牛顿，光微粒与颜色

惠更斯在《光论》中完全没有提到光的颜色的问题。今天我们知道，辐射的“色彩”这一基本特性与光的振动频率有关，彩虹的颜色对应于波长从0.4微米（蓝色）到0.7微米（红色）的辐射。惠更斯既无法估计也无法测量这样微小的尺寸，因此在其《光论》中，他并没有对光的颜色做任何解释。反而是并不相信光的波动性的牛顿于1704年在其《光学》一书中致力于解答这个问题。牛顿描述了他在1670年代进行的、关于白光色散的著名实验，惠更斯肯定也听说了这些实验。

《光学》一书的副标题“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论述”（ Treatise on the Refl ections，Refractions，Infl exions，and Colours of Light ）很好地总结了牛顿想要处理的问题。我将略过牛顿在这本书中提到的、关于光线在透明介质中传播规律的部分。牛顿采用了和笛卡尔类似的观点，他认为光可以被描述为一组在均匀介质中进行直线运动的粒子，并在接触界面时会受到改变其运动轨迹的影响，通过该“微粒假说”，他导出了正弦法则。在这个模型中，他认为光微粒在进入透明介质时会被一个沿着屈光面的法线方向的力所吸引，该屈光面将空气和介质分隔开来，于是，与费马和惠更斯相反，牛顿认为光在透明介质中的传播速度比在空气中更快。

正是对光的色散的分析，使得牛顿的这本书成为了物理学史上的伟大著作之一。牛顿在书中详细地介绍了他所做的那个著名的实验：用棱镜将太阳光分解成从红色到紫色依次展开的光谱。他描述了如何通过重新组合不同颜色的辐射来合成白光。他正确地解释了棱镜的色散特性，假设不同的颜色对应于入射角和折射角的正弦比的不同数值。换句话说，光在物质介质中的速度取决于其颜色。按照牛顿的说法，偏折角度更大的蓝光会比红光更快地穿过玻璃。当然，光的波动理论告诉了我们完全相反的结论。

牛顿还解释了，肥皂泡泡上跃动的五彩斑斓从何而来。他准确地描述了当白色的阳光通过放置在平面玻璃片上的球形透镜时他所观察到的彩色光环，这些光环后来被称为 牛顿环 。他还提到了光线在经过小型障碍物附近时通过衍射呈现的颜色，例如，当阳光以一定角度照射时，蜘蛛网上出现的虹彩。他还对孔雀羽毛的颜色产生了兴趣。我们现在知道，在上述所有情况中，都涉及了光的干涉和衍射现象，也都体现了辐射的波动特性。而牛顿这本书的矛盾之处在于，作者通过在当时的时代背景下堪称“极难实现的壮举”的精美实验，以详细又准确的方式描述了一些光学现象，而这些现象本身却是作者的“光微粒理论”无法真正解释的。

尽管牛顿未能提出令人信服的、关于光的色彩的理论，但值得注意的是，他非凡的物理直觉让他明白，在他的玻璃薄片实验中观察到的颜色必定取决于某种现象，这种现象让光微粒能够“感觉”到它们穿越的两个表面的间距。牛顿认为，在抵达入射面时，这些光微粒会在透明的介质中诱发一种扰动，他称之为“突发”（fit）。这种扰动从一个屈光面传播到另一个屈光面，并根据两个表面之间间隔的不同，导致微粒在入射屈光面上要么更易于被反射，要么更易于入射。这种“牛顿突发”可以表现为某种振动，引起一种强化或衰减的现象，导致微粒在入射和出射屈光面上被反射或透射。因此，牛顿理论认为，光是在空间和透明介质中传播的粒子流，但它们能够在其所穿过的物质以及观察者的眼睛中诱发具有振动性质的现象，在人看来就表现为不同的色彩。

有人说，牛顿是第一个通过这个非常定性的模型，窥见量子物理学中“波粒二象性”的人。这种论断太过夸张了。历史的事实是，这种“突发”的概念仍然是含糊不清的，牛顿只是把“光是由离散的粒子组成的”这一想法，牢牢根植入在他之后的一个世纪之内的、大多数科学家的头脑中。

但无论如何，牛顿关于光之颜色的研究导致了光学仪器的真正革命。他的棱镜实验是光谱学的起点，而光谱学是分析物质所吸收和发射的光颜色的科学。我在上一章中提到的，向我们揭示了宇宙中所存在的各种元素的夫琅禾费光谱（夫琅禾费线）是用19世纪的光学仪器记录下来的，而牛顿的棱镜就是其雏形。

在注意到折射望远镜的镜片由于玻璃中的色散而产生带有彩色边缘的像，即所谓的 色差 之后，牛顿决定用凹面镜取代这些仪器的镜头，通过反射而不是折射，在其焦点处形成恒星和行星的像。由于反射定律是完全消色差的（无论什么颜色的光，反射角都等于入射角），牛顿获得了更清晰的像。

表面为球形盖形状的反射镜或透镜只能不完美地聚焦光线，一点所成的像分布在一个体积有限的小空间中。为了消除这些球面像差并获得一个精确的焦点，牛顿意识到，他的望远镜的镜面形状必须是抛物线形的。这又是费马原理的结论。抛物线绕其轴线旋转所产生的旋转面实际上是一组点的集合，对于这些点来说，它们到焦点的距离和到垂直于轴线的某个平面的距离之和是恒定的。因此，根据费马原理，来自无限远处的某颗恒星的、沿着这个轴的方向射入的所有光线，都会准确地汇聚到焦点处。于是，牛顿发明了光学反射望远镜，它逐渐取代了折射望远镜，两个世纪之后，成为世界上所有主要天文台都会采用的观测仪器。

在伽利略和观测天文学萌芽的一个世纪之后，光学已经取得了巨大的进步。在概念层面，有两种光的理论相互对峙，分别有两位科学巨匠——牛顿和惠更斯——为其背书。第一种理论是微粒理论，在那个时代也称为 发射理论 ，而第二种理论则是光的波动理论。因为万有引力理论的成功，牛顿具有更大的名气和声望，因此大多数物理学家都采纳了他的观点。

牛顿以及他在18世纪的传承者们用于批判波动理论的一个论据是，它难以解释光的直线传播。声音是一种波，它可以绕过障碍物，即使墙壁将听者的耳朵与声音来源隔开，听者也能听到。但光的情况却不是这样。障碍物似乎界定了非常明确的阴影区域。惠更斯曾试图用他的次波原理说明，次波只在光线的方向上得到加强，但他的解释缺乏精确性，因为他既没有波长的概念，也因此没有能够真正地理解衍射现象。事实上，光确实可以穿透进入阴影区域，但要分析这一现象，需要进行惠更斯和牛顿都无法完成的、精细的定量实验。这些实验还要等待又一个世纪，由托马斯·杨和菲涅耳来完成。

在结束这场在“伟大世纪”期间光学的历史之旅之前，让我们来回顾一个天文学上的突破，这个突破进一步精确了罗默对光速的估算，那就是1727年詹姆斯·布拉德雷（James Bradley）对恒星光行差的测量。一颗恒星由我们所见的方位，取决于抵达我们的相应光线的方向以及地球在其公转轨道上的速度。让我们在一个简单的例子中估计这种效应，假设被观测的恒星处于天顶，位于与地球轨道速度正交的方向上。这个速度 v 大约是30公里/秒，大概是光速 c 的万分之一。然后，来自恒星的光线在地球上的观测者看来，会相对于天顶的方向倾斜一个小角度，该角度与 v / c 成正比，大约是20弧秒。随着地球绕太阳过程中运动方向的变化，这种偏折以年为周期发生着振荡。因此，它使天穹之上的恒星进行着看似椭圆的运动。这种观测给出的真空中的光速数值与我们今天所知道的非常接近。

这种恒星光行差的效应与我们日常生活中可以观察到的一个现象相似。假设你开着敞篷车出去兜风，突然下雨了，雨水垂直落向地面，却会以一定的倾角向你淋来。车速越高，则雨滴落向你身上的方向与垂直方向形成的倾斜角越大。即使没来得及拉上敞篷车的篷顶，挡风玻璃也在一定程度上能够为你挡住一部分雨水。布拉德雷的观测似乎一度支持了微粒假说，因为这相当于将光微粒等价于上述例子中的雨滴。但实际上，我们也可以证明，恒星光行差也能够与光的波动假说相互兼容。应该注意的是，恒星光角度上的光行差并不是由于地球相对于恒星的位置变化而产生的视差效应。视差与光行差不同，前者取决于恒星与地球之间的 距离 ，而光行差效应只取决于地球的 速度 ，这个数值对于我们在同一方向上观察到的无论远近的恒星都是一样的。如我们所见，对于距离我们最近的那些恒星来说，视差效应最多也只有几分之一弧秒，而对于遥远的恒星来说，我们则完全无法探测它们的视差。

由于我们刚才再次提到了光速，因此请注意，为了在微粒理论和波动理论之间作出选择，似乎有必要进行相关的实验。测量物质介质中的光速在当时可是一项至关重要的检验，因为两个相互竞争的理论做出了截然相反的预测。而这样的实验无法通过天文学观测来完成，而只能在实验室中进行。这个实验在150年后才得以实现，不过，正如我将要讲到的，在这个实验之前，已经有其他的决定性实验解决了惠更斯和牛顿之争。

除了惠更斯和牛顿之间的理论争论之外，关于光，还有其他的谜团仍未解决。如果光是由粒子构成的，它们的本质是什么，它们是如何携带不同的颜色的？如果它是一种波，那么不同的颜色到底来自于这种波的何种性质？以及，这个让光得以传播的神秘以太到底是由什么构成的呢？它既要有极尽的刚性，才能够以如此巨大的速度来传递光的振动所引发的冲击，同时它又必须由极尽稀薄的元素构成，因为它能穿透所有透明的物质媒介。此外，人们还并没有理解光的双折射的细节，也没有阐明光偏振的概念。

在讲述这段历史的过程中，我展示了科学的不同领域是如何相互联系的，以及如何相互依赖以取得进步。当时并不存在“跨学科”的概念，但这一概念却自然而然地被践行着。那时候，像伽利略、惠更斯或牛顿这样的科学家可以掌握的学科种类涵盖的范围如此之广，几乎囊括了他们那个时代所有的科学知识。同样令人着迷的是，我们看到一次观测、一个实验是如何引导出另一个观测、实验——而这往往是由于人们发现了一些出乎意料的东西，还有，我们也意识到，那时的科学有很大的程度是被好奇心所推动，被渴望更深入地了解自然及其规律的人们所推动。

继续沿着光实验的发展脉络，我将在下面的章节中讲述上述谜团是如何被解开的，以及这如何导致了其他更深刻的问题的提出，从而引发了现代物理学的诞生。在继续踏上这条路之前，让我们在“伟大世纪”和“启蒙时代”再停驻一会儿，聊一聊人类的另一次冒险，它似乎与这本书的主线相去甚远，但最终将让我们回归主题。我要讲的就是对地球的测量，在17世纪下半叶和整个18世纪，物理学家、天文学家、数学家和探险家们都对这个问题着迷，他们中的一些人，在光的历史上举足轻重。 wR5X+e5WOKtqJMx7V94+O4uUBkDpHF0Vm4sEzRV1+6UnQ+JIapOyQ9b5MJ2hZPL7