Newton karanlık odada ne keşfetti?

Kısa cevap

Isaac Newton, karanlık bir odada pencere kepengindeki küçük bir delikten giren güneş ışığını bir prizmadan geçirdiğinde, duvarda yuvarlak değil, uzunluğu genişliğinin yaklaşık beş katı olan renkli bir şerit gördü. Bu şeklin nedenini arayan deneylerin sonunda, şeridin tek bir rengini seçip ikinci bir prizmadan geçirdi: seçilen ışık yeniden kırıldı ama rengi değişmedi ve şeridin mor ucundan gelen ışık, kırmızı ucundan gelen ışıktan her zaman daha çok kırıldı. Bu "belirleyici deney", beyaz ışığın prizmada renklenen saf bir ışık değil, farklı ölçüde kırılan ve her biri kendi rengini taşıyan ışınların bir karışımı olduğunu gösterdi.

Karanlık oda ve uzun görüntü

Newton bu deneyleri, Kraliyet Cemiyeti'ne sunulmak üzere cemiyetin dergisinin yayıncısına Cambridge'den gönderdiği ve 1672'de yayımlanan bir mektupta anlattı. Mektubun başlığı, onu "ışık ve renkler hakkındaki yeni kuramını" içeren bir mektup olarak tanıtıyordu.

Newton'ı düşündüren, bu şeklin beklenen şekilden bu kadar farklı olmasıydı. Güneş yuvarlaktır ve delik küçüktür; kırılma yasaları, prizmadan çıkan ışığın duvarda da yaklaşık yuvarlak bir leke oluşturmasını öngörüyordu. Newton önce basit açıklamaları tek tek eledi: camın kalınlığının, deliğin büyüklüğünün, prizmanın ışığa göre konumunun ve camdaki olası kusurların şekli değiştirip değiştirmediğini denedi. Bir deneyde ikinci bir prizmayı ters çevirerek ışığı eski yoluna geri döndürdü; eğer uzunluk camın düzensizliğinden gelseydi ikinci prizma onu artırmalıydı, oysa ışık yeniden yuvarlak bir lekeye dönüştü.

Belirleyici deney

Olası nedenleri eledikten sonra Newton, kendisinin "Experimentum Crucis", yani belirleyici deney dediği düzeneği kurdu.

Düzenek şöyleydi. Newton birinci prizmanın hemen arkasına küçük delikli bir tahta, bundan yaklaşık on iki ayak uzağa da yine delikli ikinci bir tahta koydu. İkinci tahtanın arkasına ikinci bir prizma yerleştirdi. Birinci prizmayı elinde yavaşça döndürerek renkli şeridin farklı kısımlarını sırayla ikinci tahtadaki delikten geçirdi ve ikinci prizmanın bu ışıkları duvarda nereye kırdığını gözledi.

Mektuptaki açıklamasına göre gördüğü şey şuydu: şeridin, birinci prizmanın ışığı büktüğü uca doğru olan kısmından gelen ışık, ikinci prizmada da öbür uçtan gelen ışıktan belirgin biçimde daha fazla kırılıyordu. Newton bundan, görüntünün uzunluğunun gerçek nedeninin, ışığın farklı ölçüde kırılan ışınlardan oluşması olduğu sonucunu çıkardı.

İkinci prizma deneyi neyi kanıtladı? İki şeyi birden. Birincisi, ikinci prizmanın ayrılmış ışığı yeniden bir renk şeridine yaymaması, prizmanın ışığa renk eklemediğini gösteriyordu: eğer renk prizmanın ışığı bozmasından ya da boyamasından doğsaydı, ikinci prizma da seçilen ışığı yeniden bozup yeni renkler üretmeliydi. İkincisi, her rengin ikinci prizmada da aynı ölçüde kırılması, renk ile kırılganlık derecesi arasında sabit bir bağ olduğunu gösteriyordu. Beyaz ışık, bu ayrı ışınların bir karışımıydı; prizma onları yalnızca birbirinden ayırıyordu.

Beyaz, en şaşırtıcı karışım

Newton mektubunda bu sonucu önermeler hâlinde sıraladı. Üçüncü önermesinde, bir tür ışının renginin ve kırılganlık derecesinin ne kırılmayla, ne doğal cisimlerden yansımayla, ne de gözlemleyebildiği başka bir nedenle değiştiğini yazar; bir tür ışını öbürlerinden iyice ayırdığında, onu değiştirmek için bütün çabalarına rağmen rengini inatla koruduğunu anlatır.

Aynı mektup gökkuşağını da bu kurama bağlar: yağmur damlaları ışınları farklı ölçüde kırdığı için, gökyüzünün farklı yüksekliklerindeki damlalar göze farklı renkleri gönderir.

Gökkuşağına neden yedi renk dendi?

1672 mektubunda Newton'ın saydığı renkler beş temel renk ile turuncu ve çividir. Bu yedili liste, Newton'ın 1704'te yayımlanan Opticks kitabında daha da belirginleşti. Kitabın 1730 tarihli dördüncü baskısında Newton, tayfın renkler arasındaki sınırlarını ölçtüğünde bölümlerin bir müzik teli gibi bölündüğünü yazar ve renk çemberini de, bir oktavın yedi aralığına orantılı yedi parçaya ayırır: kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, çivit ve menekşe. Renk çemberinin bu müzikal kökeni DT-04'ün konusudur.

Tayfın kendisi ise kesintisizdir; Newton'ın da mektubunda yazdığı gibi, belirgin renkler arasında sayısız ara geçiş vardır. Gökkuşağının yedi rengi doğanın bir sayımı değil, bir adlandırma ve düzenleme kararıdır. Çivitin ayrı bir renk olarak sayılması, bugün bile birçok kişiye yapay gelir; yedi sayısı, Newton'ın rengi müzikle birleştiren tasarımının bir parçasıdır.

Örnek — bir tenin ışığını prizmadan geçirmek

Newton'ın düzeneğini bir tene uyguladığımızı düşünelim: gün ışığında bir yüzden yansıyan ışığı bir prizmadan geçirirsek ne görürüz? Serinin dört ten örneği için, renk kodlarından yola çıkarak tayfsal yansıtma eğrileri kurduk (Mallett–Yuksel ayrıştırması); bunlar gerçek ölçümler değil, makul yaklaşımlardır. Gün ışığı altında yansıyan ışığı üç banda böldük: 400–500, 500–600 ve 600–700 nanometre.

F1C7A9 kodlu açık tende yansıyan ışığın yaklaşık yüzde 26'sı kısa, yüzde 34'ü orta, yüzde 41'i uzun dalga bandındadır. C68863'te bu paylar yüzde 19, 31 ve 51; 8D5524'te yüzde 11, 30 ve 59; serinin en koyusu olan 4A2C1D için yüzde 17, 29 ve 54'tür. Dört tenin hepsi tayfın bütün bantlarını yansıtır, ama uzun dalgaları daha çok; koyu tenler toplamda çok daha az ışık yansıtır.

Bir prizma bu yüzden her tenden gelen ışığı tam bir renk şeridine yayardı; kırmızı ucu daha parlak, mor ucu daha sönük bir şerit. Ten, Newton'ın deyişiyle tek bir tür ışının rengi değil, bileşik bir ışığın rengidir. Bu, farklı tenleri doğru göstermek için aydınlatmanın neden tayfın tamamını dengeli içermesi gerektiğini de açıklar: eksik bir bandı olan bir ışık, tenin o bantta yansıttığı katkıyı ortadan kaldırır.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Newton, 1672 mektubuna göre 1666 başında karanlık bir odada prizmayla güneş ışığını duvara kırdı ve yuvarlak beklediği görüntünün yaklaşık beş kat uzun olduğunu gördü.
2. Belirleyici deneyde renkli şeridin tek bir kısmını ikinci bir prizmadan geçirdi; ışık yeniden kırıldı ama rengi değişmedi ve her renk kendine özgü ölçüde kırıldı. Beyaz ışık farklı kırılan ışınların karışımıdır.
3. Newton'ın saydığı yedi renk, sürekli bir tayfın adlandırılmasıdır; Opticks'te bu yedili bölüm müzik gamıyla ilişkilendirildi.

Kendini sına

1. (Kolay) Newton prizmadan geçen güneş ışığının duvardaki görüntüsünün ne kadar uzun olduğunu buldu?
2. (Kolay) Newton'ın 1672 mektubunda saydığı birincil renkler nelerdir?
3. (Orta) İkinci prizma deneyi neyi kanıtladı?
4. (Orta) Newton, görüntünün uzunluğunun camdaki bir düzensizlikten gelmediğini nasıl gösterdi?
5. (Zor) Gökkuşağının yedi renkten oluştuğu söylemi neden doğanın bir sayımı değil, bir adlandırma kararıdır?
6. (Zor) Bir tenden yansıyan ışık prizmadan geçirilseydi ne görülürdü ve bu, aydınlatma için ne anlama gelir?

Cevaplar

1. Uzunluğunun genişliğinin yaklaşık beş katı olduğunu buldu («Karanlık oda ve uzun görüntü»).
2. Kırmızı, sarı, yeşil, mavi ve mor-menekşe; bunlara ek olarak turuncu, çivit ve sayısız ara geçiş («Beyaz, en şaşırtıcı karışım»).
3. Ayrılmış tek bir rengin ikinci prizmada yeniden kırılıp renginin değişmemesi, prizmanın ışığa renk eklemediğini gösterdi; her rengin ikinci prizmada da aynı ölçüde kırılması ise renk ile kırılganlık derecesi arasında sabit bir bağ olduğunu kanıtladı. Beyaz ışık, farklı ölçüde kırılan ışınların karışımıdır («Belirleyici deney»).
4. Işığı ikinci bir prizmadan ters yönde geçirerek eski yoluna döndürdü; uzunluk camın düzensizliğinden gelseydi ikinci prizma onu artırmalıydı, ama ışık yeniden yuvarlak bir lekeye dönüştü («Karanlık oda ve uzun görüntü»).
5. Tayf kesintisizdir ve belirgin renkler arasında sayısız ara geçiş vardır; yedi sayısı, Newton'ın renkleri bir müzik gamının yedi aralığıyla ilişkilendirdiği düzenlemenin sonucudur («Gökkuşağına neden yedi renk dendi?»).
6. Tam bir renk şeridi görülürdü, çünkü her ten tayfın bütün bantlarını yansıtır; kestirimlere göre uzun dalgaların payı yüzde 41 ile 59 arasındadır. Tenin rengi bileşik bir ışığın rengidir; bu yüzden bir bandı eksik olan aydınlatma, tenin o banttaki katkısını ortadan kaldırır («Örnek — bir tenin ışığını prizmadan geçirmek»).

Kaynaklar

• Newton, I., «A Letter of Mr. Isaac Newton, Professor of the Mathematicks in the University of Cambridge; containing his New Theory about Light and Colors», Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 6(80), 1672, s. 3075–3087. Çevrim içi metin: The Newton Project.
• Newton, I., «Opticks: or, A Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light», 4. baskı, Londra, 1730. Çevrim içi metin: Project Gutenberg.
• Mallett, I. ve Yuksel, C., «Spectral Primary Decomposition for Rendering with sRGB Reflectance», Eurographics Symposium on Rendering, 2019, doi:10.2312/SR.20191216.

Sonraki adım

BI-10, Newton'ın mektubunda andığı karışımlardan, örneğin sarı ile mavinin yeşil vermesinden, bir kurama geçiyor: üç renkle bütün renklerin nasıl eşlenebileceğini gösteren renk eşleme deneylerini, Young ve Helmholtz'un üç renk kuramını ve kuramın açıklayamadıklarını anlatıyor; ekranların neden yalnızca üç renk kullandığını soruyor. Newton'a karşı çıkan Goethe'nin renk kuramı ise FE-05'te tartışılıyor.