牛頓對光學(xué)的研究

　　牛頓對光學(xué)的研究

　　1、色散現象的早期研究

　　色散也是一個(gè)古老的課題，最引人注目的是彩虹現象。早在13世紀，科學(xué)家就對彩虹的成因進(jìn)行了探討。

　　德國有一位傳教士叫西奧多里克（Theodoric），曾在實(shí)驗中模仿天上的彩虹。他利用陽(yáng)光照射裝滿(mǎn)水的大玻璃球殼，觀(guān)察到了和空中一樣的彩虹，以此說(shuō)明彩虹是由于空氣中水珠反射和折射陽(yáng)光造成的現象。不過(guò)，他進(jìn)一步解釋沒(méi)有擺脫亞里斯多德的教義，繼續認為各種顏色的產(chǎn)生是由于光受到不同阻滯所引起。光的四種顏色：紅、黃、綠、藍，處于白與黑之間，紅色接近白色，比較明亮，藍色接近黑色，比較昏暗。陽(yáng)光進(jìn)入媒質(zhì)（例如水），從表面區域折射回來(lái)的是紅色或黃色，從深部折射回來(lái)的是綠色或藍色。雨后天空中充滿(mǎn)水珠，陽(yáng)光進(jìn)入水珠再折射回來(lái)，人們就看到色彩繽紛的景象。

　　笛卡兒對彩虹現象也有興趣，他用實(shí)驗檢驗西奧多里克的認述。

　　在他的《方法論》（1637）中還有一篇附錄，專(zhuān)門(mén)討論彩虹，并且介紹了他自己做過(guò)的棱鏡實(shí)驗，如圖所示。他用三棱鏡將陽(yáng)光折射后投在屏上，發(fā)現彩色的產(chǎn)生并不是由于進(jìn)入媒質(zhì)深淺不同所造成。因為不論光照在棱鏡的那一部位，折射后屏上的圖象都是一樣的。遺憾的是，笛卡兒的屏離棱鏡太近（大概只有幾厘米），他沒(méi)有看到色散后的整個(gè)光譜，只注意到光帶的兩側分別呈現藍色和紅色。

　　1648年，布拉格的馬爾西用三棱鏡演示色散成功。不過(guò)他解釋錯了。他認為紅色是濃縮了的光，藍色是稀釋了的光；之所以會(huì )出現五顏六色，是由于光受物質(zhì)的不同作用，因而呈現各種不同的顏色。

　　17世紀正當望遠鏡、顯微鏡問(wèn)世，伽利略運用望遠鏡觀(guān)察天體星辰，胡克用顯微鏡觀(guān)察小物體，激起了廣大科學(xué)界的興趣。然而，當放大倍數增大時(shí)，這些儀器不可避免地都會(huì )出現象差和色差，使人們深感迷惑。

　　人們不理解，為什么在圖象的邊緣總會(huì )出現顏色？這和彩虹有沒(méi)有共同之處？這類(lèi)現象有什么規律性？怎樣才能消除？

　　這時(shí)，牛頓正在英國劍橋大學(xué)學(xué)習。他的老師中有一位數學(xué)教授名叫巴羅（IsaacBarrow,1630-1677），對光學(xué)很有研究。牛頓聽(tīng)過(guò)他講光學(xué)，還邦他寫(xiě)《光學(xué)講義》。牛頓很喜歡做光學(xué)實(shí)驗，還親自動(dòng)手磨制透鏡，想按自己的設計裝配出差的顯微鏡和望遠鏡。這個(gè)愿望激勵他對光的顏色的本性進(jìn)行深入的探討。

　　2、牛頓對色散現象的思考

　　牛頓從笛卡兒等人的著(zhù)作中得到許多啟示。例如笛卡兒說(shuō)過(guò)：“運動(dòng)慢的光線(xiàn)比運動(dòng)快的光線(xiàn)折射得更厲害，”胡克描述過(guò)肥皂泡的顏色變化，認為不同的顏色是光脈沖對視網(wǎng)膜留下的不同印象。紅色和藍色是原色，其它顏色都是由這兩種顏色合成和沖淡而成。

　　牛頓注意到這些說(shuō)法的合理成分，同時(shí)也提出許多疑問(wèn)。

　　在牛頓留下的手稿中，記錄了許多當年的疑問(wèn)微壓測高計思考，

　　例如，他問(wèn)道：如果光是脈沖，為什么不像聲音那樣在傳播中偏離直線(xiàn)？

　　為什么弱的脈沖比強的脈沖運動(dòng)快？

　　為什么水比水蒸汽更清晰？

　　為什么煤是黑的，煤燒成的灰反而是白的？

　　牛頓不滿(mǎn)意前人（包括他的老師）對光現象的解釋?zhuān)�就自己�?dòng)手做起了一系列的實(shí)驗。

　　3、牛頓的色散實(shí)驗

　　牛頓從笛卡兒的棱鏡實(shí)驗得到啟發(fā)，又借鑒于胡克和玻意耳的分光實(shí)驗。胡克用了一只充滿(mǎn)水的燒瓶代替棱鏡，屏距折射位置大約60厘米，玻意耳把棱鏡散射的光投到1米多高的天花板上，而牛頓則將距離擴展為6-7米，從室外由洞口進(jìn)入的陽(yáng)光經(jīng)過(guò)三棱鏡后直接投射到對面的墻上。這樣，他就獲得了展開(kāi)的光譜，而前面的幾位實(shí)驗者只看到兩側帶顏色的光斑。

　　牛頓高明之處就在下他已經(jīng)意識到了不同顏色的光具有不同的折射性能，只有拉長(cháng)距離才能分解開(kāi)不同折射角的光線(xiàn)。

　　為了證明紅光和藍光各具不同的折射性能，牛頓用棱鏡做了如下的實(shí)驗。如圖所示，在一張黑線(xiàn)上畫(huà)一條線(xiàn)，半邊為深藍色，半邊為深紅色，比棱鏡觀(guān)看，只見(jiàn)這根線(xiàn)好象折斷了似的，分界處正是紅藍之交，藍色部分比紅色部分更靠近棱脊�？梢�(jiàn)藍光比紅光受到更大的折射。

　　為了證明色散現象不是由于棱鏡跟陽(yáng)光的相互作用，也不是由于其它原因，而是由于不同顏色具有不同的折射性，牛頓又做了一個(gè)實(shí)驗。他拿三個(gè)棱鏡做實(shí)驗，三個(gè)棱鏡完全相同，只是放置方式不一樣，如圖所示，倘若分散是由于棱鏡的不平或其它偶然的不規則性，那么第二個(gè)棱鏡和第三個(gè)棱鏡就會(huì )增加這一分散性�？墒菍�(shí)驗結果是，原來(lái)分散的各種顏色，經(jīng)過(guò)第二個(gè)棱鏡后又還原成白光，形狀和原來(lái)的一樣。再經(jīng)過(guò)第三個(gè)棱鏡，又分解成各種顏色。由此證明，棱鏡的作用是使白光分解為不同成分，又可使不同光分合成為白光。

　　牛頓的這一科學(xué)論斷和當時(shí)已流傳上千年的觀(guān)念是格格不入的。他預料會(huì )遭到科學(xué)界的反對，于是又做了一個(gè)很有說(shuō)服力的實(shí)驗。牛頓把這個(gè)實(shí)驗稱(chēng)為“判決性實(shí)驗”，如圖所示。他拿兩塊木板，一塊放在窗口緊貼棱鏡處，光從平行進(jìn)入后經(jīng)棱鏡折射穿過(guò)小孔，各種顏色以不同的角度射向另一塊木板。離約4米遠，板上也開(kāi)有不孔，在后面也放有一塊三棱鏡，使穿進(jìn)的光再折射后抵達墻壁。牛頓手持第一塊棱鏡，緩緩繞其軸旋轉，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過(guò)到達三棱鏡。實(shí)驗結果是：被第一塊棱鏡折射得最厲害的紫光，經(jīng)第二塊棱鏡也偏折最多。由此可見(jiàn)，白光確是由折射性能不同的光組成。

　　在色散實(shí)驗的基礎上，牛頓總結出了幾條規律，即：

　　1.光線(xiàn)隨其折射率不同，色也不同。色不是光的變態(tài)，而是光線(xiàn)原來(lái)的、固有的屬性。

　　2.同一色屬于同一折射率，不同的色，折射率不同。

　　3.色的種類(lèi)和折射的程度是光線(xiàn)所固有的，不會(huì )因折射、反射或其它任何原因而改變。

　　4.必須區分兩種顏色，一種是原始的、單純的色，另一種是由原始的顏色復合而成的色。

　　5.本身是白色的光線(xiàn)是沒(méi)有的我，白色是由所有的光線(xiàn)按適當比例混合而成的色。

　　6.由此可解釋棱鏡形成各種色綿現象及彩虹的形成。

　　7.自然物體的色是由于對某種光的反射大于其它光反射的緣故。

　　8.把光看成實(shí)體有充分的根據。