksempler dér, og sammenlign med den fejl af Newton, som vi beskrev ovenfor.

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