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光学简史之六:牛顿出世 对光学意味着什么?

时间:2017-01-20

在小学自然课上,我们都做过一个实验,把一束光照向三棱镜,在墙上就会出现赤橙黄绿青蓝紫七色,这就是光的色散实验,这也是我们第一次近距离接触物理学

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在小学自然课上,我们都做过一个实验,把一束光照向三棱镜,在墙上就会出现赤橙黄绿青蓝紫七色,这就是光的色散实验,这也是我们第一次近距离接触物理学大神。

因为这个实验最早是由牛顿做的。

不过这时候的牛顿还没有提出牛顿力学和微积分,就是说牛顿是以光学研究踏入科学殿堂的。

光的色散实验改变了之前人们对颜色的认知,之前人们都认为颜色是物体本身的性质,牛顿指出颜色是物体和不同色光的结果。

既然解决了颜色问题,那么肥皂泡薄膜的奇幻色彩又是怎么回事呢?可不是按照赤橙黄绿青蓝紫的顺序排列的,这个问题最早是由胡克最早研究的。

胡克在牛顿之前可谓是天之骄子,无所不通,号称“英国达芬奇”,当时就任英国皇家科学院实验室主任,不过胡克研究问题有一个毛病,就是对任何问题都是浅尝即止,这次他老毛病又犯了,所以这个问题就要由牛顿来解决了。

对于肥皂泡来说,难以取得定量的研究,因此肥皂泡这种东西,极其不稳定,说是转瞬即逝有点过分,可是也很难测量厚度和大小,于是牛顿采取了更稳妥的方法,就是磨制凸透镜。

牛顿取来两块玻璃体,一块是14英尺望远镜用的平凸镜,另一块是50英尺左右望远镜用的大型双凸透镜。在双凸透镜上放上平凸镜,使其平面向下,当把玻璃体互相压紧时,就会在围绕着接触点的周围出现各种颜色,形成色环。于是这些颜色又在圆环中心相继消失。在压紧玻璃体时,在别的颜色中心最后现出的颜色,初次出现时看起来像是一个从周边到中心几乎均匀的色环,再压紧玻璃体时,这色环会逐渐变宽,直到新的颜色在其中心现出。如此继续下去,第三、第四、第五种以及跟着的别种颜色不断在中心现出,并成为包在最内层颜色外面的一组色环,最后一种颜色是黑点。反之,如果抬起上面的玻璃体,使其离开下面的透镜,色环的直径就会偏小,其周边宽度则增大,直到其颜色陆续到达中心,后来它们的宽度变得相当大,就比以前更容易认出和训别它们的颜色了。

牛顿环

这个实验非同小可,这其实就是光的干涉现象,牛顿这时候已经走到了波动说的边缘,不过牛顿并没有立刻深入研究,因为这时候还有更重要的事情要做。

那个时候的显学是天文学,而观测星空则需要天文望远镜,毕竟不是每个人都有第谷那么好的视力,自从伽利略使用天文望远镜观测星空以来,天文学取得了飞速的发展,地心说也因此破产,但是天文望远镜的制造却遇到了瓶颈。

传说当年伽利略采用望远镜观测星空,取得了丰硕的成果,开普勒表示不服,于是向伽利略借望远镜,可是伽利略没借,开普勒无可奈何,可是开普勒为什么不自己造一个呢?

当时的天文望远镜采用的是格里高利折射式望远镜,由格里高利设计,胡克制造成功,可为什么格里高利不自己造一个呢?

因为制造望远镜就需要磨制镜片,而磨制镜片是一门高深的技术活,当时可没有加工厂给他们制造合适的镜片,这些天才的科学家们只好自己手工磨制,当时测量技术不佳,稍有偏差,镜片就报废了,无论开普勒还是格里高利都是没有一双巧手,所以只能设计而不能制造,非不为也,乃不能也。

而牛顿发现了牛顿环,就可以精密地检测镜片的精度,可以说,牛顿环就相当于一把尺子,这样就可以在磨制过程中不断调节,提高了磨制镜片的成功率。

虽然提高了成功率,但是磨制镜片还是一个麻烦活,牛顿干脆重新设计了天文望远镜,之前格里高利望远镜是折射式望远镜,需要多个凹面镜,牛顿改成了反射式望远镜,只需要一个凹面镜。

牛顿反射望远镜

当少年牛顿意气风发地新式望远镜摆放在皇家科学院案头,以为会获得掌声,结果却遭到了胡克的打击,因为牛顿的发明侵入了胡克的最得意的科学领域,从唯我独尊变成处于下风,无论谁都会有些懊恼,但是胡克的反应却有些过分了,这样牛顿也非常生气。

光学的发展就好像是走在一条蜿蜒的小路上,虽然走得慢,但是大家都在朝着一个方向前进,但是历史却因为这一次纷争改变了。

对于光的本性,胡克首倡波动说,法国科学院掌门人惠更斯也支持胡克,本来牛顿环实验也是支持波动说的,但是对手支持的就应该反对,牛顿则提出了微粒说,认为光是一些微小的颗粒。

其实牛顿提出微粒说也不是完全为了怼胡克,毕竟都是科学家,牛顿在提出微粒说的同时,也并没有明确反对波动说,而且微粒说更加符合我们的日常经验,光的反射现象可是微粒说最好的证据,我们都打过羽毛球兵乓球台球不是。

那么光到底是微粒还是波呢?这一场争论却吵了几百年。

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