牛頓對(duì)光學(xué)的研究

　　牛頓對(duì)光學(xué)的研究

　　1、色散現(xiàn)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(xiàn)象。早在13世紀(jì)，科學(xué)家就對(duì)彩虹的成因進(jìn)行了探討。

　　德國(guó)有一位傳教士叫西奧多里克（Theodoric），曾在實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(xù)認(rèn)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(lán)，處于白與黑之間，紅色接近白色，比較明亮，藍(lán)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(qū)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(lán)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(duì)彩虹現(xiàn)象也有興趣，他用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)西奧多里克的認(rèn)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(yàn)，如圖所示。他用三棱鏡將陽(yáng)光折射后投在屏上，發(fā)現(xiàn)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?yàn)椴徽摴庹赵诶忡R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(cè)分別呈現(xiàn)藍(lán)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(cuò)了。他認(rèn)為紅色是濃縮了的光，藍(lán)色是稀釋了的光；之所以會(huì)出現(xiàn)五顏六色，是由于光受物質(zhì)的不同作用，因而呈現(xiàn)各種不同的顏色。

　　17世紀(jì)正當(dāng)望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡問(wèn)世，伽利略運(yùn)用望遠(yuǎn)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(dāng)放大倍數(shù)增大時(shí)，這些儀器不可避免地都會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)顏色？這和彩虹有沒(méi)有共同之處？這類(lèi)現(xiàn)象有什么規(guī)律性？怎樣才能消除？

　　這時(shí)，牛頓正在英國(guó)劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。他的老師中有一位數(shù)學(xué)教授名叫巴羅（IsaacBarrow,1630-1677），對(duì)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(yàn)，還親自動(dòng)手磨制透鏡，想按自己的設(shè)計(jì)裝配出差的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)愿望激勵(lì)他對(duì)光的顏色的本性進(jìn)行深入的探討。

　　2、牛頓對(duì)色散現(xiàn)象的思考

　　牛頓從笛卡兒等人的著作中得到許多啟示。例如笛卡兒說(shuō)過(guò)：“運(yùn)動(dòng)慢的光線(xiàn)比運(yùn)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(rèn)為不同的顏色是光脈沖對(duì)視網(wǎng)膜留下的不同印象。紅色和藍(lán)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(dāng)年的疑問(wèn)微壓測(cè)高計(jì)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(qiáng)的脈沖運(yùn)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(duì)光現(xiàn)象的解釋?zhuān)�就自己�?dòng)手做起了一系列的實(shí)驗(yàn)。

　　3、牛頓的色散實(shí)驗(yàn)

　　牛頓從笛卡兒的棱鏡實(shí)驗(yàn)得到啟發(fā)，又借鑒于胡克和玻意耳的分光實(shí)驗(yàn)。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(kuò)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(duì)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(yàn)者只看到兩側(cè)帶顏色的光斑。

　　牛頓高明之處就在下他已經(jīng)意識(shí)到了不同顏色的光具有不同的折射性能，只有拉長(zhǎng)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(lán)光各具不同的折射性能，牛頓用棱鏡做了如下的實(shí)驗(yàn)。如圖所示，在一張黑線(xiàn)上畫(huà)一條線(xiàn)，半邊為深藍(lán)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(lán)之交，藍(lán)色部分比紅色部分更靠近棱脊。可見(jiàn)藍(lán)光比紅光受到更大的折射。

　　為了證明色散現(xiàn)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(yàn)。他拿三個(gè)棱鏡做實(shí)驗(yàn)，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(guī)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(yàn)結(jié)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(dāng)時(shí)已流傳上千年的觀(guān)念是格格不入的。他預(yù)料會(huì)遭到科學(xué)界的反對(duì)，于是又做了一個(gè)很有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)。牛頓把這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱(chēng)為“判決性實(shí)驗(yàn)”，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(yuǎn)，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(dá)墻壁。牛頓手持第一塊棱鏡，緩緩繞其軸旋轉(zhuǎn)，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過(guò)到達(dá)三棱鏡。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出了幾條規(guī)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(qū)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(fù)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(dāng)比例混合而成的色。

　　6.由此可解釋棱鏡形成各種色綿現(xiàn)象及彩虹的形成。

　　7.自然物體的色是由于對(duì)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(jù)。