4.3 牛頓研究光的色散 牛頓是一位科學(xué)大師。 除了在熱科學(xué)方面取得的巨大成就外，他還在物理、天文學(xué)、化學(xué)乃至光學(xué)方面做出了杰出貢獻(xiàn)。 僅在光學(xué)方面的工作就足以被后人尊為科學(xué)偉人。 與他在熱學(xué)方面的全面工作不同，牛頓在光學(xué)方面的工作大多是開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)研究，其中色散的研究最為突出。 4.3.1 色散現(xiàn)象的初步研究 色散也是一個(gè)古老的課題，最引人注目的就是彩虹現(xiàn)象。 早在13世紀(jì)，科學(xué)家就分析了彩虹的成因。 日本有一位傳教士，名叫狄奧多里克（）光的色散是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的，他在實(shí)驗(yàn)中模仿了天空中的彩虹。 他用陽(yáng)光照射一個(gè)裝滿水的大玻璃球殼，觀察到了與天空中一樣的彩虹，這解釋了彩虹是空氣中的水滴對(duì)陽(yáng)光的反射和折射造成的。 但他的進(jìn)一步解釋并沒有擺脫亞里士多德的教義，繼續(xù)認(rèn)為各種顏色的形成是由光的不同阻礙作用造成的。 光的四種顏色：紅、黃、綠、藍(lán)，介于白色和黑色之間，白色接近黑色，比較亮，白色接近白色，比較暗淡。 陽(yáng)光進(jìn)入介質(zhì)（例如水），并從表面區(qū)域反射回黑色或灰色，從更深的區(qū)域反射回紅色或黃色。 雪后，天空布滿水滴，陽(yáng)光進(jìn)入水滴折射回來(lái)，人們可以聽到五彩斑斕的景色。 笛卡爾也對(duì)彩虹現(xiàn)象很感興趣，他通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了狄奧多里克的解釋。 在他的《方法論》（1637）中，還有一個(gè)附錄專門討論彩虹，并介紹了他自己的棱鏡實(shí)驗(yàn)，如圖4-7所示。
他用棱鏡折射陽(yáng)光并將其投射到屏幕上，發(fā)現(xiàn)顏色的形成并不是由介質(zhì)的深度引起的。 因?yàn)闊o(wú)論光線照射到棱鏡的哪一部分，折射后屏幕上的圖像都是一樣的。 不幸的是，笛卡爾的屏幕距離棱鏡太近（大約只有幾分米），他沒有聽到色散后的整個(gè)光譜，只注意到光帶的外側(cè)分別是紅色和綠色。 1648年，克拉科夫的馬西成功地用棱鏡演示了色散。 但他錯(cuò)了。 他認(rèn)為綠色是集中光，紅色是稀釋光； 之所以有四種顏色，是因?yàn)楣馐艿讲煌镔|(zhì)的影響，所以呈現(xiàn)出各種顏色。 17世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡問世，伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察天體和恒星，胡克用顯微鏡觀察微小物體，引起了科學(xué)界的興趣。 然而，當(dāng)放大倍數(shù)降低時(shí)，這種儀器不可避免地會(huì)出現(xiàn)像差和色差，使人們深受欺騙。 人們不明白為什么圖像的邊緣總是有顏色？ 這和彩虹有什么共同點(diǎn)嗎？ 這種現(xiàn)象有什么規(guī)律性呢？ 如何去除？ 此時(shí)，牛頓正在美國(guó)劍橋?qū)W院讀書。 他的老師中有一位名叫巴羅（，1630-1677）的院士，非常擅長(zhǎng)光學(xué)。 牛頓聽他講光學(xué)，幫他編了《光學(xué)課件》。 牛頓非常喜歡做光學(xué)實(shí)驗(yàn)，他還自己磨了鏡片，想按照自己的設(shè)計(jì)組裝出沒有色差的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。 這個(gè)愿望激發(fā)了他對(duì)光和色彩的本質(zhì)進(jìn)行深入的闡述。
4.3.2 牛頓關(guān)于色散現(xiàn)象的思想 牛頓從笛卡爾等人的專著中得到了很多啟發(fā)。 例如，笛卡爾說(shuō)：“緩慢移動(dòng)的光比快速移動(dòng)的光更容易折射。” 胡克描述了肥皂泡顏色的變化，并認(rèn)為不同的顏色是光脈沖在黃斑上留下的不同印象。 白色和紅色是原色，其他顏色是由這兩種顏色合成和色散而成的。 牛頓注意到了這一說(shuō)法的合理要素，但也提出了許多質(zhì)疑。 在牛頓留下的原始手稿中，記錄了許多原始的疑惑和想法。 例如，他問如果光是脈沖，為什么它在傳播時(shí)不會(huì)像聲音一樣偏離直線？ 為什么弱脈沖比強(qiáng)脈沖移動(dòng)得快？ 為什么水比水蒸氣更清澈？ 為什么煤炭是黑色的，而煤炭燃燒的灰燼卻是白色的？ 牛頓不滿意前人（包括他的老師）對(duì)光現(xiàn)象的解釋，于是他自己開始了一系列的實(shí)驗(yàn)。 4.3.3 牛頓色散實(shí)驗(yàn) 牛頓受到笛卡爾棱鏡實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，并借鑒了胡克和波義耳的光譜實(shí)驗(yàn)。 胡克用一個(gè)裝滿水的燒杯來(lái)代替棱鏡，屏幕距離折射位置約60分米。 波義耳將棱鏡散射的光線投射到1米多高的天花板上，而牛頓則將距離擴(kuò)大到6-7米，從房間的開口進(jìn)入的陽(yáng)光穿過(guò)棱鏡，直接投射到旁邊的墻壁上到它。 這樣，他就得到了擴(kuò)展的光譜，而后面的實(shí)驗(yàn)人員只聽到了左邊的有色斑點(diǎn)。 牛頓的高明之處就在于他已經(jīng)認(rèn)識(shí)到不同顏色的光有不同的折射特性，只有拉長(zhǎng)距離才能將不同折射角的光線分開。
為了證明綠光和藍(lán)光具有不同的折射特性，牛頓用棱鏡做了如下實(shí)驗(yàn)。 如圖4-8所示，在一張黑紙上畫一條線opq，op的一半是深紅色，pq的一半是深藍(lán)色。 通過(guò)棱鏡adf觀察時(shí)，線條似乎是扭曲的，邊界正好在紅藍(lán)交界處，紅色部分rs比黃色部分st更靠近脊ab。 可以看出藍(lán)光比綠光折射更多。 為了證明色散現(xiàn)象不是由于棱鏡與太陽(yáng)光的相互作用，或者其他原因，而是因?yàn)椴煌伾哂胁煌恼凵涮匦裕ｎD又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。 他用三個(gè)棱鏡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，三個(gè)棱鏡是相同的，但放置方式不同，如圖4-9所示。 如果顏色的色散是由于棱鏡的不均勻或其他偶然的不規(guī)則性造成的，那么第二棱鏡和第三棱鏡都會(huì)減少這種色散。 而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，原本散射的各種顏色在經(jīng)過(guò)第二個(gè)棱鏡后又恢復(fù)為白光，而且形狀也和之前一樣。 經(jīng)過(guò)第三棱鏡后，分解成各種顏色。 這證明棱鏡的作用就是將白光分解成不同的成分，并將不同的成分合成為白光。 牛頓的科學(xué)論斷與當(dāng)時(shí)流傳數(shù)千年的觀念格格不入。 由于預(yù)見到科學(xué)界的反對(duì)，他進(jìn)行了另一項(xiàng)有說(shuō)服力的實(shí)驗(yàn)。 牛頓把這個(gè)實(shí)驗(yàn)稱為“判斷實(shí)驗(yàn)”，如圖4-10所示。 他拿了兩塊木板，一塊DE放在靠近棱鏡ABC的窗戶F上，棱鏡通過(guò)小孔G折射，各種顏色以不同的角度射到另一塊木板de上。
de距DE一米，板上也有一個(gè)小孔g，g前面還放置一個(gè)棱鏡abc，使經(jīng)過(guò)的光發(fā)生折射，然后到墻壁MN上。 牛頓手握第一個(gè)棱鏡ABC，繞其軸慢慢旋轉(zhuǎn)，使第二塊木板上不同顏色的光依次通過(guò)g到達(dá)棱鏡abc。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果是：第一棱鏡折射最多的紫光也被第二棱鏡偏轉(zhuǎn)最多。 可見，白光確實(shí)是由具有不同折射特性的光群組成的。 牛頓在色散實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出幾個(gè)定律，即： 1、光的顏色隨其折射率的不同而不同。 顏色不是光的變形，而是光的原始和固有屬性。 2、相同的顏色屬于相同的折射率，不同的顏色具有不同的折射率。 3.顏色的類型和折射程度是光固有的，不會(huì)因折射、反射或任何其他原因而改變。 4.必須區(qū)分兩種顏色，一種是原始純色，另一種是由原始顏色復(fù)合而成的顏色。 5. 沒有光本身是紅色的。 紅色是由各種顏色的光按適當(dāng)?shù)谋壤旌隙傻摹? 6. 這可以解釋棱鏡產(chǎn)生各種顏色的現(xiàn)象以及彩虹的產(chǎn)生。 7、自然物體的顏色是因?yàn)槟承┕獾姆瓷浔绕渌獾姆瓷湫 ? 8. 將光視為一個(gè)實(shí)體是有充分理由的。 牛頓的推論相當(dāng)全面，而且論證也很充分。 而當(dāng)時(shí)的人們無(wú)法接受，因?yàn)樗婕暗街惺兰o(jì)以來(lái)關(guān)于光的本質(zhì)的各種爭(zhēng)論。 牛頓沒有對(duì)這個(gè)問題做出定論，但他的推論與光的本質(zhì)密切相關(guān)。
牛頓關(guān)于光和色的理論對(duì)于當(dāng)時(shí)的人們來(lái)說(shuō)過(guò)于新穎，質(zhì)疑和批評(píng)不斷地攻擊牛頓。 有人認(rèn)為牛頓波譜實(shí)驗(yàn)沒有考慮到太陽(yáng)本身的張開角度，有人認(rèn)為波譜拉長(zhǎng)是一種衍射效應(yīng)，也有人認(rèn)為可能是太陽(yáng)光中云層的反射。天空。 胡克是對(duì)牛頓最挑剔的。 他覺得牛頓的實(shí)驗(yàn)并不具有決定性，可以用其他理論來(lái)解釋，但牛頓的理論很難解釋膠片的顏色。 于是幾年后牛頓又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。 他拿了一個(gè)又長(zhǎng)又扁的棱鏡，這樣它形成的波譜就相當(dāng)窄了。 當(dāng)屏幕放在位置1接收光線時(shí)，你看到的一直是普通光，但是當(dāng)屏幕換到位置2時(shí)，你可以看到分解的光譜。 這樣，由于只涉及屏幕的角度，因此結(jié)果與棱鏡無(wú)關(guān)，這也回應(yīng)了懷疑者的指責(zé)。 牛頓的光學(xué)研究具有獨(dú)特的風(fēng)格，他在光學(xué)領(lǐng)域的成就體現(xiàn)在1704年出版的《光學(xué)》一書中。該書的副標(biāo)題是：《關(guān)于光的反射、折射、屈折和顏色的論文集》。 本書分為三部分，第一部分收集了棱鏡光譜實(shí)驗(yàn)。 正如牛頓在書的開頭所說(shuō)：“我的計(jì)劃不是用假設(shè)來(lái)解釋光的本質(zhì)，而是用推理和實(shí)驗(yàn)來(lái)提出和證明這種本質(zhì)。” 在第一卷中，牛頓總共提出了19個(gè)命題，33個(gè)實(shí)驗(yàn)，他用大量頁(yè)數(shù)詳細(xì)描述了實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法和觀察結(jié)果。 牛頓有一句座右銘：“不要做出錯(cuò)誤的假設(shè)”（）。
他的光學(xué)研究從實(shí)驗(yàn)和觀察出發(fā)，進(jìn)行歸納和綜合，總結(jié)出一套完整的科學(xué)理論。 歸納法是科學(xué)研究的重要方法之一（當(dāng)然不是唯一的方法），牛頓對(duì)色散的研究為后人樹立了輝煌的榜樣。 牛頓非常善于總結(jié)科學(xué)研究方法。 他在解釋自己的方法時(shí)寫道：“在自然科學(xué)中，就像在物理學(xué)中一樣，在研究困難的事物時(shí)，總是應(yīng)該先使用分析的方法，然后再使用分析的方法?！?合成方式。 這些分析方法涉及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀察，利用歸納法從中得出一般推論，但不會(huì)對(duì)此類推論提出異議，除非這些異議來(lái)自實(shí)驗(yàn)或其他可靠的事實(shí)。 因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)哲學(xué)中不應(yīng)該考慮什么假設(shè)。 用歸納法從實(shí)驗(yàn)和觀察中論證并不是一般的推論，但卻是事物本質(zhì)允許的最好的推理方式，但隨著歸納法變得更加普遍，這些論證也顯得更強(qiáng)。 如果很多現(xiàn)象都沒有例外，就可以說(shuō)這個(gè)推論是普遍的。 如果在以后的任何時(shí)候，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)異常，那么就可以證明存在某種類型或其他類型。 存在例外情況。 使用這種分析方法，我們可以從復(fù)合材料到其成分，從運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)的力進(jìn)行演示。 一般來(lái)說(shuō)，從結(jié)果到原因，從具體原因到一般原理，還到最一般，這是就原因進(jìn)行分析的方法； 綜合法假設(shè)原因已經(jīng)找到，并被確立為原理，然后用這個(gè)原理來(lái)解釋由此產(chǎn)生的現(xiàn)象，并證明這種解釋的正確性。 》TE.Tamny，：'s，1983，第241頁(yè)。HS塞耶主編，牛頓自然哲學(xué)專著選，北京人民出版社，1974年光的色散是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)的，第212期