Isaac Newton
Cuộc đời > Trung niên > Quang học

Năm 1666, Newton quan sát thấy quang phổ của màu sắc thoát ra khỏi lăng kính ở vị trí có độ lệch cực tiểu là thuôn dài, ngay cả khi tia sáng đi vào lăng kính là hình tròn, nghĩa là lăng kính khúc xạ các màu khác nhau theo các góc khác nhau. Điều này khiến ông kết luận rằng màu sắc là một thuộc tính nội tại của ánh sáng - một điểm mà cho đến lúc đó vẫn còn là một vấn đề tranh luận.
Từ 1670 đến 1672, Newton giảng về quang học. Trong thời kỳ này, ông đã nghiên cứu sự khúc xạ của ánh sáng, chứng minh rằng quang phổ nhiều màu do lăng kính tạo ra có thể được tổng hợp bằng thấu kính và lăng kính thứ hai để chuyển thành ánh sáng trắng. Các học giả hiện đại đã phát hiện ra rằng nghiên cứu phân tích và tái tổng hợp ánh sáng trắng của Newton có liên hệ với thuật giả kim cũng được ông nghiên cứu.
Ông đã chỉ ra rằng ánh sáng có màu không thay đổi tính chất của nó bằng cách tách ra một chùm màu và chiếu nó lên các vật thể khác nhau, và bất kể là phản xạ, tán xạ hay truyền đi, ánh sáng vẫn có cùng một màu. Do đó, ông nhận thấy rằng màu sắc là kết quả của các vật thể tương tác với ánh sáng đã có màu chứ không phải là các vật thể tự tạo ra màu sắc. Đây được gọi là lý thuyết về màu sắc của Newton.
Từ công trình nghiên cứu này, ông kết luận rằng thấu kính của bất kỳ kính thiên văn khúc xạ nào cũng sẽ bị phân tán ánh sáng thành nhiều màu sắc (sắc sai, chromatic aberration). Để chứng minh cho khái niệm này, ông đã chế tạo một kính thiên văn bằng cách sử dụng gương phản chiếu thay vì thấu kính làm vật kính để vượt qua vấn đề đó. Dựa vào thiết kế, kính thiên văn có chức năng phản xạ đầu tiên được xây dựng, ngày nay được gọi là kính thiên văn Newton, liên quan đến việc giải quyết vấn đề về vật liệu gương phù hợp và kỹ thuật tạo hình. Newton đã tự mài gương từ một thành phần tùy chỉnh của miếng gương kim loại có độ phản xạ cao, sử dụng hiện tượng các vòng Newton để đánh giá chất lượng quang học cho kính thiên văn của ông. Cuối năm 1668, ông làm xong chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên này. Nó dài khoảng 8 inch và cho hình ảnh rõ ràng và lớn hơn. Năm 1671, hội Hoàng gia yêu cầu trình diễn kính thiên văn phản xạ của ông. Sự quan tâm của họ đã khuyến khích ông xuất bản các ghi chú của mình, thành cuốn Of Colors, mà sau này ông mở rộng thành tác phẩm Opticks. Khi Robert Hooke phê bình một số ý tưởng của Newton, Newton đã bị xúc phạm đến mức ông rút lui khỏi cuộc tranh luận công khai. Newton và Hooke đã có những cuộc trao đổi ngắn vào năm 1679–80, khi Hooke, được chỉ định quản lý thông tấn của hội Hoàng gia, mở ra một loạt trao đổi thư từ nhằm gợi ý những đóng góp từ Newton cho các tạp chí của hội Hoàng gia, đã có tác dụng thúc đẩy Newton nghiên cứu chứng minh rằng dạng elip của quỹ đạo hành tinh sẽ là kết quả của lực hướng tâm tỷ lệ nghịch với bình phương của vectơ bán kính. Nhưng hai người nói chung vẫn giữ quan hệ không tốt cho đến khi Hooke qua đời.
Newton lập luận rằng ánh sáng bao gồm các hạt hoặc tiểu thể, mà chúng bị khúc xạ bằng cách gia tốc vào một môi trường đặc hơn. Ông dựa vào các sóng giống như âm thanh để giải thích các phần phản xạ và truyền lặp đi lặp lại của các màng mỏng (Opticks Bk.II, Props. 12), nhưng vẫn giữ lý thuyết của mình về 'sự phù hợp' sắp xếp các tiểu thể được phản xạ hoặc truyền đi (Props.13). Tuy nhiên, các nhà vật lý sau này ủng hộ cách giải thích ánh sáng thuần túy như dao động sóng để giải thích các vân giao thoa và hiện tượng nhiễu xạ nói chung. Cơ học lượng tử, photon ngày nay và ý tưởng về lưỡng tính sóng-hạt chỉ còn có một điểm tương đồng nhỏ với hiểu biết của Newton về ánh sáng trước đây.
Trong Giả thuyết về ánh sáng (Hypothesis of Light) năm 1675 của mình, Newton đã đặt ra sự tồn tại của ête để truyền lực giữa các hạt. Việc trao đổi với nhà triết học theo thuyết Platon ở Cambridge, Henry More đã làm sống lại mối quan tâm của ông đối với thuật giả kim. Ông đã thay thế ête bằng các lực huyền bí dựa trên ý tưởng của chủ nghĩa giáo điều (Hermeticism) về lực hút và lực đẩy giữa các hạt. John Maynard Keynes, người đã đọc nhiều bài viết của Newton về thuật giả kim, tuyên bố rằng "Newton không phải là người đầu tiên của thời đại lý tính: Ông là nhà ảo thuật cuối cùng." Sự quan tâm của Newton đối với thuật giả kim không thể tách rời khỏi những đóng góp của ông cho khoa học. Đây là thời điểm mà không có sự phân biệt rõ ràng giữa giả kim thuật và khoa học. Nếu ông không dựa vào ý tưởng huyền bí về tác dụng ở khoảng cách xa, xuyên qua chân không, ông có thể đã không phát triển lý thuyết về lực hấp dẫn của mình.
Năm 1704, Newton xuất bản cuốn Opticks, trong đó ông đã giải thích lý thuyết hạt ánh sáng của mình. Ông cho rằng ánh sáng được tạo thành từ các tiểu thể cực kỳ nhỏ, vật chất thông thường được tạo thành từ các tiểu thể thô hơn và suy đoán rằng thông qua một loại biến đổi giả kim "phải chăng Vật thể thô và vật thể Ánh sáng có thể chuyển đổi thành một vật thể khác,... và liệu Vật thể nhận được nhiều Hoạt động từ các Hạt ánh sáng đi vào Thành phần của chúng?" Newton cũng chế tạo một dạng nguyên thủy của máy phát tĩnh điện chà sát, sử dụng một quả cầu thủy tinh.
Trong cuốn sách Opticks, Newton là người đầu tiên đưa ra một sơ đồ sử dụng lăng kính làm bộ mở rộng chùm và cũng sử dụng mảng nhiều lăng kính. Khoảng 278 năm sau thảo luận của Newton, bộ mở rộng chùm tia đa lăng kính đã trở thành trung tâm cho sự phát triển của laser có thể điều chỉnh độ rộng đường hẹp. Ngoài ra, việc sử dụng các bộ mở rộng chùm này đã dẫn đến lý thuyết tán sắc đa lăng kính.
Sau Newton, nhiều điều đã được sửa đổi. Young và Fresnel đã kết hợp lý thuyết hạt của Newton với lý thuyết sóng của Huygens để chỉ ra rằng màu sắc là biểu hiện nhìn thấy được của bước sóng ánh sáng. Khoa học cũng dần dần nhận ra sự khác biệt giữa nhận thức về màu sắc và quang học miêu tả bằng toán học. Nhà thơ và nhà khoa học người Đức, Goethe, không thể làm rung chuyển nền tảng Newton nhưng "một lỗ hổng mà Goethe đã tìm thấy trong áo giáp của Newton, ... Newton đã tự kết luận với học thuyết rằng sự khúc xạ mà không xuất hiện màu sắc là không thể. Do vậy ông nghĩ rằng vật kính của kính thiên văn phải mãi mãi không hoàn hảo, hiện tượng vô sắc và khúc xạ không tương thích. Suy luận này được Dollond chứng minh là sai."