牛顿对光学的研究

1.色散现象的早期研究

分散也是一个古老的话题，最引人注目的是彩虹现象。早在13世纪，科学家就讨论了彩虹的成因。

一位名叫狄奥多里克的德国传教士曾在他的实验中模仿天空中的彩虹。他用阳光照射一个装满水的大玻璃灯泡，观察到一条像天空一样的彩虹，从而解释了彩虹是由空气中水滴对阳光的反射和折射造成的。然而，他进一步解释说，他没有摆脱亚里士多德的教导，并继续认为各种颜色的产生是由不同的光阻挡造成的。光的四种颜色:红色、黄色、绿色和蓝色介于白色和黑色之间，红色接近白色，更亮，蓝色接近黑色，更暗。当阳光进入介质(例如水)时，它从表面反射红色或黄色，从深处反射绿色或蓝色。雨后，天空布满了水滴，当阳光进入水滴并折射回来时，人们会看到五彩缤纷的景象。

笛卡尔也对彩虹现象感兴趣。他用实验来验证西奥多里克的说法。

在他的《方法论》(1637)中，也有一个附录专门讨论彩虹并介绍他自己的棱镜实验，如图所示。他用三棱镜折射阳光，然后投射到屏幕上。他发现颜色不是由进入介质的不同深度造成的。因为无论光线照射在棱镜的什么地方，折射后屏幕上的图像都是一样的。不幸的是，笛卡尔的屏幕离棱镜太近了(只有几厘米)，他没有看到色散后的整个光谱，只注意到波段的两边分别呈现蓝色和红色。

1648年，布拉格的马西用棱镜证明了色散的成功。但他错了。他认为红色是浓缩光，蓝色是稀释光。有这么多颜色的原因是因为光受到不同物质的影响，因此呈现出不同的颜色。

17世纪，当望远镜和显微镜问世时，伽利略用望远镜观察天体和恒星，胡克用显微镜观察小物体，引起了广大科学界的兴趣。然而，当放大倍数增加时，这些仪器将不可避免地产生不良现象和色差，这使人们深感困惑。

人们不明白为什么颜色总是出现在图像的边缘。彩虹有什么共同点吗？这种现象有什么规律性？如何消除它？

这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的一位老师是数学教授，名叫艾萨克·巴罗(1630-1677)，他非常擅长光学。牛顿听他谈论光学，并写了《光学讲义》。牛顿非常喜欢做光学实验，并亲自抛光透镜。他想根据自己的设计组装旅行显微镜和望远镜。这一愿望激励他对光的颜色的本质进行了深入的讨论。

2.牛顿的色散思想

牛顿从笛卡尔和其他人那里得到了许多启示。例如，笛卡儿说:“光缓慢移动比光快速移动折射更多。”胡克描述了肥皂泡的颜色变化，并认为不同的颜色是由光脉冲引起的视网膜的不同印象。红色和蓝色是原色，其他颜色由这两种颜色合成和稀释。

牛顿注意到了这些陈述的合理成分，并提出了许多问题。

在牛顿的手稿中，记录了那一年的许多疑问。

例如，他问道:如果光是一个脉冲，为什么它不像声音那样偏离直线传播呢？

为什么弱脉冲比强脉冲移动得快？

为什么水比水蒸气更清澈？

为什么煤是黑色的，而它燃烧的灰烬却是白色的？

牛顿不满意之前对光现象的解释(包括他的老师)，所以他自己开始了一系列的实验。

3.牛顿色散实验

牛顿受到笛卡尔棱镜实验的启发，并从胡克和博伊尔的光谱实验中吸取了教训。胡克用一个装满水的烧瓶代替了棱镜。屏幕距离折射位置大约60厘米。波义耳将棱镜散射的光投射到1米多高的天花板上，而牛顿将距离延伸到6-7米，从外面通过孔进入的阳光穿过棱镜后直接投射到对面的墙上。通过这种方式，他获得了扩展光谱，而之前的实验者只看到两边都有颜色的光点。

牛顿的天才在于他意识到不同颜色的光有不同的折射特性。只有通过拉伸距离，不同折射角度的光才能被分解。

为了证明红光和蓝光具有不同的折射特性，牛顿用棱镜做了如下实验。如图所示，在一条黑线上画一条线，一半是深蓝色，一半是深红色。从棱镜上看，我可以看到这条线似乎断了。边界是红色和蓝色的交叉点。蓝色部分比红色部分更靠近山脊。可见的蓝光比红光折射更多。

为了证明色散现象不是由于棱镜和阳光之间的相互作用，也不是由于其他原因，而是因为不同的颜色有不同的折射率，牛顿做了另一个实验。他拿了三个棱镜做实验。这三个棱镜完全一样，但它们的放置方式不同。如图所示，如果色散是由于不均匀的棱镜或其他偶然的不规则性造成的，那么第二棱镜和第三棱镜将增加色散。然而，实验结果表明，原来分散的颜色在通过第二棱镜后恢复为白光，并且形状与原来相同。通过第三个棱镜后，它被分解成各种颜色。这证明了棱镜的功能是将白光分解成不同的成分，并将不同的光分离并组合成白光。

牛顿的科学判断与那个时候已经流传了几千年的概念不相容。预见到科学界的反对，他做了另一个令人信服的实验。如图所示，牛顿称这个实验为“判断性实验”。他拿了两块木板，其中一块放在靠近棱镜的窗户上。光平行进入，然后通过棱镜的小孔折射。不同的颜色以不同的角度投射在另一块板上。在大约4米的距离处，板上还有一个洞，一个三棱镜放在后面，用来折射入射光并到达墙壁。牛顿手里拿着第一个棱镜，慢慢地绕着它的轴旋转，使得第二块板上不同颜色的光依次通过到达棱镜。实验的结果是，被第一棱镜折射最多的紫光也被第二棱镜折射最多。因此，白光确实是由具有不同折射特性的光组成的。

在色散实验的基础上，牛顿总结了几个定律，即:

1.光的颜色随着它的折射率而变化。颜色不是光的变形，而是光的原始和内在属性。

2.相同的颜色属于相同的折射率。不同的颜色有不同的折射率。

3.颜色的类型和折射程度是光固有的，不会因为折射、反射或任何其他原因而改变。

4.必须区分两种颜色，一种是原色和纯色，另一种是由原色合成的颜色。

5.白色的光不是我。白色是由适当比例的光混合而成的颜色。

6.这可以解释棱镜形成的各种颜色的棉花现象和彩虹的形成。

7.自然物体的颜色是由于某些光的反射比其他光的反射大。

8.有很好的理由将光视为一个实体。