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书名：牛顿光学（第2版）
作者：【英国】牛顿 【中国】周岳明
出版社：北京大学出版社
出版时间：2011-04-12
ISBN：9787301185377
本书由北京大学出版社有限公司授权掌阅科技电子版制作与发行
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牛顿（Sir Isaac Newton, 1642—1727）
自然界及其规律深深地隐藏在黑夜之中。上帝说：“让牛顿出生吧！”顿时光芒照亮万物。
——蒲柏（Alexander Pope, 1688—1744）
雕像“望楼上的阿波罗” 在古希腊神话中阿波罗是太阳神和光明之神。
位于英国林肯郡伍尔索普村的牛顿故居 1642年冬天，牛顿出生在这所房子里
1703年的牛顿画像
哲学家和科学家一直对光具有极为浓厚的兴趣，因为人们的视觉能够立刻提供宇宙存在的证明。
牛顿对于光学的最大贡献是精确地进行了光的色散实验，指出日光由不同颜色的光混合而成。这对于近代光学的建立至关重要。
1704年，牛顿出版了系统阐述其光学研究成果的著作《光学》。
视觉问题或许是最早的光学问题，古希腊人认为，视觉的形成是由于从眼睛里发出的光线触及了物体。相应的，中国古代也有“目光”“视线”一类的说法。
欧几里得 （Euclid，前330—前275），古希腊数学家欧几里得的《光学》（Optica）是保存下来的最早的几何光学著作。该书是和其他有关球面天文学的古希腊手稿一起被发现的，书中提到了光的直线传播，并描述了反射定律。
街景 欧几里得的《光学》在中世纪时有许多拉丁文译本，这为15世纪的直线透视画法提供了理论基础。在这幅15世纪著作的插图中，直线透视法得到了很好的表现。
托勒密和司天女神在一起 古希腊天文学家托勒密（Claudius Ptolemaeus，约90—168）在其著作中描述过大气折射，并指出折射角和入射角成比例。在这幅16世纪的绘画中，托勒密头戴王冠是因为人们常将他与古埃及托勒密王弄混。
在1535年出版的一本著作中的插图 图中描绘了一系列光学现象：可以点火的透镜、彩虹、反射和光线在水中的折射。
17世纪以来，由于天文学研究的需要，光学得到了较快的发展。
1604年开普勒在其著作《对威蒂略的补充——天文光学说明》（ Ad Vitellionem Paralipomena ）中认为从一个点光源发出的光的强度与其距离的平方成反比。光线能够传播到无穷远处，而且光的速度是无限的。
开普勒还解释了视觉的形成是由于光线经过眼球中的晶状体在视网膜上成像，并正确地描述了远视和近视的成因。
开普勒 （Johannes Kepler，1571—1630），德国天文学家，发现行星沿椭圆轨道运动，提出行星运动三定律。
17世纪使用的各种不同类型的眼镜
望远镜的诞生 图中荷兰眼镜制造商利帕希（Hans Lippershey，1570—1619）正在利用两个透镜放大远处的物体。通过将两个透镜安装在一根小管中，利帕希于1608年制成了世界上第一个望远镜。
伽利略手绘的月相变化（左）及太阳黑子图（右） 1609年伽利略制造出了自己的望远镜，并用于天文观测，取得了许多重大的成果。
笛卡儿 （René Descartes，1596—1650），法国哲学家、物理学家、数学家、生理学家。解析几何的创始人。《屈光学》是笛卡儿《方法论》的三个附录之一。在《屈光学》中笛卡儿提出了关于光的本性的两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质，另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。笛卡儿的这两种假说为后来的“微粒说”与“波动说”的大争论埋下了伏笔。
阿拉伯学者阿尔·哈森（Ibn-al-Haitham，965—1038），使用了球面镜和抛物面反射镜，注意到了透镜的放大效应和大气折射。他的主要著作《光学全书》讨论了许多光学现象，被翻译为拉丁文传到欧洲，对后来光学的发展有很大的影响。
绘画“哈森在研究光的折射” 画中，哈森将木棍放在水池中观察因光线折射导致的木棍弯折现象。
哈森著作中的眼睛示意图 今天眼科医生使用的“视网膜”“角膜”“玻璃体”及“前房液”等专业术语都是哈森首先提出的。此外，哈森抛弃了希腊人关于眼睛发出射线的说法，认为我们看到物体是因为物体反射出来的光。
彩虹 彩虹是由阳光射入空气中的水滴经折射和反射形成的彩色圆弧。常见主虹和副虹同时出现，颜色顺序相反。主虹在内，颜色鲜明，副虹在外，颜色较浅。中国古代称“虹双出，色鲜盛者为雄，雄曰虹：暗者为雌，雌曰霓”。彩虹的成因是早期光学研究的一个重要内容。
格罗斯泰斯特 （Robert Grosseteste，1168—1253），中世纪数学家、牛津的主教。他认为光的性质在自然哲学中占有重要的地位，并在其研究中特别强调数学和几何的应用。他认为颜色仅仅与亮度有关，推测彩虹是由于阳光通过充满水汽的云层时发生反射和折射而形成的。但是他并没有考虑云层中的单个小水滴。
格罗斯泰斯特认为颜色是亮度的变化，从白色到红色、黄色、蓝色、紫色，最后到黑色，亮度依次变小。
罗吉尔·培根 （Roger Bacon，约1214—约1292），英国思想家，实验科学的先驱，曾设想过眼镜、望远镜、显微镜等发明。
培根认为光速是有限的，光在媒质中的传播与声音的传播类似。培根在其著作中描述了如何用凸透镜放大微小的物体。他认为有可能用凸透镜矫正视力方面的缺陷。同时，他认为彩虹是阳光在一个个单个的小水滴之间进行反射所形成的。
1661年夏天，19岁的牛顿进入剑桥大学三一学院学习。当时关于光的主流假说来自笛卡儿的思想。1664年夏天，牛顿开始怀疑笛卡儿学说的精确性。他已经想到光有可能是一些微粒，这样就很容易解释光的反射、折射等现象。
1664年8月，牛顿在斯陶尔布里奇市集上买到一个三棱镜，开始按照笛卡儿的书做一些关于光的颜色的实验。
剑桥大学三一学院正门 （王克迪摄）
1664年，牛顿在进行三棱镜实验 图中左边是牛顿，右边是牛顿的室友兼助手威金斯。
剑河上“最美的桥” （王克迪摄）
1668年，牛顿取得硕士学位，1669年10月牛顿应聘剑桥大学卢卡斯讲座教授。牛顿担任卢卡斯教授的第一次上课就以光学为主题。牛顿的课以自己的实验发现为基础，并加以严格的数学支持，这很少有学生能听得懂，多数情况下，没有一个学生听课，牛顿就对着墙壁念讲义。
1669年，牛顿以金属磨成的反射镜代替凸透镜作为物镜，制成了第一台反射式望远镜。这架望远镜长6英寸，直径1英寸，放大率为30~40倍，而当时一架长约2英尺的普通折射式望远镜只能放大13~14倍。
1671年牛顿将望远镜带到皇家学会展示。反射望远镜的成功为牛顿赢得了极大的声望。1672年1月，牛顿当选为皇家学会会员。
令人惊异的是，这架望远镜的每一个零部件，甚至冶炼合金和研磨镜面都是牛顿自己完成的。
英国皇家学会保存的牛顿制造的反射式望远镜
凯克望远镜的主镜 位于夏威夷的凯克望远镜，其主镜直径10米，由36面1.8米的六角形镜面拼合而成。凯克望远镜属于反射式望远镜，也是世界上最大的光学天文望远镜。
1672年，牛顿发表了论文《关于光和颜色的理论》（ Theory of Light and Colours ）。
虽然白光通过三棱镜后形成彩色光谱的现象前人早已发现，但是牛顿首先将这一现象解释为白光是由光谱中各种色光混合而成的。这是牛顿对颜色理论的一个重要贡献。牛顿还以此解释了折射式望远镜的色散现象，他制造反射式望远镜就是为了避免物镜的色散效应，验证自己的理论。
在这篇论文里牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。
以色彩变幻为主题的抽象派绘画作品 从亚里士多德以来到笛卡儿都认为白光是纯洁的、均匀的，是光的本质，而色光只是光的变种。黄色和蓝色可以调配出绿色的经验也使牛顿同时代的人无法接受不同的色光相对独立的观点。
胡克 （Robert Hooke，1635—1703），英国物理学家，于1665年出版了一部重要的著作《显微术》。这是第一部论述显微镜使用方法的著作，书中包含很多光学的基本理论。
1672年，牛顿提交《关于光和颜色的理论》时，胡克任英国皇家学会秘书。胡克只是很快地审阅了一遍论文就草率地得出了否定的结论。胡克称，根据他自己的实验，甚至牛顿在论文中提到的实验，胡克都可以证明光是一种脉冲。胡克认为光是“以太”的一种纵向波，光的颜色是由其波动频率决定的。
第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。
波动学说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯认为：光是一种机械波，传播它的物质载体是“以太”。1678年，惠更斯公开发表了关于反对微粒学说的演说。指出，如果光是微粒性的，那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向，但当时并没有发现这种现象。1690年，惠更斯出版了系统阐述光的波动理论的著作《光论》。
惠更斯 （Christiaan Huygens，1629—1695）
绕过树枝的水波 衍射是波的一个重要特征。这幅图中树枝未能挡住水波的前进，能够说明波的衍射。早在1655年，意大利数学教授格里马耳迪（Francesco Maria Grimaldi，1618—1663）就已经发现了光的衍射现象，成为光的波动说的一个有力证据。
1687年，牛顿就出版了《自然哲学之数学原理》，奠定了整个经典力学的框架。牛顿成了当时无人能及的一代科学巨匠。然而牛顿的光学研究成果《光学》一书直到胡克去世后的第二年（1704年）才正式出版。此时，惠更斯也已去世，波动学说一方无人应战。整个18世纪，几乎无人向微粒学说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。右图为1704年《光学》第一版的封面。
牛顿的光学实验手稿
在《光学》中我们可以看到，牛顿是在反复设计并进行试验（第一编共十几个色散实验）之后才建立他的“光色理论”的。通常情况下，书中的每一个命题或定理，牛顿都会设计好多个实验。
16—17世纪，物理学之所以成为独立的严密学科，乃取决于实验观察和数学表述两个方面。近代科学的先驱伽利略首先倡导了两者相结合的研究方法；牛顿则完善和发展了这种研究方法。
虽没有确切的证据表明伽利略曾在比萨斜塔做过落体实验，但这一传说本身就足以说明伽利略所倡导的实验科学方法。这对于近代科
伽利略 （Galileo Galilei，1564—1642）意大利物理学家、天文学家、经典力学和实验物理学的先驱。
“牛顿环” 《光学》的第二编探讨薄膜的颜色。牛顿将两块不同的圆透镜叠合一起，使二者中心重合，四周则形成空隙（空气薄膜）。让日光照射上去，观察到如图所示的环形彩色条纹，用单色光照射时则看到明暗相间的条纹。这就是著名的“牛顿环现象”。《光学》详细记录了不同薄膜所呈现的“牛顿环”的不同构成、环的不同宽度、不同颜色环的排列次序等。
孔雀及其羽毛的精细结构 《光学》第二编第三部分命题5认为，物体的透明部分，按照它们的不同尺寸，反射一种颜色的光线，而透射另一种颜色的光线。
牛顿观察到孔雀羽毛的完全相同部分，按不同的方位显现出不同的颜色。牛顿认为，羽毛的颜色是由它们很薄的透明部分产生的，是源于非常纤细的毛发状细丝构造。
冰洲石晶体的双折射现象 图中冰洲石晶体后面的字母因光线的双折射现象而出现重影。在第三编疑问25中，牛顿描述了冰洲石的双折射现象，认为波动说无法解释其原因。牛顿还进一步思考，光线是否还具有未被发现的固有特性。
《光学》第三编共给出11项关于光线的拐折以及由此产生的颜色的观察结果，并提出31个发人深省的疑问，作为全书的终结。
利用晷影位置指示时间的水平日晷
影子的存在说明了光的直线传播。
牛顿持微粒说的一个直观原因就是光的直线传播。牛顿认为，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子。在《光学》中，牛顿用微粒说解释各种光学现象，这与牛顿所创立的质点力学体系是一致的。尽管与胡克、惠更斯等人论争，牛顿同时也考虑光在另一类条件下可能具有波动性。由本书清楚可见，经典力学的缔造者牛顿在光学研究上同样富有洞察力、预见性。应当说，牛顿的早期研究，特别是他的光谱分析以及对光之本性的探讨，对于后来光学的发展、甚至对于20世纪量子理论的酝酿和建立，都有一定的奠基作用。