Текст книги "Статьи и речи"
Автор книги: Джеймс Максвелл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 29 (всего у книги 32 страниц)
Теория цветов в исследованиях Максвелла
В первые годы своей научной деятельности Д. К. Максвелл активно интересовался проблемами, связанными с теорией цветов.
Следует отметить, что в то время теория цветов только складывалась. Первые работы в этой области относятся, правда, ещё к XVII в. и были выполнены в основном Ньютоном. XVIII век не внёс ничего существенного в изучение этой проблемы. И только в XIX в. возрождается интерес к ней и появляются многочисленные теоретико-экспериментальные работы. Ещё короче была история вопросов, связанных с цветовой слепотой: она впервые была описана в XIX в. известным английским химиком Дальтоном, который обнаружил у себя недостаток в цветовом восприятии.
Основы теории цветов были заложены И. Ньютоном. Он поставил перед собой задачу создать математическую теорию цветов61 и выполнил её. Он показал на опыте, что «лучам с разной преломляемостью отвечают разные цвета»62, что «цвет белый и чёрный, а также пепельный или более тёмные промежуточные цвета создаются беспорядочным смешением лучей всякого рода. Таким же образом прочие все цвета, не являющиеся первоначальными, производятся различными смесями этих лучей. Отсюда не удивительно, что при разъединении разнородных лучей неравным преломлением мы видим, что снова возникают из них различные цвета. ...Первоначальные цвета при смешении лучей одного с другим могут проявлять смежные цвета; так, зелёный – из жёлтого и синего, жёлтый – из прилежащего зеленого и лимонного и также из других. Под первоначальными цветами я разумею... какие угодно... проявляемые каким-либо однородным видом лучей»63. Ньютон отмечает: «Свет [Солнца] состоит из лучей всех цветов не только при выходе из призмы, когда он ею разлагается на цвета, но даже тогда, когда он ещё не дошёл до призмы, до всякого преломления»63a.
Таким образом, в «Лекциях» он определяет основные положения, которые в последующих работах ещё более подкрепляются опытами. Здесь мы видим и зачатки цветоведения, что в дальнейшем было разработано в «Оптике» (1704), и утверждение, что белый свет – более сложен в сравнении с «первоначальными» цветами: нет ни одного сорта лучей, который в отдельности мог бы проявлять белизну – белый свет всегда есть смесь находящихся в определённой пропорции лучей разной цветности.
«Лекции по оптике» читались Ньютоном в 1669—1671 гг. в Тринити-колледжс небольшому числу студентов. В силу ряда причин «Лекции» не были опубликованы, и первой работой Ньютона по теории цветов, получившей известность, оказался мемуар 1672 г., направленный тогдашнему секретарю Королевского общества Ольденбургу. В нём Ньютон отстаивает те же положения. И в мемуаре 1675 г. и в завершающей его оптические изыскания «Оптике» Ньютон остаётся на этих позициях.
Ньютон первый чётко провёл грань между физическими характеристиками цвета и теми ощущениями, которые они могут вызывать у человека, что было не понято даже таким физиком, как Гюйгенс. По мнению Гюйгенса, гипотеза, объясняющая два цвета – жёлтый и голубой,– достаточна, так как из этих двух цветов можно составить красный и синий, а из этих четырёх – все остальные цвета. И проще объяснить только два цвета, чем все разнообразие цветов. И белый свет можно попытаться составить из жёлтого и голубого. «Я думаю, что даже наиболее светлая часть жёлтого достаточна для получения белого»64.
Ньютон писал, отвечая на критику Гюйгенса, что «белый, который получается из двух цветов (как у Гюйгенса), отличается от того белого, о котором я говорю в своей теории, т. е. от солнечного света. Противоречие, которое усматривает в этом Гюйгенс, кажущееся, так как этот белый отличается от других белых тем, что он не состоит только из двух цветов. И если Гюйгенс хотел бы доказать тождество его белого с другим белым, то необходимо доказать тождественность всех их свойств, а не только то, что для глаза они одинаковы»65.
Уже позднее, возвращаясь к этому же вопросу в «Оптике», Ньютон писал: «В самих лучах нет ничего иного, кроме предрасположения распространять то или иное движение в чувствилище; в последнем же проявляются ощущения этих движений в форме цветов». Отсюда видно, что Ньютон чётко разделял физическое описание цветов и физиологическое восприятие их.
Но в математической теории цветов он не смог отказаться от семи основных цветов, на которые разлагается призмой солнечный свет, и причина здесь, видимо, та, на которую указывали многие исследователи: аналогия со звуковыми колебаниями – аналогия, которой широко пользовались и в XVII в.
Для определения цвета смеси нескольких цветов по известному «количеству и качеству» первичных цветов Ньютон использует цветовой круг, вдоль окружности которого располагаются семь основных цветов, а в центре круга – белый свет. Переход между цветами на окружности постепенный, как и в солнечном спектре. Цвет смеси по известному спектральному составу её Ньютон находил по аналогии с отысканием центра тяжести, но считал, что этот метод приближённый, а не точный. И, как отметил М. М. Гуревич, «сколько бы главных цветов не наметил бы Ньютон в спектре – семь, восемь или более, но, суммируя их по предложенному им правилу центра тяжести, он находит всегда один центр на плоскости графика, что... неизбежно ведёт к трехмерности цвета»65a.
В XVIII в. проблемой цветов интересовался М. В. Ломоносов. В «Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» (1756)66 он присоединяется к мнению Мариотта67, который занимался физиологической оптикой, о трёх главных цветах в противоположность семи цветам Ньютона. Ломоносов придавал этим трём цветам объективное физическое значение: он считал, что существуют только три физически простых цвета – красный, жёлтый, голубой, которым соответствуют три рода эфирных частиц сферической формы, но разной величины. «Прочие цвета рождаются от смешения первых трёх».
Дальнейшее развитие учения о цветах связано с именем Томаса Юнга. Первое изложение своей теории Юнг дал в «Лекции о теории света и цветов», прочитанной 12 ноября 1801г.68 Единственный, на кого ссылается Юнг, и притом не только ссылается, но и подчёркивает преемственность воззрений69, – это Ньютон. Но Юнг идёт дальше в анализе цветовых ощущений. «Теперь, когда почти невозможно представить, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное число частиц, каждая из которых способна колебаться в унисон с любым возможным волнообразным движением, возникает необходимость в предположении, что это число ограничивается, например, тремя основными цветами –красным, жёлтым и голубым». Однако уже в 1802 г. более точные измерения цветов призматического спектра Волластоном и собственные наблюдения последовательности цветов в тонких пластинах заставили Юнга отказаться от этих трёх основных цветов, которые фигурировали во всех предшествовавших трехкомпонентных теориях и были взяты по примеру художников, и принять другую тройку цветов – красный, зелёный, фиолетовый70.
Юнг был первым, кто связал все разнообразие наблюдаемых цветов со строением глаза человека. Он высказал предположение, что окончание каждого глазного Нерва состоит из трёх видов нервных волокон: каждое для соответствующего основного цвета.
Для расчёта цвета Юнг предложил пользоваться цветовым треугольником, в вершинах углов которого находятся основные цвета.
Но и после работ Юнга ещё предпринимались попытки отстаивать теории, аналогичные теории Ломоносова, например Д. Брюстером.
Следующий этап в развитии учения о цветах приходится примерно на середину XIX в. и связан в основном с именами Гельмгольца, 1'рассмана и Максвелла. В это же время появляется ряд работ и по изучению цветовой слепоты. Много ценных результатов было получено благодаря «слепым» к цвету. Этой группой вопросов занимались Дальтон, Д. Вильсон, Поль, Мейер, Максвелл, Гельмгольц.
Наиболее полная серия опытов но смешению цветов была проведена Гельмгольцем70a. Он принял как основные те же цвета, что были и у Юнга. Грассман проверил первые результаты Гельмгольца и, сравнив их с Ньютоновыми, показал ошибочность утверждения Гельмгольца о существовании только одной пары дополнительных цветов в спектре, Грассман тщательно изучил оптические работы Ньютона и смог из результатов последнего вывести три закона сложения цветов, известных сейчас как законы Грассмана: непрерывности, аддитивности, трехмерности.
Максвелл, независимо от Гельмгольца, во многом повторил его эксперименты71. К изучению цветов Максвелл приступил в 1852 г.72. Первая работа его – письмо к доктору Вильсону, занимавшемуся вопросами, связанными с цветовой слепотой,– датирована 4 января 1855 г. и опубликована в «Transactions of the Royal Scottish Society of Arts». Само название статьи – «Теория цветов в связи с цветовой слепотой» – говорит о её содержании. Из опытов Максвелл заключил, что у людей с обычным зрением цвет есть функция трёх переменных, а у цветослепых – только двух.
O двух сериях исследований (ноябрь 1854 г. и март 1855 г.) Максвелл сообщает в следующей работе – «Опыты по восприятию цветов глазом и замечания о цветовой слепоте»73. Для смешения цветов он пользовался цветовым волчком74. Его применяли и раньше, но только в руках Максвелла он стал прибором, дающим количественные результаты. Выводы, к которым приходит Максвелл, таковы:
а) глаз способен оценивать подобие цветов с точностью, в ряде случаев очень высокой;
б) заключения (о цвете) определяются не реальной идентичностью цветов, а причиной, присущей глазу наблюдателя, и,
в) несмотря на расхождения в точности, не остаётся сомнений в том, что закон цветового зрения одинаков для всех нормальных глаз.
Опыты по смешению цветов убедили Максвелла, что основные цвета – красный, зелёный и синий74a, как принято и сейчас. Максвелл провёл серию экспериментов для того, чтобы получить более совершённые количественные доказательства теории трёх основных цветов. Для смешения цветов он использует в более поздних работах построенный им цветовой ящик75. В цветовом ящике различные части спектра можно смешивать и сравнивать их по цвету с белым, интенсивность которого может быть изменена. Из этих исследований были получены данные о комбинациях цветовых ощущений76.
Ещё в 1855 г. Максвелл высказал мысль, что теория цветов Юнга может быть проиллюстрирована с помощью фотографии. «Эта иллюстрация покажет, как функции, которые Юнг относил к трём системам нервов, могут имитироваться оптическим устройством»77. Осуществить эту идею ему удалось лишь в 1861 г. Во время лекции в Королевском институте 17 мая 1861 г. Максвелл впервые в мире продемонстрировал цветную фотографию78.
Всего по теории цветов Максвеллом написано семь работ и прочитаны две лекции в Королевском институте. Он занимался этими вопросами с 1852 по 1872 г. После 1872 г. он к ним более не возвращался.
В данной области Максвелл получил ряд существенных результатов. Он во многом способствовал утверждению трехкомпонентной теории цвета, провёл точные количественные изменения по смешению цветов, используя цветовой волчок и цветовой ящик, заложил основы цветной фотографии, дал методы измерения и количественного выражения цвета, которыми пользовались все последующие исследователи.
Е.И. Погребысская
Библиография79
I. Книги Д. К. Максвелла
J. С. Maxwell. On the stability of the motion of Saturn’s Rings. Cambridge, 1859.
J. C. Maxwell. Theory of Heat. 1870.
J. C. Maxwell. Introductory Lecture on Experimental Physics. L., 1871.
J. C. Maxwell. A Treatise on Electricity and Magnetism. 2 vol., 1873.
J. С. Maxwell. Matter and Motion. 1873.
J. C. Maxwell. An Elementary Treatise on Electricity. 1881; Second Edition, 1888.
James Clerk Maxwell. The Scientific Papers of J. C. Maxwell. Cambridge, 2 vol., 1890.
J. C. Maxwell. Ueber Faraday’s Kraftlinien... (Herausgegeben von L. Boltzmann), 1895.
Д. К. Максвелл. Теория теплоты, т. I. Владимир, 1883.
Д. К. Максвелл. Движение и материя (пер. с англ. М. А. Антоновича). СПб., 1885, последующ, изд. 1889, 1924.
Д. К. Максвелл. Электричество в элементарной обработке. Киев, 1886; последующ, изд. 1888.
Д. К. Максвелл. Речи и статьи. М., 1901; последующ, изд. 1940.
Д. К. Максвелл. О фарадеевских силовых линиях (примеч. Л. Больцмана). М., 1907.
Д. К. Максвелл. О регуляторах (В кн.: Д. К. Максвелл, Н. А. Вышнеградский, А. Стодола. Теория автоматического регулирования. Серия «Классики науки», Изд-во Академии наук СССР. М., 1949), стр. 9—73.
Джемс Клерк Максвелл. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля (пер. 3. А. Цейтлина). М., ГТТИ, 1954.
II. Статьи Д. К. Максвелла
(По изд. J. С. Maxwell. The scientific papers, v. I—II.P., 1927).
Volum I:
Стр.
1
On the Description of Oval Curves and those having a plurality of Foci; with remarks by Professor Forbes
1—3
2
On the Theory of Rolling Curves
4-29
3
On the Equilibrium of Elastic Solids
30-73
3a
Solutions of Problems (1854)
74—79
4
On the Transformation of Surfaces by Bending
80-114
5
On a particular case of the descent of a heavy body in a resisting medium (1853)
115-118
6
On the Theory of Colours in relation to Colour-Blindness (A letter to Dr. G. Wilson, 1855)
119-125
7
Experiments on Colour, as perceived by the Eye, with remarks on Colour-Blindness
126-155
8
On Faraday’s Lines of Force (1855—1856)
155—229
9
Description of a New Form of the Platometer, an Instrument for measuring the areas of Plane Figures drawn on Paper (1855)
230-237
10
On the Elementary Theory of Optical Instruments
238—240
11
On a Method of drawing the Theoretical Forms of Faraday’s Lines of Force without Calculation (1856)
241
12
On the Unequal Sensibility of the Foramen Centrale to Light of different Colours
242
13
On the Theory of Compound Colours with reference to Mixtures of Blue and Yellow Light (1856)
243—245
14
On an Instrument to illustrate Poinsot’s Theory of Rotation
246-247
15
On a Dynamical Top, for exhibiting the phenomena of the motion of a system of invariable form about a fixed point, with some suggestions as to the Earth’s motion (1857)
248-262
16
Account of Experiments on the Perception of Colour (1857)
263—270
17
On the General Laws of Optical Instruments (1858)
271—285
18
On Theories of the Constitution of Saturn’s Rings
286—287
19
On the Stability of the motion of Saturns’s Rings (1856)
288—376
20
Illustrations of the Dynamical Theory of Gases (1860)
377—409
21
On the Theory of Compound Colours, and the Relations of the Colours of the Spectrum (1860)
410—444
22
On the Theory of Three Primary Colours (1861)
445—450
23
On Physical Lines of Force
451-513
24
On Reciprocal Figures and Diagrams of Forces
514-525
25
A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field (1864)
526-597
26
On the Calculation of the Equilibrium and Stiffnes of Frames
597-604
Volum II:
Стр.
27
The Bakerian Lecture.– On the Viscosity or Internal Friction of Air and other Gases (1865)
1—25
28
On the Dynamical Theory of Gases (1866)
26—78
29
On the Theory of the Maintenance of Electric Currents by Mechanical Work without the use of Permanent Magnets (1867)
79-85
30
On the Equilibrium of a Spherical Envelope (1867)
86—95
31
On the best Arrangement for producing a Pure Spectrum on a Screen (1867—1868)
96—100
32
The Construction of Stereograms of Surfaces
101
33
On Reciprocal Diagrams in Space, and their relation to Airy’s Function of Stress
102—104
34
On Governors (1868)
105—120
35
«Experiment in Magneto-Electric Induction». In a Letter to W. R. Grove F. R. S. (1868)
121-124
36
On a Method of Making a Direct Comparison of Electrostatic with Electromagnetic Force; with a Note on the Electromagnetic Theory of Light (1868)
125—143
37
On the Cyclide (1867)
144—159
38
On a Bow seen on the Surface of Ice
160
39
On Reciprocal Figures, Frames and Diagrams of Force (1869—1870)
161-207
40
On the Displacement in a Case of Fluid Motion
208—214
41
Address to the Mathematical and Physical Sections of the British Association (1870)
215-229
42
On Colour-vision at different points of the Retina
230—232
43
On Hills and Dalles
233-240
44
Introductory Lecture on Experimental Physics
241—255
45
On the Solution of Electrical Problems by the Transformation of Conjugate Functions
256
46
On the Mathematical Classification of Physical Quantities
257—266
47
On Colour Vision
267—279
48
On the Geometrical Mean Distance of Two Figures on a Plane (1872)
280-285
49
On the Induction of Electric Currents in a Infinite Plane Sheet of Uniform Conductivity
286-296
50
On the Condition that, in the Transformation of any Figure by Curvilinear Coordinates in Three Dimensions, every angle in the new Figure shall by equal to the corresponding angle in the original Figure (1872)
297-300
51
Reprint of Papers on Electrostatics and Magnetism. By sir W. Thomson (1872)
301-307
52
On the Proof of the Equations of Motion of a Connected System (1876)
308—309
53
On a Problem in the Calculus of Variations in which the solution is discontinuous (1876)
310
54
On Action at a Distance
311-323
55
Elements of Natural Philosophy
324—328
56
On the Theory of a System of Electrified Conductors, and other Physical Theories involving Homogeneous Quadratic Functions
329-331
57
On the Focal Lines of a Refracted Pencil
332-337
58
An Essay on the Mathematical Principles of Physics. By the Rev. James Challis
338—342
59
On Loschmidt’s Experiments on Diffusion in relation to the Kinetic Theory of Gases
343-350
60
On the Final State of a System of Molecules in motion subject to forces of any kind
351—354
61
Faraday
355—360
62
Molecules
361—378
63
On Double Refraction in a Viscous Fluid in Motion (1873)
379—380
64
On Hamilton’s Characteristic Function for a narrow Beam of Light (1874)
364-390
65
On the Relation of Geometrical Optics to other parts of Mathematics and Physics
391-392
66
Plateau on Soap-Bubbles
393—399
67
Grove’s «Correlation of Physical Forces»
400—405
68
On the application of Kirchoff’s Rules for Electric Circuits to the Solution of a Geometrical Problem
406
69
Van der Waals on the Continuity of the Gaseous and Liquid Slates
407—415
70
On the Centre of Motion of the Eye
416-417
71
On the Dynamical Evidence of the Molecular Constitution of Bodies (A Lecture)
418-438
72
On the Application of Hamilton’s Characteristic Function to the Theory of an Optical Instrument symmetrical about its axis (1875)
439-444
73
Atom
445—484
74
Attraction
485—491
75
On Bow’s method of drawing diagrams in graphical statics with illustrations from Peaucellier’s linkage (1876)
492—407
76
On the Equilibrium of Hetergeneous Substances (1876)
498—500
77
Diffusion of Gases through Absorbing Substances
501-504
78
General consideration concerning Scientific Apparatus
505—522
79
Instruments connected with Fluids
523—527
80
Whewell’s Writings and Correspondence (Review)
528—532
81
On Ohm’s Law (1876)
533—537
82
On the protection of buildings from lightning
538—540
83
Capillary Action
541-591
84
Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz
592-598
85
On a Paradox in the Theory of Attraction (1877)
599-603
86
On Approximate Multiple Integration between Limits by Summation (1877)
604-611
87
On the Unpublished Electrical Papers of the Henry Cavendish
612—615
88
Constitution of Bodies
616-624
89
Diffusion
625-646
90
Diagrams
647—659
91
Taivs «Thermodynamics»
660-679
92
On the Electrical Capacity of a long narrow Cylinder, and of a Disk of sensible Thickness
672—680
93
On Stresses in Rarified Gases arising from Inequalities of Temperature (1879)
681—712
94
On Boltzmann’s Theorem on the average distribution of energy in a system of material points
713—741
95
Telephone (Rede Lecture)
742—755
96
Paradoxical Philosophy (A Review)
756—762
97
Ether
763—775
98
Thomson and Tait’s Natural Philosophy (A Review)
776—785
99
Faraday
786—793
100
Reports on Special Branches of Science
794—796
101
Harmonic Analysis
797—801
III. Книги о Д. К. Максвелле
L. Campbell, W. Garnett. The Life of J. C. Maxwell. L., 1882.
L. Boltzmann. Vorlesungen über Maxwell’s Theorie der Elektricität und des Lichtes. 1891.
R. T. Glazebrook. J. C. Maxwell and modern Physics. 1896.
J. H. Poincaré. Maxwell’s Theory and Wireless Telegraphy. 1904,– Electricité et Optique 1890,– Théorie de Maxwell et les oscillations hertziennes. 1899.
H. A. Lorentz. Clerk Maxwell’s Electromagnetic Theory, 1923.
J. С. Maxwell. A commemoration volume. Cambridge. 1931.
J. G. Сгоwther. British Scientists of the Nineteenth Century (J. C. Maxwell, v. 1, 1935; v. 2 (J. C. Maxwell, W. H. Perkin). 1940.
R. L. Smith-Rose. James Clerk Maxwell. L., 1948.
«Tho Collected Clerc Maxwell memorial lectures». L., 1960.
Ch. P. May. J. C. Maxwell and electromagnetism. N. Y., 1962.
«Clerk Maxwell and moderm science». L., 1963.
H. А. Умов. Памяти Клерка Максвелла. Одесса, 1888. (Последующ. изд. в кн.: Н. А. Умов. Собр. соч., т. III. М., 1916.)
А. Пуанкаре. Теория Максвелла и герцовские колебания. СПб., 1900.
Ф. Д. Бублейников. Максвелл (1831—1879). М., «Знание», 1960.
Д. Мак-Дональд. Фарадей, Максвелл и Кельвин. Пер. с англ. М., Атомиздат, 1967.
