Loading article…
『光学、または光の反射、屈折、変曲、および色彩に関する論文』は、アイザック・ニュートンによる3冊の書籍のコレクションで、1704年に英語で出版されました（学術的なラテン語訳は1706年に出版されました）。 [ 1 ]この論文では、プリズムとレンズによる光の屈折、間隔の狭いガラス板による光の回折、スペクトル光または顔料粉末による色の混合物の挙動によって。『光学』はニュートンの物理科学に関する2番目の主要な著作であり、科学革命期の光学に関する3つの主要な著作の1つと考えられています（ヨハネス・ケプラーの『天文学の光学部分』とクリスティアーン・ホイヘンスの『光に関する論文』と並んで）。
『光学』の出版は科学への大きな貢献であり、『プリンキピア』とは異なるものの、ある意味ではそれに匹敵するものであったが、初版の表紙にはニュートンの名前は載っていなかった。『光学』は主に実験とその実験から導き出された推論の記録であり、後に物理光学として知られるようになる幅広いトピックを網羅している。[ 1 ]つまり、この著作は、さまざまな形状の鏡による光の反射や、空気などの媒体から水やガラスなどの媒体へ光が通過する際に光がどのように「曲がる」かの探求といった、伝統的な主題である反射光学や屈折光学の幾何学的議論ではない。むしろ、『光学』は光と色の性質、そしてニュートンが光の「屈折」と呼んだ回折のさまざまな現象の研究である。
ニュートンは、 1672年にロンドン王立協会に初めて報告された、光の分散、つまり光が構成色スペクトルに分離されることに関する実験を詳細に説明しました。 [ 2 ]彼は、入射光のさまざまな構成要素の選択的吸収、反射、または透過によって色の見え方が生じることを実証しました。
ニュートンの研究の最も重要な意義は、アリストテレスやテオフラストスに帰せられ、ニュートンの時代の学者たちが受け入れていた「純粋な」光（太陽の光など）は基本的に白色または無色であり、物質との相互作用によって生じる暗闇との混合によって色に変化するという定説を覆したことにある。ニュートンは、その逆が真実であることを示した。光はさまざまなスペクトル色相（彼は赤、オレンジ、黄、緑、青、藍、紫の7色を挙げている）から構成されており、白を含むすべての色は、これらの色相のさまざまな混合によって形成される。彼は、色は光の物理的性質、すなわち各色相がプリズムやレンズによって固有の角度で屈折することによって生じることを示したが、色は物質や光そのものの固有の性質ではなく、心の中にある感覚であると明確に述べている。例えば、彼は、赤紫（マゼンタ）色は2つのスペクトルの赤端と紫端を重ね合わせることで作れることを実証した。ただし、この色はスペクトルには含まれていないため、「光の色」ではない。彼はスペクトルの赤端と紫端を繋げることで、すべての色を色の円として整理し、色の混合を定量的に予測するとともに、色相間の知覚される類似性を定性的に記述できるようにした。
ニュートンのプリズム分散への貢献は、多重プリズムアレイの概要を示した最初のものでした。ビームエキスパンダーとしての多重プリズム構成は、275年以上後に波長可変レーザーの設計の中心となり、多重プリズム分散理論の発展の基礎を築きました。[ 3 ] [ 4 ]
『光学』は『プリンキピア』とは多くの点で異なっている。ヨーロッパの哲学者たちが用いたラテン語ではなく英語で最初に出版された[ 5 ]ことで、俗語による科学文献の発展に貢献した。これらの書物は、科学を分かりやすく解説する模範的な書物であった。ニュートンの英語はやや時代遅れではあるが（彼は多くの限定条件を含んだ長い文章を好む傾向がある）、現代の読者でも容易に理解できる。対照的に、『プリンキピア』はニュートンの時代の読者にとって理解しやすく、ましてや理解できるものではなかった。彼の形式的でありながら柔軟な文体には、口語表現や比喩的な言葉遣いが見られる。
『プリンキピア』とは異なり、『光学』は、以前の命題、補題、または第一原理（または公理）からの演繹によって証明される命題という幾何学的慣習を用いて展開されていません。代わりに、公理は技術用語の意味や物質と光の基本的な性質を定義し、述べられた命題は、具体的で注意深く記述された実験によって実証されます。第1巻の最初の文は、「本書における私の目的は、仮説によって光の性質を説明することではなく、理性と実験によってそれらを提案し証明することである」と述べています。重要な実験（第1巻、第2部、定理2）において、ニュートンは、光の色は「屈折度」（屈折角）に対応し、この角度は追加の反射や屈折、または光を色のついたフィルターに通すことによって変更できないことを示しました。[ 6 ]
この著作は実験者の技術の手引書であり、多くの例を通して、観察を用いて物理世界に関する事実に基づいた一般化を提案し、その後、具体的な実験的検証によって競合する説明を排除する方法を示している。演繹的方法以外では仮説を立てないと誓った『プリンキピア』とは異なり、『光学』は実験的証拠を超えた光に関する推測を展開している。例えば、光の物理的挙動は小さな粒子としての「粒子性」によるものだとか、知覚される色は全音階の音のように調和的に比例しているといった推測である。
ニュートンは当初、4冊の本を書くつもりだったが、最後の本である遠隔作用に関する本は削除した。[ 7 ]代わりに、彼は『光学』を、第3巻で「質問」と呼ばれる一連の未解決の疑問と肯定的な主張で締めくくった。最初の質問は簡潔だったが、後の質問は短いエッセイとなり、多くのページを埋め尽くした。初版では、このような質問は16個だった。[ 7 ] [ 8 ]その数は、1706年に出版されたラテン語版で23個に増え、[ 7 ]その後、1717年から1718年に出版された改訂版の英語版でさらに増えた。1730年の第4版では、質問は31個だった。
これらの問い、特に後期の問いは、光学の範疇を超えた幅広い物理現象を扱っている。これらの問いは、熱の性質と伝達、重力の可能性のある原因、電気現象、化学反応の性質、神が物質を創造した方法、科学を行う正しい方法、さらには人間の倫理的行動にまで及ぶ。 [ 8 ]これらの問いは、通常の意味での質問ではない。これらの問いは、ほとんどすべて修辞疑問文として否定的に提起されている。[ 8 ]つまり、ニュートンは光が「物体」であるかどうか、あるいは「物体である可能性があるかどうか」を問うのではなく、「光は物体ではないのか？」と断言している。18世紀初頭の確固たるニュートン主義者であるスティーブン・ヘイルズは、これがニュートンの「疑問による説明」の方法であると述べている。[ 8 ]
最初の質問は、「物体は遠くから光に作用し、その作用によって光線を曲げるのではないか。また、この作用は（他の条件が同じであれば）距離が近いほど強くなるのではないか」というもので、重力が光線の軌道に及ぼす影響を疑っている。[ 9 ]この質問は、アルバート・アインシュタインの一般相対性理論による重力レンズ効果の予測より2世紀も前に出されたもので、後に1919年のエディントン実験によって確認された。[ 9 ]
クエリ 3 は、光の粒子が端を通過する際の「ウナギのような」動きを考慮することで、回折とニュートンの環を説明しようとしています。ニュートンは以前、この動きは光を伝えるエーテルの振動によって生じ、粒子と自身の媒質との間に何らかの相互作用が生じると説明しました。19 世紀には波動理論がこの理論に取って代わりましたが、量子力学の出現により、量子力学の解釈の 1 つですがパイロット波動理論がこの点においてニュートンの粒子理論を正当化すると考える著者もいます。[ 10 ] [ 11 ]
本書の質問6は、「黒い物体は、他の色の物体よりも光から熱を得やすいのではないか。なぜなら、それらに当たる光は外側に反射されず、物体内部に入り込み、内部で反射や屈折を繰り返して、最終的に消散して失われるからではないか？」と述べており、黒体の概念を導入している。[ 12 ] [ 13 ]
質問21では、ニュートンは重力のエーテル理論を検討しているが、重力がどのように作用するのかを完全に理解していないため、それを推奨していない。[ 14 ]質問30の最初の部分は「粗大な物体と光は相互に変換可能ではないか」とあり、それによって質量エネルギー等価性を予見している。[ 15 ]
最後の質問（31番）は、粒子理論によって、異なる物質が特定の物質に対して他の物質よりも強く反応する理由、特に硝酸が鉄よりもカラミンと強く反応する理由を説明できるかどうか疑問に思っている。この31番目の質問は、化学反応における親和性の概念の起源とよく関連付けられている。ウィリアム・カレンやトルベルン・ベルクマンなど、18世紀のさまざまな歴史家や化学者は、親和性表の開発をニュートンの功績としている。[ 16 ] [ a ]
質問31の最後の部分で、ニュートンは星の運動について論じた。たとえ彼が無限で不変の宇宙を考えたとしても、太陽系は「多くの時代」にわたって存続するが、その軌道の不規則性は「このシステムが改革を必要とするまで増大する傾向がある」と述べている。彼は、それを安定に保つためには神または微調整が必要であることを示唆している。 [ 17 ]
『光学』はイギリスとヨーロッパ大陸で広く読まれ、議論された。この著作が王立協会に早期に提出されたことで、ニュートンとロバート・フックの間で光の粒子説をめぐる激しい論争が起こり、ニュートンはフックが1703年に亡くなるまで出版を延期せざるを得なかった。大陸、特にフランスでは、『プリンキピア』と『光学』は当初、多くの自然哲学者によって拒絶された。彼らはデカルトの自然哲学とアリストテレスの色に関する見解を擁護し続け、ニュートンのプリズム実験は再現が難しいと主張した。実際、白色光の根本的な性質に関するアリストテレスの理論は、例えばドイツの作家ヨハン・ヴォルフガング・フォン・ゲーテが1810年に著した『色彩論』（ドイツ語：Zur Farbenlehre）などで19世紀まで擁護された。
ニュートン科学は、啓蒙時代の哲学者たちが、古代ギリシャや古代ローマの博物学者の権威に基づく自然哲学、あるいは第一原理からの演繹的推論（フランスの哲学者ルネ・デカルトが提唱した方法）に基づく自然哲学に対して行った攻撃の中心的な問題となった。これは、経験や実験に数学的推論を適用することに基づく自然哲学とは対照的であった。ヴォルテールは、著書『ニュートンの哲学原理』 （1738年）の中で、『プリンキピア』と『光学』の両方の内容を含むニュートン科学を普及させ、1750年頃以降、『光学』に代表される実験的方法と『プリンキピア』に代表される数学的方法の組み合わせが、統一的かつ包括的なニュートン科学のモデルとして確立された。この新しい哲学の主要な実践者には、ベンジャミン・フランクリン、アントワーヌ・ラヴォアジエ、ジェームズ・ブラックといった著名な人物がいた。
ニュートン以降、多くの修正が加えられてきた。トーマス・ヤングとオーギュスタン＝ジャン・フレネルは、クリスティアーン・ホイヘンスが『光論』 （1690年）で述べた波動理論によって、色が光の波長の目に見える現れであることを証明できることを示した。科学はまた、色の知覚と数学的に説明可能な光学との違いを徐々に認識するようになった。ゲーテは、壮大な論駁『色彩論』でニュートンの基礎を揺るがすことはできなかったが、ジョン・ティンダルは1880年にこう書いている。「ゲーテはニュートンの鎧に一つの穴を見つけた。ニュートンは、色のない屈折は不可能であるという教義に固執していた。そのため、彼は望遠鏡の対物レンズは永遠に不完全なままでなければならないと考えていた。無色収差と屈折は両立しないからである。この推論はドロンによって誤りであることが証明された。」[ 18 ]
ニュートンの光学の完全版オンライン無料版
LibriVoxで入手可能なパブリックドメインのオーディオブック「Opticks」