科学元典:《牛顿光学》导读

科学元典:《牛顿光学》导读

2016-01-31 15:07:00  科学网/中国科学报
本文作者:周雁翎

2016-01-31 15:07:00
作者:周雁翎
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 这个世界上有很多经典,有很多科学,但只有一部“科学元典丛书”,它被摆在习近平主席书架上。这套涵盖了近代科技革命到二战时期400多年的科学经典丛书,由中国科学院大学人文学院任定成教授主编。它们安静地站在时空深处,无声诉说着被雕刻的时光,见证着科学的历程。今天我们向读者推荐的是这套丛书中的《牛顿光学》。

100年前,世人自以为有资格对牛顿在理论物理方面的工作给予最后评判。他的引力定律往往被看做最伟大的科学发现。然而,提及牛顿的光学著作,我们的先辈们谈起来就不那么热情了,它的许多光辉成就是确凿无疑的,但是普遍认为牛顿由于赞成光的微粒说而使自己受到损害,而微粒说是绝对错误的。因此,在19世纪后半叶,在《原理》的一些部分仍然为年轻人所正规地学习的同时,《光学》却多少被看做一本仅仅为科学史学家感兴趣的书。
二十世纪初光学理论的进展对旧派物理学家来说令人惊讶。光的微粒观念在消亡一个世纪之后于1905年复活了;当时爱因斯坦借助于普朗克的量子原理解释了光电效应,因而导致假定光“量子”的存在。他的构思被实验特别是被“康普顿效应”充分证实。与此同时,证明光由波组成的较老的实验也没有失效;因此我们被迫承认波动说和微粒说两者都是正确的。光的波动说和微粒说共存的佯谬通过对基本原理作更严密的考察至少已经部分得到解释,导致人们认识到波粒二象性现象。并预计不仅在光的情况下有这种现象,而且在电子(它以前仅仅被看做微粒)的情况下,甚至在原子的情况下也都有这种现象。
这一切对牛顿光学的修正意见具有影响。现在让我们尽我们所能,来追踪牛顿的思想发展。
牛顿通晓光学开始于对开普勒的《屈光学》(Dioptrice)的学习,当时他还是一名剑桥大学的学生。那时正确的折射定律还没有发现,只是假定为折射角正比于入射角;当入射接近于垂直时,它等价于正确的定律;而借助于这一假设开普勒给出了透镜和折射望远镜性能的一个正确解释,同在1611年出版了斯帕拉托大主教安东尼奥·德·多明尼斯的《视觉范围和光度》(De radiis visus et lucis),它给出了最初的对虹霓的大体正确的解释,并可能引起了牛顿对大气光学的兴趣。 也许对牛顿更有激励作用的是笛卡儿的著作,其《屈光学》(Dioptrique)和《大气现象》(Météoτes)1638年在莱顿出版。另外,从1664年起牛顿在剑桥曾接受卢卡斯教授巴罗(Barrow,Lucasian Professor)的口头讲授,他讲的光学课文后来出版了(1669年)。还有三部值得注意的著作大致问世于牛顿已开始他的独立研究之时,即詹姆斯·格雷戈里(James Gregory)的《光学进展》(Optica Promota,1663),描述了他的反射望远镜;天主教耶稣会神父格里马尔迪(Jesui Father Grimaldi)的《物理数学》(Physico?Mathesis,1665),记载了他的折射发现;罗伯特·胡克的《显微术》(Micrographia,1665)表述了薄片的颜色,并通过引进干涉这一概念对其进行了解释,长期以后一个完善的理论就以它为基础。

《牛顿光学》,北京大学出版社出版,周岳明 等译

牛顿本人作为一个初期的光学工作者的活动看来开始于1663年,当时他开始磨制透镜并对望远镜的结构和性能感兴趣。他感到降低和消除色差的需要,在1666年初(那时是23岁)他购买了一块玻璃棱镜“以此来试验颜色现象”。为此目的“弄暗我的房间,并在我的护窗板上开一小孔,让适量的太阳光进入,我将我的棱镜放在阳光进入处,于是光会因此折射到对面墙上。”牛顿提出这样一种观点,通常的白光确实是每一种不同颜色的光线的混合,光谱的伸长是由于玻璃对这些不同的光线折射本领不同。这一发现是他的第一篇科学论文的主题,它发表在1672年的皇家学会《会刊》中。它的出现引起了一场尖锐的争论。特别是胡克激烈地指责它;而随它的发表而来的不愉快的结局与后来牛顿曾表示不情愿将他的结果公之于世很有关系。就像他的追随者麦克劳林(Maclaurin)所说,“在他的青年时代,他的极好的发现所遭到的激烈的反对,使世界多年丧失它们的充分报道,直到在学者中出现了一个较大地接受它们的倾向,和由于在争论中某个出版物上的一种见解可能涉及到他,而导致他起来保持他所作出的其他重要创造。”这时事实上他认真地打算一概放弃研究。“我打算,”他写信给奥尔登伯(Oldenburg)说,“不进一步挂心哲学问题:而因此我希望,如果你发现我不再干那类事的话,你不会为此生气。”
在这场讨论的过程中,牛顿乘机更充分地说明他关于光的本性的观点。胡克持着光是一种物质材料的学说来责难他。事实上牛顿这时非常不喜欢较为猜测性的那类假说,他的目的是创造一种直接基于观测而不含有就事物的隐藏的机制所做的一切想象的理论。牛顿认为单色光按本性实质上是周期性,而且周期的不同与颜色的不同相对应。
甚至牛顿同代人中最卓越者,也极难接受他的光具有无数不同的、独立的、不能互相转变的颜色,并为某一确定的可折射性所表征的学说。甚至惠更斯在1673年说过“一个可以解释黄色和蓝色的假说,理应足以解释其余所有的颜色。”
普通的白光是不同可折射性的光线的一种杂色混合这一发现,导致牛顿更充分地理解到消除透镜色差的困难。1668年他发明了今以他的名字命名的反射式望远镜,在说明书《关于一种新的反射折射望远镜的说明》中指出“物体被放大约38倍,”而“一架长约两英尺的普通望远镜只能放大13或14倍。”
1675年年终,牛顿向皇家学会送交一篇论文。文中假设了“一种‘以太’媒质,从太阳和各行星进入到空虚的太空的过程中,它不断地变得越来越稠密”由此引起了引力,“每个物体都力图从该媒质的较致密部分走向较稀薄部分”然而不能设想“以太”本身的振动可以构成光,因为直线传播性无法由此得到解释。光被看做是“从明亮的物体传播出去的属于某种不同种类的东西”。“以太”是光和有质物体之间的媒介物。“以太”在关于光和引力上所引起的双重作用,在牛顿的思想中引起了对这两门学科的一种肯定关联。尔后的10年中当他发现万有引力定律——定律中没有提及“以太”——此时他开始把“以太”假说看作是某种不必要的东西,并希望也从光学中摈弃它。这时反对“以太”的最有力的论据是“以太”几乎不能与他的新的天体力学协调起来。
牛顿在他的人生后期,更明确地倾向于一种纯微粒理论。牛顿比他意识到的更多地卷入微粒理论,这一点从他在《光学》第一编命题6给出的折射定律的证明中明显可见。在他的后期,对微粒理论的这种倾向性也表现在他对该学科的两大问题的处理上:薄膜的颜色和双折射。关于薄膜的颜色,通过发展胡克原始的干涉概念可以构思出一个基于波动原理的满意的解释:然而牛顿采取一条迥然不同的途径,并创造了易于反射和透射的突发理论,这可在《光学》第二编命题12中找到。他的理论在一定程度上对应于波动理论中被称为光的波长的量,但是诚如牛顿所说“这是何种作用或属性,究竟它在于光线或媒质,还是别的某些东西的一种圆周运动或是振动,我不在此查究”。关于双折射,它是在1669年由丹麦哲学家伊拉兹马斯·巴托林(Erasmus Bartholin)发现的,并由惠更斯于 1690年在他的《光论》(Théorie de la lumière)中进行了讨论。牛顿在他1717年出版的《光学》第二版中收入这一问题,他认为一条光线在晶体表面的折射取决于其侧面与晶体主平面的关系。这一卓越的直觉直接导致光的偏振的发现——偏振系牛顿在疑问29中参照磁体两极而取名。不幸的是,通过一系列对于牛顿时代的知识来说是颇为完善的推理,这一伟大的进展却导致他更为决意拒绝波动理论。
《牛顿光学》并非牛顿的初次尝试,因为在1692年2月的一天,牛顿在去小教堂之前在屋子里留下了燃着的火种。“不知怎么搞的,火烧毁了他的文稿,其中有一部关于光学的巨著,其内容包括作者20年的实验和研究成果”,其后继者,即现在这部著作的第一版,直到1704年才出版。我们可以认为这与1703年胡克的去世有关。因为我们知道牛顿不愿意发生论争,而胡克的去世为牛顿去掉了一个最执拗的对手。
对牛顿来说,自然界是一本打开的书,他能阅读其中的文字,并能通过实验将其生动地展示出来,然后将它们井然有序地记录下来。诚如爱因斯坦所说,牛顿的所有发现都已进入举世公认的知识宝库。他的《光学》记录了他在光学领域卓越的成就,这一著作受到人们的欢迎,因为单是这一本书就能使我们一睹这位伟人的个人活动而获得的乐趣。
原著导读:E.T.惠塔克(英国著名数学家,剑桥大学三一学院研究员)

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