《人類科學技術史-232》16-17世紀光學（上）

16-17世紀光學（上）
1.光學發展的技術基礎和科學動力

16世紀與17世紀初，由于制鏡業的發展，磨制透鏡的技術有了顯著的提高，這就使近代早期的光學發展具備了最初的技術基礎。在此基礎上，荷蘭光學家詹森(1580-1638年）在十六世紀末發明了第一臺顯微鏡，而荷蘭的制鏡商利波爾塞在1608年發明了第一架望遠鏡。

第一代顯微鏡和第一代望遠鏡發明之后，其科學價值立即為一些著名科學家所重視。1609年，伽利略得知荷蘭發明了望遠鏡后，他立即意識到這一新的發明對天文觀察的重大價值，因此在同年即發明了第一架折射型天文望遠鏡，并作出了震驚西歐的天文發現，以后他又曾研制過顯微鏡，并用它觀察過昆蟲的生理結構。在他的影響下，望遠鏡和顯微鏡立即被廣泛地運用到天文學和解剖學之中。

在天文學中，由于天文觀察的需要，反過來推動了望遠鏡的光學原理的研究，推動了望遠鏡的制作技術的革命。近代天文學發展初期的偉大開拓者，如伽利略、開普勒、惠更斯和牛頓等人，都直接研究過望遠鏡，并由此研究光學。因此，近代初期的許多天文學家，同時也是光學家。

在解剖學中，由于解剖觀察的需要，反過來也推動了顯微鏡的光學原理的研究，推動了顯微鏡制作技術的革新。17世紀初，由于詹森發明的顯微鏡的顯微倍數大多在10倍以下，且觀察到的鏡像大多扭曲和模糊，加上色差現象過分嚴重，因此在解剖學觀察中尚未廣泛使用顯微鏡。到了17世紀中期，荷蘭一家眼鏡店的店員列文虎克(1632-1723年）對顯微鏡進行了革新，使顯微鏡的顯微倍數擴大到270倍左右。意大利顯微解剖學家馬爾比基(1628-1694年）則以這種顯微鏡在17世紀中期奠定了顯微解剖學的初步基礎。

后來，胡克也曾用他自制的顯微鏡觀察過植物的細胞，并在1665年發表了《顯微術》這一有關光學、解剖學和化學的著作。可見，解剖學的需要也是早期光學發展的一大科學動力。

2.光學的早期發展

17世紀初年，開普勒以他的幾何學研究為基礎，并從革新天文望遠鏡的實際需要出發，對幾何光學現象進行了一些最初的研究。1604年，他發表了一篇幾何光學論文，對光的直射現象、反射現象以及視覺現象作了一些初步的理論解釋。1611年，他又出版了一部光學著作，對作為望遠鏡制作原理的幾何光學問題作了進一步的理論探討，在這一著作中，他最先提出了焦點和光軸等最初的幾何光學概念。可以說，開普勒是近代幾何光學的直接開拓者。

繼開普勒之后，荷蘭物理學家和數學家斯涅爾(1580-1626年）對幾何光學現象進行了較為系統的實驗研究與數學分析。他是荷蘭萊頓大學的數學教授，他堅信自然現象中存在著數的和諧，并由此推論在光學現象中也存在著數的和諧關系，正是從這一信念出發，他在17世紀初年對人們當時關注的光現象進行了一些實驗觀測和數學分析，終于在1620年發現了幾何光學現象的兩條基本定律：反射定律和折射定律。這兩條定律的發現，奠定了近代幾何光學的初步基礎。

在幾何光學初步發展的基礎上，近代早期的物理光學也隨之發展起來。

在早期的物理光學中，人們對于光的物理特征的探討，主要集中在兩個方面：一是光的本性問題，一是光的顏色問題。

17世紀初，居住在荷蘭的法國數學家笛卡爾在光的幾何特征被初步揭示出來之后，他對物理光學問題進行了初步的探討。1637年，在他的《方法論》的三個附錄之一的《折光》中，論述了物理光學理論。對于光的本性問題，笛卡爾曾提出過兩種假說：第一種假說認為，根據光的反射現象推導，光可能是一種類似微粒的性質；第二種假說認為，光是一種以"以太"為媒質的壓力(以太，ether，other的變異，意為另外的一種東西，一種說不清的東西）。他的兩種假說，其一被奉為后來的微粒說的鼻祖，其二由于含有朦朧的波動觀念，則被奉為后來的波動說的先驅。

笛卡爾的關于光的本性的兩種假說提出之后，主要以他的微粒說對當時已知的光的反射和折射現象進行了解釋。他認為，光線可以發生反射，是因為光微粒碰到反射面之后，遵循一定的力學定律被彈射回來，這樣就發生了反射。而光線所以發生反射，是因為光微粒在由一種介質進入另一種介質之后，由于兩種介質的不同密度的影響，光微粒再受到另一種密度較大的介質的阻力作用之后，粒子運動相應減速，因此發生了折射。他的光的微粒說提出以后，曾經比他的那種朦朧的波動說產生過更大的影響，而他的那種朦朧的波動說也被一些后繼者所重視。

因此，以斯涅爾和笛卡爾兩人的光學成果為代表，幾何光學和物理光學在17世紀初期均已奠定初步的基礎。

3.波動說與微粒說

到了17世紀中期，隨著實驗光學的發展，幾何光學和物理光學都有了進一步的發展。在這一時期，最先推動物理光學發展的是意大利波侖亞大學的數學教授格里馬第(1618-1663年）。

1655年，格里馬第對物體在光線傳播方向上的物影進行了觀測。他發現，物影總比假定光線直線傳播時應有的大小還要大一些，而且物影的邊緣總是模糊的。他由此推想，光可能是一種與水波類似的流體。為了證實這一推想，他進行了一個光學實驗，他讓一束光穿過一個小孔，然后讓穿過小孔的光線照射到暗室的一個屏幕上。結果發現，穿過小孔的光線的光影明顯地增寬了。他認為，這種光現象用笛卡爾的微粒說是解釋不了的。他把這種光的傳播現象與水波的傳播現象進一步作了類比，認為它與水波穿過小孔后的衍射現象極為相似。因此，他把他的實驗稱為衍射實驗，并在1660年進一步提出了他的光的波動說，認為光是一種作波浪式傳播的流體。

此后不久，英國物理學家胡克重復了格里馬第實驗，并進行了肥皂泡膜上的顏色觀察。他認為，不論是格里馬第實驗，還是肥皂泡膜上的顏色，都是微粒論無法解釋的。因此，他在1665年出版的《顯微術》一書中，綜合了笛卡爾和格里馬第兩人的一些看法，提出了光是以太的一種縱向波的假說。運用這種假說，胡克對光的顏色作了解釋，認為光的顏色是由光波振動時的不同頻率來決定的。

到了60年代中期，牛頓也在光學領域里進行了一些實驗。牛頓所進行的第一個著名的實踐是三棱鏡實驗，即光的色散實驗。1666年1月，牛頓在家里進行了這一著名的實驗，為了進行這一實驗，他磨制了一臺三棱鏡。他把這臺三棱鏡置于暗室的窗板上的一條細縫的入口處，暗室外的日光即成一束平行的光線通過三棱鏡。當日光透過三棱鏡被折射后，牛頓驚異地發現，窗戶對面的墻上出現了一條按赤、橙、黃、綠、藍、靛、紫的順序排列的色彩絢麗的光譜。此后不久，牛頓又買了一臺三棱鏡，當他把第二臺三棱鏡放在第一臺三棱鏡折射出的各種單色光的通路上時，各種單色光經第二臺棱鏡折射之后，又重新聚合在一起，復合成白光折射到屏幕上。為了證實單色光是否還能繼續分解，牛頓在屏幕上開了一條窄縫，讓被分解后的單色光透過窄縫射到第二臺棱鏡上，結果證實，這束單色光只發生方向的偏移，而不能繼續分解。光的色散實驗使牛頓認識到，白光是原來由各種單色光組成的復合光；復合光能分解為單色光，單色光能組合為復合光；單色光不能再繼續分解；復合光被分解成單色光之后，形成有序的單色光光譜。牛頓通過光的色散實驗提出的這些新的光色理論，是當時在光的顏色理論上的重大進步。

牛頓所進行的第二個著名的光學實驗是"牛頓環"實驗。他認為胡克的肥皂泡實驗的精確度不高，而且泡膜轉瞬即逝，不便于觀察，于是他又設計了一個被后人稱為"牛頓環"的實驗。他將一個半球面透鏡放在一塊平板玻璃上，讓其曲面接觸平板玻璃，而其平面向上，然后，他讓一束光從透鏡的平面上方直射下來。這時，他發現，在透鏡的曲面與平板玻璃的接觸點上，形成了一個很大的暗點，而在暗點的周圍，則出現了以這個暗點為圓心的明暗相間的彩色同心圓。在發現這一現象后，他運用白光和色光進行了對比實驗。他發現，在白光照射下出現的是明暗相間的彩色同心圓；而色光照射下出現的明暗相間的單色同心圓，這就是"牛頓環"現象的最初發現。

此外，牛頓還進行過其他一些重要的光學實驗，如衍射實驗、折射實驗以及在各種光學實驗中的分析對比實驗等。牛頓進行大量的光學實驗的目的，主要是為了從理論上探索光的各種幾何性質和物理性質。

在幾何光學中，牛頓通過對光的幾何性質的研究，發現有可能研制出一種反射型望遠鏡并于1668年制出。由于比較粗糙，因此其觀測效果尚不如折射型望遠鏡。后來，他又進一步改革，特別是在磨制出光潔度較好的反射鏡之后，終于在1671年研制出了第二臺反射望遠鏡。牛頓即向皇家學會呈交了這臺反射型望遠鏡，并被送到國王查理二世那里，受到了贊許。由于這種新式的望遠鏡的發明，牛頓在1672年1月11日被選為皇家學會會員。

在物理光學中，牛頓著重研究了光的顏色問題和光的本性問題。通過色散實驗和"牛頓環"實驗，他認為，各種單色光之所以有不同的顏色，白光經過三棱鏡折射后之所以分解為有序的光譜，是因為不同的單色光具有不同的折射率。在各種單色光中，紫色光的折射率最大，而紅光的折射率最小，因此它們分居光譜的兩端。在經過近六年的理論探索之后，牛頓把他的這一關于光的顏色理論在1672年2月6日寫成論文：《關于光和色的新理論》，2月8日，他在皇家學會的周會上宣讀了這篇論文，以作為對皇家學會把他吸收為會員的答謝。同月19日，這篇論文發表于由皇家學會秘書歐登堡(1615-1677年）主辦的《皇家學會會報》。

牛頓的光色決定于折射率的理論，能比較成功地解釋光的色散現象，并進而建立起了最初的光譜理論。可是，對于"牛頓環"中的明暗相間的彩色或單色的同心光圈，牛頓卻無法用他的光色理論作出成功的解釋。牛頓在其光學實驗中發現了"牛頓環"，但卻未能從理論上解開"牛頓環"。通過光的色散實驗和"牛頓環"實驗，牛頓對光的本性問題也進行了探討。胡克曾較為明確地提出：光是以太的一種縱向波。但牛頓認為光是一種粒子流。后來，牛頓從他的質點力學理論出發，進一步發展了他的光的微粒理論，提出光是一種由極小的微粒形成的粒子流。本來，笛卡爾早在1637年也曾提出過光是一種以太粒子流的假說，可是笛卡爾沒有把微粒說系統地用于光的直射、反射、折射的理論解釋。而牛頓則運用微粒說，對這些光現象進行了較為成功的理論解釋。這樣，牛頓也就成了關于光的本性的微粒說的代表人物。

光的微粒說雖然能解釋直射、反射、折射這些主要的光現象，可是它在理論上也遇到了困難。如"牛頓環"中的明暗相間的彩色或單色同心光圈、格里馬第實驗中的光的干涉現象，運用微粒說均無法解釋。由于微粒說并不能完全解釋當時已知的光現象，這就導致了1678年前后惠更斯的波動說與牛頓的微粒說的論爭。