После Вулсторпа, т. е. с конца 60-х годов вплоть до подготовки «Начал» — до 80-х годов, Ньютон особенно много и плодотворно занимался проблемами оптики. Первый результат — отражательный телескоп, в котором свет звезд не проходит через стеклянные линзы, а отражается от вогнутого сферического зеркала, — был итогом еще вулсторпских и, может быть, даже более ранних исследований. В 1664 г. Ньютон пытается усовершенствовать телескоп и позднее, в 1666 г., изготовляет несферические линзы, чтобы избежать так называемой сферической аберрации, т. е. пересечения преломленных лучей, исходящих от того же предмета, не в одной точке, а на некоторой поверхности. Из принципов геометрической оптики следует, что стекла с несферической — эллипсоидальной, гиперболической, параболической — поверхностью лишены этого недостатка. Ньютон долго занимался изготовлением несферических линз, но в конце концов пришел к выводу, что главное зло для любых, как сферических, так и несферических, линз — это хроматическая аберрация, т. е. неодинаковое преломление лучей разного цвета, дающее радужное окаймление изображения светящейся точки. Поэтому английский ученый занялся изготовлением отражательного телескопа — рефлектора, которому не угрожает такая аберрация, — и наряду с этим изучением самой хроматической аберрации.
В 1668 г. Ньютон изготовил маленький отражательный телескоп, а через три года — большой. Что же касается хроматической аберрации, то она стала исходным пунктом для крупных открытий. Они были изложены в лекциях по оптике, прочитанных люкасовским профессором в 1669—1671 гг. (но изданных гораздо позже, после смерти Ньютона), и в «Новой теории света и цветов», представленной в 1672 г. Королевскому обществу. Описанные здесь эксперименты состояли в разложении солнечного луча стеклянной призмой. Ньютон пропускал луч через небольшое отверстие в темную комнату. Луч падал на призму, за которой стоял экран. Исследуя появившийся на экране спектр, Ньютон констатировал, что белый свет состоит из цветных лучей, которые, преломляясь в призме, отклоняются в различной степени. Ньютон измерил преломление лучей различных частей спектра. Для этого он пропускал через отверстие в экране лучи одного цвета так, чтобы они падали на призму. Оказалось, что наименьшим показателем преломления обладает красный цвет, а по направлению к фиолетовому концу спектра этот показатель возрастает.
Основные выводы из экспериментов сформулированы в следующих тезисах.
Цвета — это изначальные свойства света, они отнюдь не обусловлены свойствами тел, преломляющих или отражающих световые лучи. Одни лучи по своей природе могут производить только красный цвет, другие — только желтый, третьи — зеленый и т. д. Цвет, производимый лучом, связан с его преломляемостью. Данная степень преломляемости луча соответствует определенному цвету, и, наоборот, каждый цвет может быть вызван лишь лучами с вполне определенной степенью преломляемости. Лучи, которые преломляются в меньшей степени, порождают красный цвет; красные лучи преломляются в наименьшей степени. Лучи, испытывающие наибольшее преломление, порождают фиолетовый цвет; фиолетовые лучи обладают наибольшей преломляемостью.
Теория света Ньютона исходит из существования мельчайших корпускул, которые производят на сетчатке глаза ощущение света. Наиболее крупные частицы дают красный цвет, а наименьшие — фиолетовый. Законы оптики выводятся из взаимодействия между частицами материи и световыми корпускулами. Переходя из одной среды в другую, частицы света отклоняются в силу притяжения: мельчайшие фиолетовые — в наибольшей степени, а крупные красные — в наименьшей.
В 1672 г. Р. Гук высказал ряд критических замечаний о вышедшей незадолго до этого «Теории света и цветов» Ньютона. Ньютон ответил Гуку небольшим трактатом, в котором сопоставляются волновая теория света и теория истечения световых частиц. В полемике с Гуком Ньютон в общих чертах набросал компромиссную теорию, соединяющую волновые и корпускулярные представления. Прежде всего он указывает, что теорию световых корпускул ни в коем случае не следует однозначно соединять с обнаруженным им законом распространения, преломления и отражения света. Однако даже эта теория, судьба которой вовсе не связана с судьбой однозначных и достоверных оптических законов, отнюдь не исключает волновых представлений. Колебания эфира, говорит Ньютон, необходимы для объяснения оптических явлений даже при допущении световых корпускул. Корпускулы света, попадая на преломляющие или отражающие поверхности, вызывают колебания эфира, подобно тому как камень, брошенный в воду, вызывает волны на ее поверхности. Волны эфира могут иметь различные длины, что позволяет объяснить целый ряд оптических явлений.
Итоговая работа Ньютона об оптических явлениях — «Оптика», вышедшая в 1704 г. (когда ученый уже давно не занимался систематическими исследованиями в этой области) и затем издававшаяся еще три раза при жизни Ньютона: в 1706, 1717 и 1721 гг., — не менее противоречива, чем первые работы, написанные в 60—70-х годах. Это относится прежде всего к идее эфира. «Оптика» содержит «Вопросы», где рассматриваются самые разнообразные проблемы. В издании 1704 г. эфир в «Вопросах» не упоминается, в 1706 г. к тексту добавлена резкая критика этого понятия, в 1717 г. Ньютон вводит новые «вопросы» об эфире, где эта гипотеза оказывается допустимой.
В чем значение оптических идей Ньютона, и в особенности идеи эфира, столь противоречивым и сложным образом включенной в его работы, в чем их значение для жизни Ньютона? Для необратимого перехода ко все более точной картине мира? Ньютон всегда испытывал некое «эфирнокартезианское» искушение, не покидавшее его до самой смерти. Это настолько фундаментальная тенденция, что о ней лучше сказать при интегральной оценке мировоззрения Ньютона. Здесь отметим лишь следующее.
Плюрализм ньютоновой теории света, те выходы за пределы «физики принципов», те модели, часто картезианские (по крайней мере по духу), которые, словно призраки, тревожили душу Ньютона, имеют свое объяснение. Ньютон понимал, или, вернее, чувствововал, что без понятия субстанции, передающей силы, он не может дать собственно физическую картину того, что позже было названо «силовым полем», не может вывести силы из определяющих их условий и пойти дальше чисто индуктивной теории тяготения. Безупречная однозначность системы мира в «Началах» куплена ценой отказа от кинетических моделей, от картезианского духа, от эфира.
Однако картезианские призраки не исчезли. Много позже «Начал», после второго издания, вышедшего с резкими антикартезианскими филиппиками Р. Котса, в последующих изданиях «Оптики» Ньютон возвращается к этим признакам. Было ли здесь необратимое движение к более конкретному знанию? На этот вопрос ответила наука XVIII—XIX вв. Плюрализм теории света, неистребимость картезианского духа проявились тогда в неизбежном переходе к теории поля, к электродинамике Фарадея — Максвелла и, далее, к науке XX в.
Остановимся теперь на других работах Ньютона, связанных с картезианскими кинетическими моделями. Это химические исследования, связанные с разработкой представлений о структуре вещества. Ньютон проводил химические опыты еще в Грантеме и не прекращал их вплоть до переезда в Лондон, когда руководство Монетным двором и заботы о монетной реформе отвлекли его от занятий химией. Может быть, в сохранившемся на всю жизнь интересе к химии выражалась, как и в оптике, неизбывная тяга к моделям, которая, вероятно, не ослаблялась, а росла после каждого очередного антикартезианского заклятья. Этим же, вероятно, объясняется по преимуществу эмпирический характер интересов Ньютона в этой области, отсутствие публикаций — химические и алхимические рукописи Ньютона (несколько тысяч страниц) не были опубликованы.
Некоторый общий интерес представляет отношение Ньютона к алхимии. Был ли Ньютон алхимиком? Он верил в возможность превращения одного металла в другой и в продолжение трех десятилетий занимался алхимическими исследованиями и изучал алхимические труды средневековья и древности. В литературе, посвященной Ньютону, его алхимическим идеям уделяется значительное внимание. В одной из работ утверждается даже, что Ньютона нельзя считать первым мыслителем века Разума, а следует рассматривать как последнего мыслителя в ряду приверженцев магии, существовавшей почти десять тысяч лет (см. 39, 73). Но увлечение алхимией свидетельствует лишь о сложности мировоззрения Ньютона. Подлинные алхимики — это мыслители, у которых реалистическая (в смысле средневекового реализма) тенденция, унаследованная от далекого прошлого, была господствующей. Они понимали под некоторыми терминами не столько то или иное вещество, сколько некий абстрактный принцип, некое начало, которое действует в качестве реальной универсалии. В этом специфическая особенность средневекового мышления. Оно сохранило свои нерастворимые остатки в Новое время. Даже ньютоновское абсолютное пространство представляет собой именно остаток средневекового реализма. Однако в целом мировоззрение Ньютона принадлежит веку Разума, разума, не отделенного от чувственного восприятия. Когда Ньютон занимался алхимическими исследованиями (т. е. когда он изыскивал возможность трансформации металлов, превращения меди в золото и т. д.), в предполагаемых реакциях у него фигурировали наблюдаемые и, что важно, взвешиваемые вещества. Подобная тенденция была основной, и сам факт преобладания теоретического интереса и полного отсутствия интереса к получению золота выводит Ньютона за пределы алхимии как элемента средневековой культурной традиции. В 1675 г. по поводу некоторых намеков Р. Бойля на возможность получения золота из других металлов Ньютон пишет Ольденбургу, что Бойлю следовало бы сохранить свои методы в секрете, иначе его способ принесет огромный вред. Это замечание об «огромном вреде» показывает, что у Ньютона уже в 1675 г. возникли некоторые экономические идеи, реализованные позднее, в 90-х годах, когда под его руководством была проведена монетная реформа.