Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез - Miguel Sabadell

Максвелл успешно справился с испытаниями Кембриджа и понимал, что настала пора вернуться к собственным исследованиям. Пребывание в университете подарило ему уверенность, ясность мысли и отработанную методику — все это он был готов применить при решении стоявших перед ним задач. К данному периоду относится одно из самых интересных исследований Максвелла, получившее широкую известность, — теория цветов.

Благодаря ей он стал известен как физик- экспериментатор с хорошим знанием математики.

В середине XVII века молодой английский ученый захотел выяснить, почему мы видим листья деревьев зелеными, небо голубым, а хлопок белым. Для этого он смотрел прямо на Солнце до тех пор, пока цвета в его глазах не изменялись. Он так увлекся своим занятием, что ему пришлось закрыться на несколько дней в абсолютно темной комнате, пока скопления светящихся точек, которые постоянно плавали перед его глазами, не исчезли. Этим «несознательным» исследователем был великий Исаак Ньютон.

Через несколько лет он вернулся к данной теме, но уже с большей осторожностью. Модная теория того времени, распространенная в академических кругах, утверждала, что цвета — это смешение света и темноты. Существовала даже шкала, которая шла от ярко-красного (чистого белого света с минимальным количеством темноты) до темно-синего цвета, предшествующего черному, то есть абсолютному исчезновению света в полной темноте. Однако Ньютона такое объяснение не устраивало: если делать запись черными чернилами на белой бумаге, то написанное не становится цветным...

Ньютон начал исследовать то, что было известно как «знаменитый феномен цветов». Ученые использовали призму для своих работ и думали, что в ней есть что-то, ответственное за придание свету различных цветов. Проблема была в том, что они помещали экран, на который падал свет, исходящий из призмы, очень близко от нее, поэтому видели только разноцветное пятно. Ньютон отдалил экран от призмы насколько это было возможно, и... появилась радуга. Тогда он усложнил эксперимент. В экране, на который падал свет, разложенный на цвета, ученый сделал маленькую щель как раз на той высоте, где проходил зеленый пучок, и поставил позади другую призму. Ньютон выяснил, что свет, который проходит через эту вторую призму, остается зеленым. Так он доказал, что белый свет является простым смешением цветов, а единственное, что делает призма, — разделяет их. Следующим его шагом стал поиск правил, регулирующих смешение цветов. И Ньютон создал то, что сегодня известно как цветовой круг Ньютона (см. рисунок).

С помощью этой диаграммы Ньютон хотел теорию смешения цветов,согласно которой из основных цветов спектра можно образовать любой другой.

Он разделил окружность на семь дуг, по числу цветов спектра. Каждая дуга была окрашена в один из этих цветов, в то время как белый центр круга, О, представлял собой смешение всех цветов спектра (как это происходит с белым светом Солнца). Таким образом, пространство между О и окружностью представляло собой гамму ненасыщенных, тусклых цветов, которые мы наблюдаем в реальном мире. Ньютон нашел метод для вычисления хроматичности (то есть тона и чистоты) заданного цвета.

Как можно видеть на рисунке на этой странице, в центр каждой дуги Ньютон поместил маленький круг, размер (или вес) которого пропорционален числу лучей рассматриваемого цвета. Данные лучи входят в состав определенного смешения, а точка Y указывает, какой цвет составлен на основе этого смешения цветов спектра; в данном случае представлен краснооранжевый.

В заключение своего рассуждения Ньютон заметил: 

«Если бы точка Yпопала на линию OD или оказалась рядом с ней, основными ингредиентами были бы красный и фиолетовый и получившийся цвет не был бы ни одним из призматических цветов [тех, что появляются при пересечении призмы лучом света], а был бы пурпурным, ближе к красному или фиолетовому; следовательно, точка Y находилась бы со стороны линии DO ближе к Е или Сив целом составной фиолетовый был бы ярче и более выражен [насыщен], чем несоставной».

Наука о цвете должна считаться, по сути, наукой о разуме.

Джеймс Клерк Максвелл

Однако Ньютон знал ограничения своего построения: была одна неудобная точка непрерывности в том месте, где сталкивались два цвета краев спектра — красный и фиолетовый. Кроме того, что произойдет, если смешать в одинаковых частях два цвета, которые находятся в местах, диаметрально противоположных друг другу? В чистом виде новый цвет попал бы в центр (О) и должен был быть белым, но, как высказался сам ученый, «это был бы не идеально белый, а некий слабый и неизвестный [разбавленный и безымянный] цвет». Он также признал, что ему не удалось произвести белый на основе двух цветов, несмотря на то что голландский физик Христиан Гюйгенс (1629-1695) утверждал, что это можно сделать, смешав синий и желтый цвета. Зато Ньютон признавал, что такое возможно при помощи «смешения трех цветов, взятых на одинаковом расстоянии от окружности». Однако он говорил о разнице между белым, который производится при смешивании некоторых из семи цветов радуги, и «белым цветом света, непосредственно идущего от Солнца»: по его мнению, это были два разных белых.

Ньютон совершил несколько ошибок при разработке своей теории, которые из-за его невероятного авторитета достаточно долго никто не опровергал. Поскольку при объяснении своих экспериментов он четко не разграничил свет и пигменты, последующие ученые предположили, что смешивать свет и пигменты — одно и то же. Ньютон также считал очевидным то, что цвет пигмента эквивалентен цвету света, который он отражает (например, желтый пигмент отражает желтый свет), и эта ошибка еще «жива». В эпоху Максвелла теория Ньютона была самой лучшей из всех имевшихся.

Между тем художники и текстильные фабрики в понимании смешивания цветов находились на несколько световых лет впереди от ученых. Начиная с XVII века они прекрасно знали, как получить нужный цвет на основе красного, синего и желтого — триады «первичных» цветов. Но почему их три? Английский физик и врач Томас Юнг (1773-1829) предположил в своем «Курсе лекций по натуральной философии» (1807), что в основе может лежать физиологическая причина. Возможно, у нас в глазу «три типа ощущений на сетчатке», различные рецепторы, и смешение их сигналов в мозге дает воспринимаемый цвет.

Цвет, который мы воспринимаем, — это функция с тремя независимыми переменными. По крайней мере три я считаю достаточным, но время покажет, так ли это.

Максвелл в письме Уильяму Томсону

Джеймс начал интересоваться проблемой цветов начиная с дней, проведенных в лаборатории Форбса в Эдинбурге. Его наставник думал, что можно образовать любой цвет, используя классический цветовой круг (см. рисунок), измененный должным образом. Поскольку если быстро крутить его, наш глаз неспособен различить каждый из цветов, нарисованных на круге, в итоге мы видим их смешение. Это характеристика глаза, но не слуха: если разделить звуки на самые простые компоненты, мы способны услышать мелодию, а не единое смешение всех нот. Следуя предположению Юнга, Форбс думал, что можно воспроизвести любой цвет, включая белый, расположив подходящим образом три первичных цвета на круге. Итак, он пытался получить белый на основе красного, желтого и синего, распределяя их по кругу в секторах различного размера. Напрасно. Также Форбс попытался воспроизвести зеленый на основе синего и желтого, как это делали художники на своих палитрах, но не добился этого: к своему удивлению, он получил розовый.

Первый цветной круг, показывающий отношении, существующие между первичными и вторичными цветами, — это работа Исаака Ньютона. Здесь мы приводим два круга, которые появляются в «Трактате о живописи в миниатюре» (1708), приписываемом французскому художнику Клоду Буте. Справа показан более древний пример цветового круга с 12 оттенками.

Ученый был обескуражен. Сегодня мы знаем, что смешивать цвета и пигменты — не одно и то же: первое смешение — аддитивное, а второе — субтрактивное. Мы видим желтый цвет на стенах, потому что наш глаз воспринимает желтый свет, который не поглощается, а отражается желтой краской. Именно это обнаружил Максвелл: он открыл, что если экспериментировать с цветовым кругом, содержащим красный, зеленый и синий в качестве первичных цветов, то все работает идеально.

Джеймс Клерк Максвелл начал исследование цветов в подходящий момент — во время большого интереса к данной теме.

Шотландский физик-оптик Дэвид Брюстер (1781-1868) сформулировал теорию об ощущении цвета, а немец Герман фон Гельмгольц (1821-1894) опубликовал в 1852 году свою первую статью по этой теме. Согласно Брюстеру, тремя первичными цветами являются красный, синий и желтый; и они соответствуют (следуя Юнгу) трем типам объективного света. Но фон Гельмгольц указал на глубинное несоответствие: эксперименты, поставленные на тот момент, осуществлялись смешиванием пигментов, за исключением немногих, сделанных с помощью цветового круга, а нужно было смешивать свет разных цветов, чтобы можно было сравнить результаты. Для этого фон Гельмгольц сконструировал прибор, способный смешивать свет двух цветов спектра любой интенсивности. У этих экспериментов были удивительные результаты: при смешении красного и зеленого получился желтый, а зеленого и фиолетового — синий.