牛頓對光學的研究

　　英國物理學家牛頓（I.Newton,1642-1727）

　　1、色散現象的早期研究

　　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象。不過，他進一步解釋沒有擺脫亞里斯多德的教義，繼續認為各種顏色的產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（例如水），從表面區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，發現彩色的產生并不是由于進入媒質深淺不同所造成。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；之所以會出現五顏六色，是由于光受物質的不同作用，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，當放大倍數增大時，這些儀器不可避免地都會出現象差和色差，使人們深感迷惑。

　　人們不理解，為什么在圖象的邊緣總會出現顏色？這和彩虹有沒有共同之處？這類現象有什么規律性？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，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帶顏色的光斑。

　　牛頓高明之處就在下他已經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。可是實驗結果是，原來分散的各種顏色，經過第二個棱鏡后又還原成白光，形狀和原來的一樣。再經過第三個棱鏡，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，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。實驗結果是：被第一塊棱鏡折射得最厲害的紫光，經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。在色散實驗的基礎上，牛頓總結出了幾條規律，即：

　　1.光線隨其折射率不同，色也不同。色不是光的變態，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。

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