牛頓對光學的研究

　　牛頓對光學的研究

　　1、色散現(xiàn)象的早期研究

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

　　德國有一位傳教士叫西奧多里克（Theodoric），曾在實驗中模仿天上的彩虹。他利用陽光照射裝滿水的大玻璃球殼，觀察到了和空中一樣的彩虹，以此說明彩虹是由于空氣中水珠反射和折射陽光造成的現(xiàn)象。不過，他進一步解釋沒有擺脫亞里斯多德的教義，繼續(xù)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。陽光進入媒質(zhì)（例如水），從表面區(qū)域折射回來的是紅色或黃色，從深部折射回來的是綠色或藍色。雨后天空中充滿水珠，陽光進入水珠再折射回來，人們就看到色彩繽紛的景象。

　　笛卡兒對彩虹現(xiàn)象也有興趣，他用實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，專門討論彩虹，并且介紹了他自己做過的棱鏡實驗，如圖所示。他用三棱鏡將陽光折射后投在屏上，發(fā)現(xiàn)彩色的產(chǎn)生并不是由于進入媒質(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），他沒有看到色散后的整個光譜，只注意到光帶的兩側(cè)分別呈現(xiàn)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世紀正當望遠鏡、顯微鏡問世，伽利略運用望遠鏡觀察天體星辰，胡克用顯微鏡觀察小物體，激起了廣大科學界的興趣。然而，當放大倍數(shù)增大時，這些儀器不可避免地都會出現(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出現(xiàn)顏色？這和彩虹有沒有共同之處？這類現(xiàn)象有什么規(guī)律性？怎樣才能消除？

　　這時，牛頓正在英國劍橋大學學習。他的老師中有一位數(shù)學教授名叫巴羅（IsaacBarrow,1630-1677），對光學很有研究。牛頓聽過他講光學，還邦他寫《光學講義》。牛頓很喜歡做光學實驗，還親自動手磨制透鏡，想按自己的設(shè)計裝配出差的顯微鏡和望遠鏡。這個愿望激勵他對光的顏色的本性進行深入的探討。

　　2、牛頓對色散現(xiàn)象的思考

　　牛頓從笛卡兒等人的著作中得到許多啟示。例如笛卡兒說過：“運動慢的光線比運動快的光線折射得更厲害，”胡克描述過肥皂泡的顏色變化，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。

　　牛頓注意到這些說法的合理成分，同時也提出許多疑問。

　　在牛頓留下的手稿中，記錄了許多當年的疑問微壓測高計思考，

　　例如，他問道：如果光是脈沖，為什么不像聲音那樣在傳播中偏離直線？

　　為什么弱的脈沖比強的脈沖運動快？

　　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？

　　牛頓不滿意前人（包括他的老師）對光現(xiàn)象的解釋，就自己動手做起了一系列的實驗。

　　3、牛頓的色散實驗

　　牛頓從笛卡兒的棱鏡實驗得到啟發(fā)，又借鑒于胡克和玻意耳的分光實驗。胡克用了一只充滿水的燒瓶代替棱鏡，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，從室外由洞口進入的陽光經(jīng)過三棱鏡后直接投射到對面的墻上。這樣，他就獲得了展開的光譜，而前面的幾位實驗者只看到兩側(cè)帶顏色的光斑。

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

　　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驗。如圖所示，在一張黑線上畫一條線，半邊為深藍色，半邊為深紅色，比棱鏡觀看，只見這根線好象折斷了似的，分界處正是紅藍之交，藍色部分比紅色部分更靠近棱脊。可見藍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，牛頓又做了一個實驗。他拿三個棱鏡做實驗，三個棱鏡完全相同，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，那么第二個棱鏡和第三個棱鏡就會增加這一分散性。可是實驗結(jié)果是，原來分散的各種顏色，經(jīng)過第二個棱鏡后又還原成白光，形狀和原來的一樣。再經(jīng)過第三個棱鏡，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。

　　牛頓的這一科學論斷和當時已流傳上千年的觀念是格格不入的。他預料會遭到科學界的反對，于是又做了一個很有說服力的實驗。牛頓把這個實驗稱為“判決性實驗”，如圖所示。他拿兩塊木板，一塊放在窗口緊貼棱鏡處，光從平行進入后經(jīng)棱鏡折射穿過小孔，各種顏色以不同的角度射向另一塊木板。離約4米遠，板上也開有不孔，在后面也放有一塊三棱鏡，使穿進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(zhuǎn)，這樣使第二塊木板上的不同顏色的光相繼穿過到達三棱鏡。實驗結(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，白光確是由折射性能不同的光組成。

　　在色散實驗的基礎(chǔ)上，牛頓總結(jié)出了幾條規(guī)律，即：

　　1.光線隨其折射率不同，色也不同。色不是光的變態(tài)，而是光線原來的、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.色的種類和折射的程度是光線所固有的，不會因折射、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合而成的色。

　　5.本身是白色的光線是沒有的我，白色是由所有的光線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(xiàn)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.把光看成實體有充分的根據(jù)。