世纪光学的基础

天文学后，17世纪中取得最大成就的科学是光学，牛顿再一次成为主要的贡献者。我们已经看到，早期的希腊人已经知道了光传播的法则——在空旷的空间中直线穿行，在遇到镜面时反射，与反射面形成的入射角和反射角相等。然后是托勒密，或者他同时代的某个人，研究了折射，并得到一个规则，尽管不够精确，但仍然可以为其目的服务。

在这些规则基础上，光学在后来的希腊人和阿拉伯人中——尤其是阿尔哈曾，以及后来培根之后中世纪欧洲科学家中，得到某种程度的集中研究。他们了解到如何制作透镜和普通镜，并了解如何应用这些来改变光线的聚集和分散，以及将光线聚焦，这些研究在17世纪早期望远镜发明，以及后来伽利略、开普勒和惠更斯等人的改善中达到顶峰。1621年，雷顿大学数学教授威里布里德·斯涅耳发现了正确的折射定律，但并没有发表，直至笛卡儿在1637年将之公开，但是否出于独立研究，不得而知。

在此基础上，光学仪器技术开始发展，其基本原理在17世纪末已经确立，其晚期的发展详情和技术在此处不赘述。

所有这些构成了我们所称的“几何光学”，即探讨光线在没有遇到新媒质并发生折射的情况下，以直线传播时所经历的轨迹。还有光学的第二分支——“物理光学”，主要探讨一些特别的问题，如什么是光，光为什么这样，而这些在17世纪初之前还没有进入研究范畴。

我们已经看到欧几里得和托勒密怎样对光和视觉的本质产生了错误的认识，他们遵从毕达哥拉斯派学者，认为光从眼中发射出，并一路探索，直至落到眼睛所搜寻的物体上。但是阿尔哈曾在一部专著中对视觉的行为做出了正确的解释，该专著仍然是17世纪光学的标准教材。

开普勒在《对维泰洛的补充》（1604年）和《折光学》（1611年）中对阿尔哈曾的学说做了进一步阐释，他将视觉描述为“视网膜的模拟感知”，并说，眼睛中的晶体形成了视觉中物体的影像并作用在视网膜上。他认为，视网膜包含一个精密的“视觉神经”，当光线通过晶体落在其上时会分解，如同可燃物质在光线通过聚焦镜落在其上所发生的化学反应——“视紫红质”令人吃惊的前身，现在已知，其中的反应会产生视觉。他指出，在“视觉神经”中所发生的化学变化必定非常持久，因为一道亮光后视网膜的影像会持续片刻。他非常准确地解释说，近视眼和远视眼是眼中晶体将光线带到焦点，而该焦点没有位于视网膜上。他还同样非常准确地解释说，我们可以判断一个物体的远近，是因为我们通过两眼看到该物体时的方向有差异——我们无意识中解决了该物体为顶点，两眼连线为底边的三角形的问题。

这些都代表着长足的进步，但还不能令所有人信服。尤其是，笛卡儿回到了以前的观点，认为光线是从眼中发射出来后。他说，我们看到周围的物体，如同盲人用木棍感知周围的物体。他对这些观点做出具体说明，认为媒介中粒子与粒子之间压力的传输造成了光的即时放散，而这些媒介充满所有空间。在这个错误的基础上，笛卡儿构建了错误得令人难以置信的关于光学基本定律的证据，但这些证据获得了某种声誉，并无意中延迟了人们对罗麦发现的光速理论的接受。他对光的本质进行了一些思考，并猜测，颜色的差异来源于以不同速度旋转的粒子，旋转速度最快的粒子在眼中形成红色，而较慢的旋转依次形成黄色、绿色、蓝色。

但是至此还没有给出令人信服的答案来回答“什么是光”，或者对颜色的来源和含义做出令人满意的解释。很多猜测在流传，但没有足够的实验来验证。随着世纪下半叶的到来，需要对此类知识的认识。

格里马尔迪（1618—1663）　1665年在博洛尼亚出版了一本书，题为《光、颜色和虹膜的物理数学概念》，他是一位大学数学教授，耶稣会会士弗兰西斯科·格里马尔迪的遗腹子。该书含有对“衍射”现象的描述——即光的漫反射特性的最明确最令人信服的显现，并给出一系列关于此题目的实验，但我们只对其中一个实验进行描述即可以看到全貌。

图6-3

在图6-3中，两个带有小孔a、b的屏幕置于横截面上，在它们下面是第三个屏幕，与二者平行，没有任何改变。如果一束强光从顶部屏幕的开口处直接射入，底部屏幕的部分会被照亮，而部分仍然保持黑暗。如果光线沿直线传播，可以明显地看到c的每一部分都会显示某种程度的光亮，无论强弱，但在c外面的部分则保持黑暗，因为光线只有在弯曲某个角度后才可以到达这些区域。但是格里马尔迪发现，事实上，光亮的部分延伸出c外很大一部分，这表明，光线并不限于直线传播。格里马尔迪和接下类的实验都是这个实验的变型，并都得出了同样的结果。格里马尔迪进而发现，在阴影边缘没有光亮和黑暗的突然转换，而是一个彩虹状的色带，他认为这一定和彩虹同理。阴影的边缘不仅出现颜色，而且还显现出光亮和黑暗的有节奏的交替，他由此想起当石头投入池塘所造成的涟漪圈，并提出，如同列奥纳多之前所提出的，光与波动有某种程度的联系。他通过将太阳光在事先刮有不同平行线的铁片上进行反射得到了类似的色带，这个草草制成的工具就是衍射光栅的最初雏形，并构成现在每个光学实验室的设备的核心部分。

这里有很多关于光的本质和颜色的含义的实验证据，但是格里马尔迪没有提出有用的建议，只是坚持说颜色是光的修正现象，某种程度上是物质精细结构的结果。

虎克　在相同的1665年，罗伯特·虎克在英国发表了《显微图谱》。他对不同类的从中可以看到闪耀色彩物质的薄层进行了实验——云母片、肥皂泡、漂浮在水面上的油层等。他发现，在每一点上看到的颜色取决于该点的层的厚度，在厚度缓慢改变的地方，当然有不断变化的颜色带，虎克发现在这样的地方，颜色是彩虹状，并与彩虹的顺序一致。

虎克想象到，白光是发光体的粒子快速振动的结果，这些振动从发光体中以球状振动的方式散开，当这些匀称的外流的振动被打扰时，颜色便产生了。“基本的颜色”，蓝和红，来源于以不同方式变得“倾斜和混乱”的振动——当振动较弱的部分首先穿过时出现蓝色，而最后穿过时出现红光。

牛顿　在所有这些混乱的思路中，出现了牛顿，对他而言，用爱因斯坦的话说：“自然是一部开放的书，可以毫不费力地读取。他将经验中的材料提炼为秩序所用的那些概念似乎是从经验本身自发流出，从他像玩具一样按顺序安排，并继而用充满爱心的细节进行描述的美丽实验中自发流出。在他身上集中了实验者、理论家、机械师和至少是进行展示的艺术家，他在我们之前，强大、确定，独自一人。”

还在剑桥大学做学生时，牛顿已经读了开普勒的《折光学》，并亲自投入打磨镜片和思考望远镜的性能。1666年，他在剑桥大学附近的斯陶尔布里奇市场买了一个棱镜，并希望“用之尝试颜色的令人兴奋的现象”，他使用这个词是因为当时棱镜色彩已经广为人知。的确，钻石商业总是尽力将钻石进行切割以最好地显示出颜色。在本地市场上出售的棱镜可能只是一个玩具，但正是通过这个透镜，牛顿发现了颜色的秘密。

开始似乎没有任何发现。在买回去不久，他就开始帮助剑桥大学的前辈数学主席巴罗教授改进光学讲义并将之发表。1669年这些讲义最终出版时，牛顿继任了巴罗的教授席位，而后者在书中对颜色的含义表达了非常奇异的观点——白光是充足光，红光是被阴影一样的细缝所打断的浓缩光，蓝光是稀薄光，如同在蓝色和白色粒子交替出现的物体中，在洁净的介质中，在白盐与黑水混合的海中，等等。我们很难想像，如果牛顿当时有更好的知识，他会将这些都予以发表。

他关于棱镜实验的说明出版于1672年，这是他第一个科学报告，也是他为数不多的没有任何压力和朋友催促的报告。这份报告受到激烈抨击，将他陷入众多争议，使他对所有的科学讨论感到厌烦，并出于对批评和争议的恐惧，对出版任何材料都产生抗拒，他对批评感到手足无措。

他的第一个实验解释了颜色的真实含义，他在自己房间的页窗上开了一个小洞，一束光线射进屋内并穿过他的棱镜，（图6-4）他发现光线射出时散成一束彩色光——光谱——彩虹的所有颜色，从红色到紫色，都以彩虹中同样的次序被看到：光束的长是宽的5倍。任何人都可以做同样的实验，很多人也的确做了这个实验，不同的是，牛顿做这个实验是想找到光谱怎样会以这种方式散开。棱镜的存在当然使原来位置的紫光和红光出现了位移，但是被拉出的光显示，紫光被拉出的距离比红光更远。秘密的第一部分现在显现出来——不同的颜色意味着不同的折射度，在遇到折射面时，紫光折射角度比红光大。为了检验这个结论，牛顿令不同颜色的光再一次通过折射面，并将该直射面的角度设为与前折射面成90°。他这样做只是想看看它们是否再一次产生同样角度的位差，或者会产生新的其他变化，比如，继续分解成为其他颜色。他发现，光的不同颜色在通过第二折射面时保持了各自的独立性，红色仍为红色，紫色仍为紫色，每一种都与前一次经历了同样程度的折射。他通过一系列设计完美的实验继续扩展和检验他的发现，最终宣布他的结论，太阳光是彩虹光的混合体，而且各种颜色是稳定的——或者，如同牛顿所说的“原生原态”，即不同成分的质量，它们都经历不同程度的散射。

图6-4

这至少可以部分回答了“什么是颜色”这个问题，但是更加基本的问题，“什么是光”仍然未得到解答。

现在，尽管牛顿的颜色理论得到了所有可以相象到的方式的检验，但还没有令所有人信服。虎克等人批评了这些发现，继而产生了持久的讨论，其中光的本质不断被提出来。牛顿曾经对这项研究报迟疑态度，但是现在为自己的颜色理论进行辩护时，不得不提到其他人的理论。例如，他在1675年建议说，上面提到的虎克的假设可以这样得到最佳解释：试想，物体可以活跃起来，从而在“不同深度或亮度”的介质（以太）上产生振动，其中最大的部分产生红色的感觉，最小或最短者产生深紫色，适中者产生适中的颜色，如同空气中的波“由于其波长大小不同产生不同的音节”。简而言之，他认为，应该将不同颜色与不同波长的介质振动联系起来，这正是一个世纪后波动理论的内容。但牛顿提出这些关于光和颜色的解释是作为虎克理论的改进，而不是自己的信仰。他自己也的确说过一次，他更喜欢另外一个理论，即粒子和波动理论。光以粒子的形式开始，刺激介质中的波，但自己不是波，“假设光线是从发光物质中向四处射出的小颗粒，当它们遇到任何折射或反射界面时，必定在介质中造成振动，如同石块在水中激起振动一样”，他提出，很多光学现象可以通过这样一个假设解决，即不同振动具有“不同深度或厚度，因为它们受到了所说的不同大小和速度的微粒子线的激荡”。他说，如果他要做出一个假设，那就应该是前面这个，但“会解释得笼统一些而不会确定光是什么，同时又要比仅仅说‘某种在介质中产生振动的东西’更深入一些”。不管怎样，他为那些需要假设的人做出了假设。

他继而提出，有一种以太媒介，大约和空气的组成一样，但是更加稀薄、精细，有弹性且坚韧。它并非固定不变，但是含有“以太主要的黏性物质”，与不同的以太精体混合。牛顿认为，电和磁现象和引力都似乎是这种混合物的有力证明。关于电现象，他认为，当一块带电玻璃吸引小的纸屑，纸的运动一定是“在玻璃上凝结的某种细小，但经过摩擦变得稀薄的物质”所引起的。这种稀薄了的以太可以在周围的空间中流通，将纸带走，最终回到玻璃并重新凝结……关于引力，他认为地球的引力吸引的产生可能是由于“其他某类以太精体，不是黏质类以太，而是某种通过它散布的非常稀薄精细的东西，也许是具有油膏性质或黏而持久并有弹性的物质的不断浓缩而造成的”。但是光“不是以太，也不是以太的振动活动，而是从流体中传播的某种不同类的东西”。这可以被想象成“不同流散质的综合体”或“不可想象的小的快速运动的不同大小的粒体”，它们从发光体中弹出，不断增加速度，直至以太介质阻止它们——如同落入水中的物体不断加速，直至水的阻力与引力相等。

这都非常模糊，但却是牛顿做出对之表示修正过的认可的唯一关于光的假说，这是关于光的粒子理论和波动理论的奇怪的混合体，显然是为了确保两种优势，但其目的只是有助于想象，而不是绝对事实的陈述。

关于这一点，和许多其他的牛顿没有自己明确观点的问题一样，他以“问询”形式提出了建议，这些都发表在他的《光学》一书的末尾。在问询18中，在提出辐射热的传导媒介是否是“比空气更精细的某种介质”后，他继续说：“这种介质难道不是与使光发生折射和反射，并且光通过其振动传播热到达物体的介质一样的吗？”但在问询29中，他问道：“难道光线不是从发光体发出的非常小的粒体吗？这样的粒体以很好的线形穿过统一的介质，而不会弯曲进入另外的阴影处，这正是光线的本质。”最后，在问询30中：“粗大和轻小物体不会互相转换吗？物体不会从进入它们组织的光的粒子中收到它们大部分的活动吗？”

这似乎是牛顿关于光的本质的最后思考，但它们的提出显示出很大的猜测性。在《光学》的大部分章节中，他都非常谨慎地坚持说，他的结果不依赖于任何其他关于光的本质的特殊见解，而且明显地避免使用看来似乎在暗示某种特殊观点的字眼。这个浅显的事实似乎是，他从未能确定光是粒子还是波动。他通常的写法是，从粒子开始，而终结于粒子在以太中激起的振动。但鉴于粒子比振动更易于理解，并对光的线性传播做出了更为明显的解释，因而关于牛顿宣布光为粒子的说法才散布开来。

250年后的科学再一次经历了这个阶段：无法确定光是否包含波或粒子。某一段时间内，人们甚至认为它包含两种，但我们现在知道，两者都不包含。在当时，常见的说法是，牛顿赞同粒子理论而抛弃波动理论表现出巨大的学识和卓越的远见，但是牛顿从没有这样做，即便他做了，赞誉之词也不是他希望的。牛顿的目标是，在有生之年找到一个理论来解释关于光的所有知识。在这些关于光的事实中，我们现在知道，不止一个要求使用粒子理论；每一个都毫无例外地可以基于波动理论进行解释，并在后来也的确得到了这样的解释。那些显示出单纯的波动理论不足以进行解释的现象直到19世纪末才发现，这样，牛顿对波动理论的抛弃和对粒子理论的推崇一定非常严重地阻碍了光学的进步。

惠更斯（1629—1695）　当牛顿仍然为光的本质进行苦思时，在他发表《光学》之前，另外一个理论正在荷兰由克里斯汀·惠更斯，一个外交官兼诗人的儿子进行构建。惠更斯在光中没有看到任何粒子，并满足于将之完全认定为波动。他的理论首先发表在1678年他发表巴黎科学院的一篇文章中，然后其完整和最终版本出现在1690年的《光学论述》。与笛卡儿、牛顿及其他的同时代人一样，他认为所有空间都充满了某种介质——“一种精密和有弹性的介质”，并提出一个发光的物体以完美规则的时间间隔在这些介质中造成搅动。这些规则的律动在介质中产生规则的波动，并以球形波的形式向各个方向传播。惠更斯提出，波上的每一点都受到搅动的影响，而搅动本身又形成球形波的一个新源点，这样波形成自己传播。

根据这个推测，他可以解释很多光的特性，光的反射定律得到解释，而光在较稠密介质中的传播速度较慢的理论立刻引导产生了斯涅尔的折射理论。惠更斯还给出证据证明光沿直线传播，但这遇到了某些反对，在该理论完全失败前出现了一些其他现象。

光的偏振。如果一片玻璃板放在印刷纸的上面，我们可以清晰看到字母，尽管可能由于散射会出现某些位移，但是，如果一片方解石放在印刷纸上，我们会看到双层字母，因为方解石有一个特性，可以将穿越其中的光线分解成向不同方向分散的两种光束——“双倍折射”特性，由丹麦物理学家伊拉斯莫斯·巴尔托林在1670年发现。惠更斯的理论非常成功地解释了方解石的某些特性，但是完全不能解释其他现象。牛顿的理论失败了，尽管他比惠更斯更接近真相，因为牛顿提出这种现象需要光线有“边”。他提出我们现在所说的“光的偏振”，这只需要一个非常简单的解释，但牛顿错过了。

在平稳的波中，空气的任何一个粒子都以“纵向”进行运动，它在波传播的方向上来回运动。例如，在钟的声波中，空气的每一个粒子都交替做向着钟和背离钟的两种运动，这与池塘的波不同。波在池塘中沿着池塘表面传动，但水的单个粒子不是这样，它们的运动是上下方向的，也就是与表面呈直角，它“横截”过波运行的方向。

惠更斯的波是纵向运动，但是虎克现在说光可能包括横截波，这样介质的每个粒子都与光传播的方向成直角运动，这意味着，在牛顿看来，光线有“边”——在粒子运动的方向上有两个边，在与此成直角和与波的方向成直角的方向上和有另外两个边。

如果将虎克和牛顿的这些设想与惠更斯的观察结果结合，光的理论可能会建立在一个比较令人满意的波动基础上，因为当时发现的现象还没有这个理论所不能解释的。但情况是，粒子理论大行其道，可能是因为得到了牛顿这样的权威学者的支持，并一直占据重要地位直到下一个世纪末，即杨（1773—1829）和菲涅尔（1788—1827）提出，已知的所有现象都可以用一种纯粹的波动理论来中和的时候。