אופטיקה (ספר)

אופטיקה (Opticks) הוא ספרו של הפיזיקאי האנגלי אייזק ניוטון, שראה אור לראשונה ב-1704. הספר דן באופטיקה ובשבירה של אור. הספר מנתח את הטבע היסודי של האור באמצעות חקירת השבירה שלו בעוברו במנסרות ועדשות, העקיפה של אור בסמוך ליריעות זכוכית, וההתנהגות של תערובות צבעים הנוצרים באמצעות הארת אבקות פיגמנט באור בצבע מסוים. "אופטיקה" נחשבת לאחת העבודות המדעיות הגדולות בהיסטוריה, והייתה ספרו המרכזי השני של ניוטון במדע הפיזיקה, והשני בחשיבותו (אחרי ה-"פרינקיפיה").

סקירה

"אופטיקה" מייצג תרומה משמעותית למדע. הספר מכיל רישום ניסויים רבים והיסקים לוגיים מהם, ומכסה מגוון רחב של נושאים המכונים כיום "אופטיקה פיזיקלית". הספר אינו דיון גאומטרי של תופעות שונות בנוגע לאור, או הנושאים המסורתיים של החזרת האור ממראה בעלת צורות שונות או כיצד קרני האור "מתעקמות" כשהן עוברות בתווך כלשהו, אלא הוא חקירה של טבע האור והצבע ומגוון תופעות כגון השבירה (שניוטון קורא לה "הטיה") של האור.
ניוטון מציג בספר בפירוט את הניסויים שערך החל מ-1672, בנוגע לשבירת האור, או חלוקתו לספקטרום הצבעים המרכיבים אותו. הוא מתאר כיצד צבעים מופיעים על ידי העברת אנרגיה או החזרה של מגוון החלקים המרכיבים את האור. הניסויים שערך בנושאים הללו ובנושא שבירת האור הציבו רמה חדשה של ידע ועומק באופטיקה.
תרומתו של ניוטון לחקר נפיצת האור בעוברו דרך מנסרה הייתה יוצאת דופן מכיוון שהוא תיאר באופן איכותי את נפיצתו של האור במעברו בקונפיגורציות מרובות מנסרות. מערכי מנסרות, ככלי להרחבת קרניים, הפכו למרכזיים בתכנון לייזר נשלט 275 שנה מאוחר יותר ולכן פיתוח התאוריה של נפיצת אור במערכי מנסרות הפך לנחוץ ביותר.

"אופטיקה" לעומת ה"פרינקיפיה"

"אופטיקה" שונה באופנים רבים מן ה"פרינקיפיה". ראשית, "אופטיקה" נכתב באנגלית, ואילו ה"פרינקיפיה" נכתבה בלטינית. שנית, שלא כמו ה"פרינקיפיה", "אופטיקה" אינו מוצג באמצעות דיוק גאומטרי, עם טענות המוכחות מתמטית בהסתמך על טענות קודמות, בסיסיות יותר. ניוטון אינו מוכיח את הטיעונים שהוא מציג ב"אופטיקה", אלא ההוכחות ניתנות "באמצעות ניסויים" - עבודה שהיא אמנות ניסויית, המציגה דוגמאות רבות לדרך שלפיה יש לבצע ניסויים ולהפיק מהם מסקנות.

תוכני הספר

ב-"אופטיקה", ניוטון הציג את התגליות והתאוריות המרכזיות שלו בנוגע לאור וצבע בסדר לוגי, ומתחיל משמונה הגדרות ושמונה אקסיומות. בטענה 6 בספר ניוטון הראה, שבניגוד לדעתם של מחברים קודמים, חוק הסינוס תקף לכל צבע בנפרד. בחלק השני של הספר הראשון ניוטון דן בצבעים המופקים על ידי החזרת ושבירה, ובצבע שלובשים עצמים מסוימים בתלות בצבע של האור שמאיר אותם (חקר פיגמנטים). הוא דן בפיגמנטים צבעוניים ותערובות שלהם ובנה גלגל של צבעים ("גלגל הצבעים של ניוטון") המתמצת את התנהגותם, וצייר אנלוגיה בין הצבעים הראשוניים בצבע מורכב והסולם המוזיקלי. הרעיונות של ניוטון בקשר לראיית צבעים (כולל הסידור המעגלי של צבעים) היו יוצאי דופן, שכן הוא תיאר תהליך מתמטי ממנו ניתן לקבוע את הצבע של תערובת צבעים בתלות במשקל היחסי של כל צבע, הליך שניתן להבין אותו כחיזוי של מודל הצבעים המודרני CIE 1931 color space. טענה 9 בספר הזה עוסקת בתופעת הקשת בענן, ובהרחבת ההסבר הגאומטרי של רנה דקארט לתופעה. ניוטון סיפק כללים מתמטיים לקביעת זוויות ההופעה של קשתות משניות (הוא נותן נוסחה מתמטית לקביעת הזווית לפי סדר הקשת n). 
בספר השני של אופטיקה ניוטון עוסק בהרחבה בתופעת טבעות ניוטון, ובניסיון ליישב את התורה הקורפוסקולרית (חלקיקית) של האור עם תוצאות ניסויים. הוא עוסק גם באופן איכותי בתופעת העקיפה של האור, ובתכונות ותופעות נוספות כמו הקיטוב (שניוטון מייחס את מקורה לקיומם של שני "צדדים" לאור) של האור והשבירה הכפולה של קרני אור בגבישי קלציט.

השאילתות


"אופטיקה" מסיים בסדרה של חיבורים קצרים שנקראים "השאילתות" (The Queries). בשאילתות האלו ניוטון לא רק סיכם תוצאות רבות שלו, אלא גם שאל שאלות חשובות שהתוו את הדרך לחקירות עתידיות שנעשו בידי אחרים. החוקרים שבאו אחרי ניוטון הרגישו שניוטון הציג בספרו מעיין פילוסופיית מחקר, והשאלות (שכתובות לרוב כשאלות רטוריות) ששאל חשפו את האלמנטים הבסיסיים של ענפי מדע שקודם נתפסו כחקר הנסתר. החיבור שפך אור על ענפי מדע כגון כימיה, פיזיולוגיה, ואופטיקה פיזיקלית, שקודם נתפסו כתחומים שהיד האנושית אינה משגת בהם.
השאילתות בספר דנות בנושאים כגון שבירה והחזרה של אור, אופן הפעולה של העין, היווצרות דמויות באמצעות עדשות, ועוד. השאילתות הללו, במיוחד האחרונות, דנות בטווח רחב של תופעות פיזיקליות, ומרחיקות לכת מעבר לפירוש הצר של נושא ה"אופטיקה". הן דנות בטבע ובתהליכים של מעבר חום, בסיבות אפשרית לקיום כוח הכבידה, בתופעות חשמליות, בטבע הפעולה הכימית, בדרך שבה אלוהים ברא את החומר ב"בריאה", בדרך הנאותה לחקור את המדע, ובניהול האתי של המהות האנושית. להלן סקירה מעמיקה יותר של תוכני השאילתות בגרסה הראשונה של הספר. 
השאילתות הראשונות ספקולטיביות מאוד באופיין, ודנות בהשפעה ההדדית של אור וחומר זה על זה, כפי שבאה לידי ביטוי בתופעות השבירה וההחזרה של אור מגופים. שאילתה 5 עוסקת גם בהשפעה של אור על חלקיקי החומר, ומציעה שפגיעת אור יוצרת חום משום שהאנרגיה של האור גורמת ל-"ויברציות בחלקיקים המרכיבים את החומר", בעוד שבשאילתה 6 הוא מצביע הסבר מדוע גופים שחורים מתחממים בקלות יותר מפגיעת אור מאשר גופים בצבעים אחרים. לאחר מכן הוא דן באינטראקציה בין אור וגופים זרחניים, בסיבות לחום המופק בחיכוך, הגדיר מהי אש (בשאילתה 9) ומהי להבה (בשאילתה 10) ומהו ההבדל ביניהן, ודן במגוון אופרציות כימיות. בשאילתה 11, הוא הרחיב את הספקולציות שלו על חום ואדים לשמש ולכוכבים. בחמש השאילתות האחרונות, ניוטון עוסק בפיזיולוגיה של הראייה, ומציע כי יכולת הראייה מתאפשרת באמצעות "גלים (שמעוררות קרני האור) שמתקדמים בסיבים המוצקים של העצבים האופטיים אל המוח". בשאילתה 13 אורכי גל ספציפיים מקושרים לצבעים מסוימים. בשאילתה 15 ניוטון עסק בראייה בינוקולרית, יחד עם היבטים אחרים של הראייה, בעוד שבשאילתה 16 הוא דן בתופעה של persistence of vision - תגובת המיצוע של העין לסדרת דמויות החולפות במהירות הבזק. 
בגרסה הראשונה היו בספר 16 שאילתות, אך מספרן גדל עם פרסום הגרסה הלטינית ב-1706 ועם פרסום הגרסה האנגלית המתוקנת בשנים 1717–1718. אוסף השאילתות הראשוני התבלט בסגנון תמציתי מאוד, אבל בהמשך הן הפכו לחיבורים ארוכים יותר, שמילאו עמודים רבים. בגרסה הרביעית שהתפרסמה ב-1730 היו 31 שאילתות.
שאילתה 31 בגרסה הרביעית זכתה לפרסום רב, כי במהלך מאתיים השנה הבאות הייתה לה תפקיד מפתח בפיתוח תאוריית הקשר הכימי. ניוטון מציע בה את הרעיון של אגרגטים של אטומים מסוגים שונים (שניתן לפרש אותם כמולקולות). ניוטון עסק גם בנושא של חומצות, ואף שלא הצליח להגיע להגדרה מוצקה מהי חומצה, תוצאות הניסויים שערך היו שימושיות מאוד בחקר הנושא בעתיד. מכלול הספקולציות שלו והניסויים השיטתיים שלו (שגבלו לעיתים קרובות באלכימיה) תרמו רבות לעבודה המאומצת של הסיווג והקטלוג הכימי של חומרים שנעשתה במאה ה-18.