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人类对光学的研究有着久远的历史。在古希腊时期，关于光的本质是波还是微粒的问题便存在争论。毕达哥拉斯认为光是由物体表面放出的粒子组成，视觉不过 是粒子流在眼睛里引起的感觉。而亚里士多德提出的理论更大大地影响了后世，演化成后来的波动说。他认为：光不是由物质本身发出来的，而是一种透明的介质产 生的性质或作用。到了1637年，笛卡尔发表了《屈光学》，他继承并发展了亚里士多德的理论，提出光是以太(充斥宇宙空间的一种弹性介质)瞬时传递压力形 成的，而颜色的产生则是由以太的粒子的旋转速度不同而引起，小球的转速会因为折射而改变。波义耳则在《接触色的实验与思考》中提出颜色是由物体产生的反射 光被眼睛修改形成的。 从牛顿存留于世的笔记我们可以看出，前人的理论在一个阶段内对他影响很大，光学是牛顿最早做出巨大发现的领域之 一。早在1665～1666年间，在仔细研究了笛卡尔和波义耳的光学著作之后，他利用在家乡躲避鼠疫的时间进行了大量实验，得出了与前人不同的结论。他发 现了太阳光谱。 认为白光是由七种颜色的光组成的，光的粒子说和颜色理论的基本想法已经形成。他曾经对奥尔登伯格说过，1666年初， 他在家中的墙上开了一个洞，把房间的门窗全部遮起来，让光线通过小洞射进来，用三棱镜将光线投射到墙上进行观察，从而发现了太阳光谱。在经过实验和用原子 论观点分析之后，牛顿也提出了自己的颜色理论，指出颜色是由光的折射率不同产生的。在把两个到三个三棱镜排列起来对一束光线进行折射之后，他发现光谱的本 身并没有变化，红光还是红光，蓝光还是蓝光，只是这束光经过了两次折射以后，角度发生了变化。进而牛顿提出不同的光线对应着不同的折射光线。 早在1665～1666年间，牛顿便在波义耳、胡克等研究透明薄膜因为光照产生的彩色现象的影响下，开始了自己的研究。首先他观察球面玻璃和平面玻璃靠 紧时，彩色光环与球面和平面之间空气厚度的关系。1670年，为了准备光学讲课又仔细地做了关于两个平面玻璃之间和曲面玻璃与平面玻璃之间充以空气或水的 折射实验。他把曲率半径很大的凸透镜放在平板玻璃上，当用白光照射它时，见到透镜与玻璃板接触处出现一组彩色同心环，当用单色光照射时，则在接触点处出现 一组明暗相间的同心环，均匀照射却得到了不均匀的光强分布。这便是光的干涉中的有名的牛顿环实验。他曾在《光学讲义》中写道： “凸透 镜与平面玻璃之间的空气或水当受到压力时，不仅在尖部屈服于压力，而且也相继地在尖部周围产生几个轻微的同心圆圈，这种同心圆圈也可能由玻璃状液体的缺陷 产生，因此薄膜变得松弛，或许由其他的原因也可产生，然而会小些。它们仍能将光线折射到视网膜上，于是显示出不同的色环。色环的周期是随着薄膜厚度产生质 的变化，而同一周期内的色环序列(同日光谱的)因薄膜厚度的增加而由紫向红递次量变。对于同一周期的同一种彩色光环来说，空气的最宽，水的次之，玻璃的最 窄。” 光的薄膜实验和牛顿环的发现是光学发展史上的一次革命，具有重要意义。牛顿另一个光学上的伟大创举便是新型反射望远镜的发明。 光学发展到近代，光组成理论渐渐形成了两大流派：微粒说和波动说。牛顿是微粒说的提出者，主张光是由快速流动且发光的小微粒组成的，各种颜色光的微粒混 合起来才成为了白色。这与主张光是由波组成的波动说观点相左，终于引发了一场旷日持久的争论。因为发明了反射望远镜受到了广泛的好评并被选为英国皇家学会 的会员。看到自己的研究成果得到了当时科学界的首肯，牛顿心中很高兴，便想进一步把自己的研究成果展示给学术界。于是在加入皇家学会三个月后即1672年 的2月8日，他应邀在皇家学会宣读他的论文《关于光和颜色的理论》，并在19日的《哲学会报》上发表。从而首次将自己在以往的发现公之于众。 论文的中心论点认为白色的光是通常的颜色，这是由折射率不同的光线按照一定比例组合而成。根据这一论点，他揭示出颜色的起源，从而得出一些非常重要的结 论：颜色并非以往所认为的那样，是从自然物体的折射或反射中所导出的光的性能，而是一种原始的、天生的，并在不同光线中有不同的性质。有些光线倾向于显示 红色而不显示其他的颜色，有些倾向于显示黄色，有些则显示绿色等等。那些显著的颜色有它们固有的特殊光线，它们中间的各种色调也都有它们固有的特殊光线。 后来科学的发展证明了牛顿这些论说的正确性，如颜色的性质。的颜色理论对很多现象做了合理的解释，尤其是对虹的解释非常具有说服力：一般雨后天晴会出现 虹，这是因为天空中飘散着无数细小的水珠，它们像无数的透镜一样，把太阳的光分解为各单色的光，然后按照它们不同的折射率，以天空为背景，按照顺序排列， 于是就形成美丽的彩虹。由于在这篇论文中牛顿提出的论点都是前人没有认识到的，皇家学会认为在科学上有突破性的重要发现，所以立即组织了一个委员会来审查 这篇论文，以确定它的真正价值。虽然很多会员都认为这是一个非常重要的发现，但当时人们对它的重要性意义却还没有足够的认识，即使是那些最有能力理解它的 人也是如此。有的人还提出怀疑和反对，由此便引发了一场争论。 第一个提出反对意见的是胡克。他在一篇评论报告中虽然赞同牛顿工作的重要性，但同时也把自己的一些怀疑加了进来。 罗伯特・胡克(1635～1703年)是英国著名的物理学家和天文学家。他比牛顿大七岁，在当时的科学界已经非常有名。胡克是一个知识渊博、心灵手巧、 思想敏捷，在理论和实践上都很有作为的人，但他性格乖张、心胸狭隘、骄傲矜持、容易激动，虽然想法很多，对任何事都有极大的兴趣，但却很少彻底地完成一件 事。对于别人的成就，只要是他不清楚的就表示怀疑，与他思想符合的就认为他早已发现过了。牛顿在光学方面的出色研究也许是激起了他的嫉妒，因此，在牛顿制 成反射望远镜时，他就说他早在1664年就做成了一架只有一英寸长的微型望远镜，可以放在表链上做装饰品，但效果却超过五十英尺长的望远镜，由于忙于其他 的工作，后来一直没有继续对它进行改进。他甚至说，很可能是伦敦的磨镜工人盗窃了他的秘密。对于牛顿在理论上的突破，他先是怀疑，后来又说，牛顿的一些基 本思想其实是他早已考虑过了的一种“假说”。他还以一种教训人的口气说年轻人要致力于望远镜的制造，而光学理论这些重要的工作则应让给年长的人去研究等 等。 当时，胡克是皇家学会的干事，在科学界极为活跃。凭着他的资格和名气对牛顿提出如此严厉的批评，无疑对一个刚出道的年轻人来说是 一个沉重的打击。牛顿可能做梦也没有想到会出现这种情况，他的满腔热情立即熄灭了，只好对胡克的反对意见一点一点地进行反驳。开始时，他采取善意的态度， 希望通过辩论得到对方的理解，但后来他发现这样做根本是徒劳的。一次，他用讥讽的语气写道：“胡克先生指责我的，是要我放弃用折射的道理来改进光学的思 想。他一定知道一个人来规定另一个人的研究和学习是不适宜的，特别是在另一个人对他正在研究的问题的基础有着充分的了解的时候。” 除了胡克之外，牛顿还受到其他人的指责，有一位名叫吕格斯的比利时人声称他也做了同样的色散实验，但颜色的光线只扩散了三点五倍而不是五倍。双方为扩散的倍数争论不休，都坚持认为自己的观点是对的而使争论没有结果。后来证明棱镜玻璃原料不同会造成扩散倍数的不同。 这对于牛顿在理论上做出的结论没有产生丝毫影响。巴黎的克拉尔蒙学院著名的自然科学教授帕底则是误解了牛顿这篇文章的大部分内容而无法看到他的价值，经 过和牛顿几次通信后才表示理解。在牛顿的批评者中，还有牛顿后来十分尊重、称他为“德高望重”的荷兰伟大科学家克里斯・惠更斯。对这篇文章，惠更斯的反应 也不好，可能一方面是由于误解，另一方面，惠更斯和牛顿在光的本性问题上的看法截然相反。惠更斯是一位声名卓著的光学专家。此外，还有其他一些人提出批评 或怀疑。牛顿为了替自己辩护，写了一系列的长信。在这些争论中，对于出于学术观点不同的争论，牛顿倒觉得没有什么，但令人烦恼的是，有些人根本不是出于学 术的原因而加入批评牛顿的队伍，而是说些外行话和自己都没有弄清楚的东西，从而把争论搅浑。其中有个叫李纳斯的比利时人就是这样干的。他不学无术，却刊印 一些非常荒谬的言论来攻击牛顿。对这样的争论，牛顿是越来越无法忍耐，他由辩护到烦恼、愤怒，最后，对于一切争论都感到害怕和不安。 这位年轻人受到了很大的伤害。他决定不再为这些无谓的争论去浪费自己宝贵的时间和精力，他还有很多事情要做，一些更重要的问题需要他来考虑，他要更深沉下 来，平心静气地研究自己的东西。为此，几年间他都不愿和外界来往。只有巴罗教授和他原来读书时的同学威金斯理解他，在他烦恼的时候，他们和他交谈，安慰并 鼓励他。牛顿也时常回到伍尔索普的家乡去看望母亲和弟妹，以此忘掉烦恼。就这样不声不响地工作了三年，继续埋头研究光学。1675年12月，他给奥尔登伯 格写了一封信，报告了他对光学研究的新成果，提出准备给皇家学会送去另一篇关于光和颜色理论的新论文，对过去的研究工作做一个总结，并对光的性质提出一种 假说。不久之后，他就给皇家学会寄去他一篇很长的论文，但是他不让奥尔登伯格在《哲学汇刊》上发表，因为这只是送给皇家学会审查的，后来才在学会的会议上 宣读了这篇论文。 由此可见，牛顿的心中一直没有平复第一次争论留给他的创伤，但是，真正的学术讨论也使牛顿对一些问题的认识变得更加深入，尤其是关于光的本性的思想逐渐趋于具体化，并同他的主要批评者胡克的思想发生一定的关系。 光究竟是什么?光的折射、反射、弯曲和颜色说明什么问题?光是靠什么传播的，又是怎样传播的等等，这些问题都是当时物理学家极力探究的问题，因为只有搞清楚光的本性，光学研究上的一些现象才能得到合理的解释。 当时对光的本性的认识，已形成很多种不同观点，但归纳起来主要是两种对立的观点：一种是“波动说”，认为光是一种波，是由发光体引起以太媒质的振动造成 的，胡克、惠更斯是这种观点的代表人物；一种是“微粒说”，认为光是一种物质，一种极其细小的微粒，由发光体连续不断地以极快的速度向外发射造成的，但这 种微粒的传播也离不开以太。 这两种观点的共同之处就是都承认“以太”的存在，都把以太作为光的传播媒质。 那什么是以太呢?“以太”是亚里士多德时代提出的概念，由于得不到充分的证明而一直以假说形式存在。虽然如此，它在12世纪初之前却一直统治着所有科学家的头脑。要研究宇宙中的问题就离不开以太，在光的研究上同样如此。 笛卡尔认为，以太是一种充满空气的间隙和透明物体的孔隙的稠密而精细的媒质，它由极其细小的球状物体所组成，这些小球铺展成一条紧密相连的带，沿着这些 小球相继传播开来的运动就是光和色的基础。当然不同的科学家对以太也有不同的解释，对以太作为媒质传播光的方式的解释也各有不同。但无论如何，都承认以太 的存在。为什么不能抛弃以太呢?这是因为微粒说和波动说都把光的传播和声的传播相比拟，认为声的传播需要空气作为媒质，在被抽干了空气的真空泵里，声就无 法传播，受到阻隔；而光却照样传播，不受丝毫影响。因此这使得他们一致认为，除了空气之外，宇宙间一定还存在另外一种比空气精细得多的传播媒质，它们无处 不在，传播着光。 胡克、惠更斯等人主张光的波动说的理由在于，只有把光看成波，才能较好地解释光为什么是直线传播，光的折射、反射以 及来自不同方向乃至相反方向的几束光，在互相交叉后可以互不干扰地穿透过去。如果把光看成是微粒，那就好像连续发射的子弹或箭在空中飞行一样，而这一切同 上述那些现象，如折射、反射和光的交叉是互相矛盾的。 在惠更斯那里，胡克的波动说得到了更进一步的发展与完善。惠更斯把光的传播比做 声的传播和水波的传播，他说，声音是借助看不见摸不着的空气向声源周围的整个空间传播的，这是一个空气粒子向下一个空气粒子逐步推进的一种运动，这也类似 于我们把石头扔入水中时所看到的水波，它们在一圈一圈逐渐向外传播开去；由于水波是在水面上传播开去的，因此形成的波是平面波，而声波是向四面八方传播出 去的，是立体传播，而且这一传播运动在各个方向是以相同速度进行的，因此必定形成球面波。光的传播也是如此，它以以太为媒质形成一个个球面波向前传递。据 此得出惠更斯原理：传播中波前上的每一点，都可以看成是一个新的波或子波的波源，这些子波是从原先波前上所有的点发出的。根据这一原理可以对光的任何传播 进行作图。 惠更斯原理最具说服力的解释是对光的折射的解释。 假定一束光射过空气进入玻璃之中，这就是光由较稀的 介质(空气)进入较稠的介质(玻璃)的例子，那么光一定会在两种介质交界的界面之处发生折射，因为空气的介质较稀，光传播的自由度较大，所以所形成的球面 波的半径也会较大，光传播的速度也会较快；而玻璃的介质较稠，光传播的自由度较小，因此所形成的球面波的半径也会较小，这就会使玻璃中的波向下倾斜，连续 不断地倾斜就形成折射，而折射光比射入光更接近于直线，经过计算，它符合斯涅尔的折射定律。而且根据惠更斯原理，可以推算出光在玻璃介质(即较稠介质)中 的传播速度小于在空气(即较稀介质)中的传播速度。这和牛顿用微粒说来解释光的本性得出的结论正好相反。牛顿认为，较稠物质存在着较强引力，这种较强的引 力把从空气中射入到玻璃中的光向下拉，从而形成折射，同时也使光的速度变大。由于当时还没有人能够测出光速，因此无法证明究竟哪一种说法正确。但是到了 19世纪的1849至1862年间，先后有法国人菲索和傅科用高速转动的齿轮或多面镜测定了光速，发现光在水中的传播速度比在空气中慢，证明了波动说对这 一问题看法的正确性。不同意波动说而倾向于微粒说。在1675年的一篇重要论文中，他首先对光的各种假说进行了讨论，之后，他提出了自己的假说：“我认为 光既非以太也不是它的振动，而是从发光物体传播出来的某种与此不同的东西。如果人们愿意这样做……可以设想光是一群难以想像的细微而运动迅速的大小不同的 粒子，这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射出来，但是在它们相继两个之间我们却感觉不到有什么时间间隔，它们为一个运动本原所不断推向前进，开始 时这种本原把它们加速，直到后来以太媒质的阻力和这本原的力量大小一样为止，这很像物体在水中降落，先是加速，直到后来水的阻力等于重力为止。”赞同微粒 说的理由是，他认为波动说首先就不能解释光为什么总是走直线而并不发生明显的弯曲。他说，光的传播跟声波或水波的传播特征并不一样，声波或水波都能绕过障 碍物而弯到它的后面去。例如，一只钟或一门炮发出的声音能够在山后边听到，但在这里却看不到发音体，而且声音能在弯曲的管子里像在笔直的管子里一样容易传 播。而光就不能这样了，我们从来不知道光会沿着弯曲的道路走，当光遇到障碍物时，它不会弯到影子里去破坏影子。当一个恒星被任何一个行星遮掩时，恒星就看 不见了，同样，当太阳的一部分被月球、水星或金星遮掩时也是如此。当然也注意到了光的衍射现象。所谓光的衍射是指光线在遇到障碍物时，将偏离直线传播的方 向而绕到障碍物的阴影里去的这种现象。这种现象在当光线穿过很细的缝或很小的孔时就会发生。人们平时看到的当一束光线越过障碍物将它的阴影投在光屏上时， 阴影边界的外侧圈有一条与其边缘平行的色带或半阴影，就像阴影长毛一样，这种现象，就是光的衍射。最初研究衍射现象的是意大利物理学家格里观耳迪 (1618～1663)，他的衍射实验证明光是一种波，以一种无比大但不是无限的速度蔓延。曾经对他的衍射实验进行了重复和扩充，并在这篇论文中谈到衍射 现象。但他并不认为衍射能够证明光是一种波，相反，它更能证明光是微粒，因为，只有微粒经过物体边缘时才会受到物体引力作用而使它稍微弯曲。他说：“经过 任一物体边缘很近的光线将受到物体的作用而要稍微弯曲；但这种弯曲不是向着影子区域离开它，并且只有在光线通过物体旁边，与它相距很近时，才有这种现象。 当光线经过这物体之后，它就马上笔直地前进。” 还认为光的微粒说对于光的折射、反射以及光照可以使物体发热的现象能做很好的解释，颜 色现象也只有用微粒说才能得到合理解释。他认为，光的折射、反射和弯射是物体之间的一种吸引力；物体之间的吸引力是物体相互作用的表现，如果只是把光看成 是一种在媒介中传播的波，或者以太大的振动或挤压运动(或者像胡克所说的是一种“脉冲”)，那么它就是没有实质的运动。由于这种运动没有微粒的物质内容， 因此光照射到物体上发生的折射等现象就不是物体之间的吸引力造成的，而牛顿用实验证明应由引力造成；同时，光是一种能在一个瞬间传播很远距离的运动，那么 就必须设想发光体需要一个无限大的力，才可以在每一时刻使每一发光质点产生这种运动，使光波在瞬间传播得很远，而这几乎是不可能的。曾做过关于光的折射和 反射的实验：把两块玻璃棱镜或者一个很长的望远镜的两块，一面是平的，一面是稍微凸起的玻璃物镜，这样叠放在一起，不使它们完全接触，也不使它们相距太 远，两块玻璃之间的距离小于百分之一英寸。让光线顺序穿过这两块玻璃时就会发现，光线穿过第一块玻璃的第二个表面进入两块玻璃之间的空气层时，就发生了折 射，然后光线进入第二块玻璃。如果慢慢地移开第二块玻璃，那么进入两块玻璃之间空气层的折射角就会增大，当第二块玻璃移开到一定距离，那么从第一块玻璃的 第二个表面进入空气中的光就不再继续前进，而转回到第一块玻璃中去，即被反射。这个实验说明，两块玻璃靠得很近时，光线穿过第一块玻璃进入空气层时发生折 射，是因为第二块玻璃对光的微粒具有吸引力；而当第二块玻璃移开后，光只能反射回去，它是被第一块玻璃的引力拉回去的。根据这一原理牛顿得出光速在较稠介 质中比在较稀介质中快。用微粒说解释光照发热现象是令人信服的。他认为，由于光是由发光体连续不断发射出来的微粒子，因此光照在某一物体上，实际上是微粒 不断地在射击这一物体，这就会“激动”这一物体的相应部分，使它们发起热来。波动说就无法解释这一现象。颜色现象的解释是由于光的微粒有大小不同，因此曲 折程度也不相同，其中最小的微粒是紫色的光，它在其直线的线路中容易为折射面所偏转，曲折的程度最大。其余的光的微粒越来越大则有越来越明亮的颜色，而且 越来越难以使之偏转，其折射程度渐次减小，这就是蓝、绿、黄、橙等颜色，最大的微粒和具有最小折射率的光是红色。因此当组合光被棱镜分解的时候，它们总按 着这样的次序散开。牛顿的这篇新的关于光和颜色的论文探讨了光的本性，提出了微粒说，无疑这是光学研究中的重要贡献。尽管小心谨慎，在事先写给奥尔登伯格 的一封信中声明，他提出的只是一个假说，是很多关于光的假说当中他“更喜欢的一个假说”，并强调说：“不喜欢这种说法的人也可以假定光是任何一种别的有形 发射物……或者是他们认为符合于这个目的的其他任何东西。为了避免争论，并为这种假设的讨论普遍起见，每个人在这里愿意讲什么就讲什么……”然而，他的观 点还是在科学界引起了很大的反响，还是遭到了激烈的反对，不过这和第一次由颜色理论引起争论的情况不一样，这一次是纯粹的争论。 (责任编辑：中国历史网) |