Światło i barwa jako pojęcie fizyczne a nie metafizyczne

Warto zdawać sobie sprawę, że aż do drugiej połowy XVII wieku barwa była pojęciem metafizycznym różnie definiowanym przez filozofów i uczonych. Dopiero doświadczenie Izaaka Newtona (na zdjęciu) z 1666 roku, związane z załamaniem i rozszczepieniem światła białego przez przezroczysty pryzmat pozwoliło udowodnić że barwa jest zjawiskiem fizycznym.

Doświadczenie to Newton opisał w pracy: “New Theory about Light and Colors”, zamieszczonej w Philosophical Transactions of the Royal Society of London (1671/72), Vol. 80. W pracy tej przedstawił on wynik swojego eksperymentu, który został zilustrowany poniższymi rysunkiem.

Rys. 1. Ilustracja eksperymentu przeprowadzonego przez Izaaka Newtona

Rysunek 1a obrazuje zjawisko załamania i rozszczepienia światła białego przez pryzmat. Bez względu na grubość i wielkość (wykonanego przez Newtona pryzmatu) światło słoneczne (przyjmowane umownie jako białe), ulega w pryzmacie załamaniu i rozszczepieniu na promienie barwne. Wynika z tego, że światło białe jest mieszaniną promieniowań barwnych.

Jeżeli promieniowanie charakteryzujące się określoną barwą zostanie przepuszczone przez przezroczysty pryzmat (rys. 1b) to nie ulega ono już dalszemu rozszczepieniu i charakteryzuje się tą samą barwą. Tęcza barw uzyskana po przepuszczeniu światła białego przez pryzmat może zostać przepuszczona przez drugi pryzmat (rys. 1c) i wyniku tego otrzymamy ponownie światło białe.

Newton napisał, że z jego doświadczenia wynika, że barwa jest właściwością światła, a nie jak wcześniej myślano że wynika ona z właściwości szkła (pryzmatu, kryształu) przez który to światło jest przepuszczane.

Ta, w nam współczesnych czasach, oczywista teoria, w czasach Newtona była zarzewiem gorących dyskusji, a nawet personalnych kłótni i niesnasek. Ówcześni naukowcy (na przykład Robert Hook) woleli wierzyć, że barwa powstaje z kombinacji światła i ciemności jako rodzaj cienia. Hooke wierzył, że barwne światło jest „odciskiem czegoś”, podobnie jak światło staje się barwne, gdy patrzymy przez witraż.

Jednak Newton zdawał sobie sprawę, że światło zachowuje się w podobny sposób jak fale na wodzie i ostro polemizował ze swoimi przeciwnikami naukowymi. Newton, niesłusznie zresztą wierzył, że fale świetlne są falowaniem maleńkich cząstek światła, korpuskuł, mniejszych nawet od atomów. Newtona uważa się za twórcę teorii korpuskularnej światła, według której światło rozchodzi się w postaci małych cząstek wyrzucanych ze źródła. Cząstki, wpadając do oka wywołują wrażenia wzrokowe; odbijają się jak piłeczki od powierzchni przedmiotów i przechodząc do innego ośrodka zmieniają kierunek ruchu. Ten pogląd panował do czasu, kiedy zaobserwowano dyfrakcję i interferencję światła (Young, Fresnel - początek XIX wieku), czyli zjawiska falowe i została ogłoszona przez Maxwella (1867 rok) teoria fal elektromagnetycznych. Odkrycie w XX wieku nowych zjawisk związanych ze światłem, spowodowało korektę tych poglądów i powstanie teorii korpuskularno - falowej mówiące, że światło może też być rozpatrywane jako strumień cząstek, które przenoszą energię, ale nie mają masy (Einstein).

Historycznie ujmując około 200 lat po Newtonie inny angielski uczony - Thomas Young udowodnił doświadczalnie w roku 1801 falową naturę światła. Na podstawie doświadczenia, w którym wykazał, że wiązki świetlne pochodzące z dwu niezależnych źródeł światła nakładają się na siebie w taki sposób, że powstała w wyniku złożenia wiązka światła w niektórych miejscach jest jaśniejsza a w innych ciemniejsza, Young udowodnił, że światło jest falą, ponieważ podlega zjawisku interferencji na takich samych zasadach jak np. fale na wodzie. W swoim wykładzie „ o teorii światła i barw” wygłoszonym 12 listopada 1801 roku przedstawił pogląd, że wrażenie różnych barw wynika z różnej częstości drgań wywołanych przez światło na siatkówce oka ludzkiego. Wykazał on, że różne barwy światła odzwierciedlają różne długości fal. Długość fali jest miarą odległości następujących po sobie grzbietów fali. W tekście wykładu Young przytoczył obszerne fragmenty z pism Newtona i podał objaśnienia, na podstawie teorii falowej, różnych zjawisk optycznych. Wyjaśnił między innymi rozdzielanie światła białego na wiele barw przez przezroczysty pryzmat. Pryzmat ugina padające na niego światło o kąt, który zależy od długości fali światła. Światło czerwone uginane jest najmniej a fioletowe najbardziej.

Young wykazał on, że światło białe jest mieszaniną promieniowań barwnych o różnych długościach fali tj. tym samym potwierdził doświadczenie Newtona. Dodatkowo wskazał on na barwy podstawowe, które dodane do siebie w różnych proporcjach tworzą inne barwy. W związku z tym, że światło białe jest mieszaniną promieniowań barwnych, a każdej barwie odpowiada inna długość fali, po przejściu przez pryzmat obserwujemy tęczę barw.

Mimo, że Young w swoich pracach podkreślał, że jego badania są kontynuacją doświadczeń i przypuszczeń Newtona, a jego celem jest modyfikacja a nie zniszczenie doktryny Newtona, naraził się na ostre ataki. Zdenerwowany i zniechęcony krytyką przestał on zajmować się naukowo światłem.

Elektromagnetyczną teorię światła opracował w 1867 roku J. C. Maxwell, a poparł ją doświadczalnie w 1888 roku Heinrich Rudolph Hertz. Uznano, że światło stanowi falę elektromagnetyczną o długości od 380nm do 780nm. Jednak w 1905 roku Einstein wykazał, że, światło może być traktowane jako strumień cząstek (tzw. fotonów), z których każda niesie porcję energii czyli kwant energii. Jednym słowem historia zatoczyła koło.

Irena Fryc

Irena Fryc - dr hab. inż., adiunkt w Katedrze Promieniowania Optycznego, Wydziału Elektrycznego Politechniki Białostockiej.