4.3 牛顿研究光的色散 牛顿是一位科学大师。 除了在热科学方面取得的巨大成就外，他还在物理、天文学、化学乃至光学方面做出了杰出贡献。 仅在光学方面的工作就足以被后人尊为科学伟人。 与他在热学方面的全面工作不同，牛顿在光学方面的工作大多是开创性的实验研究，其中色散的研究最为突出。 4.3.1 色散现象的初步研究 色散也是一个古老的课题，最引人注目的就是彩虹现象。 早在13世纪，科学家就分析了彩虹的成因。 日本有一位传教士，名叫狄奥多里克（）光的色散是谁发现的，他在实验中模仿了天空中的彩虹。 他用阳光照射一个装满水的大玻璃球壳，观察到了与天空中一样的彩虹，这解释了彩虹是空气中的水滴对阳光的反射和折射造成的。 但他的进一步解释并没有摆脱亚里士多德的教义，继续认为各种颜色的形成是由光的不同阻碍作用造成的。 光的四种颜色：红、黄、绿、蓝，介于白色和黑色之间，白色接近黑色，比较亮，白色接近白色，比较暗淡。 阳光进入介质（例如水），并从表面区域反射回黑色或灰色，从更深的区域反射回红色或黄色。 雪后，天空布满水滴，阳光进入水滴折射回来，人们可以听到五彩斑斓的景色。 笛卡尔也对彩虹现象很感兴趣，他通过实验检验了狄奥多里克的解释。 在他的《方法论》（1637）中，还有一个附录专门讨论彩虹，并介绍了他自己的棱镜实验，如图4-7所示。
他用棱镜折射阳光并将其投射到屏幕上，发现颜色的形成并不是由介质的深度引起的。 因为无论光线照射到棱镜的哪一部分，折射后屏幕上的图像都是一样的。 不幸的是，笛卡尔的屏幕距离棱镜太近（大约只有几分米），他没有听到色散后的整个光谱，只注意到光带的外侧分别是红色和绿色。 1648年，克拉科夫的马西成功地用棱镜演示了色散。 但他错了。 他认为绿色是集中光，红色是稀释光； 之所以有四种颜色，是因为光受到不同物质的影响，所以呈现出各种颜色。 17世纪，望远镜和显微镜问世，伽利略用望远镜观察天体和恒星，胡克用显微镜观察微小物体，引起了科学界的兴趣。 然而，当放大倍数降低时，这种仪器不可避免地会出现像差和色差，使人们深受欺骗。 人们不明白为什么图像的边缘总是有颜色？ 这和彩虹有什么共同点吗？ 这种现象有什么规律性呢？ 如何去除？ 此时，牛顿正在美国剑桥学院读书。 他的老师中有一位名叫巴罗（，1630-1677）的院士，非常擅长光学。 牛顿听他讲光学，帮他编了《光学课件》。 牛顿非常喜欢做光学实验，他还自己磨了镜片，想按照自己的设计组装出没有色差的显微镜和望远镜。 这个愿望激发了他对光和色彩的本质进行深入的阐述。
4.3.2 牛顿关于色散现象的思想 牛顿从笛卡尔等人的专着中得到了很多启发。 例如，笛卡尔说：“缓慢移动的光比快速移动的光更容易折射。” 胡克描述了肥皂泡颜色的变化，并认为不同的颜色是光脉冲在黄斑上留下的不同印象。 白色和红色是原色，其他颜色是由这两种颜色合成和色散而成的。 牛顿注意到了这一说法的合理要素，但也提出了许多质疑。 在牛顿留下的原始手稿中，记录了许多原始的疑惑和想法。 例如，他问如果光是脉冲，为什么它在传播时不会像声音一样偏离直线？ 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？ 为什么煤炭是黑色的，而煤炭燃烧的灰烬却是白色的？ 牛顿不满意前人（包括他的老师）对光现象的解释，于是他自己开始了一系列的实验。 4.3.3 牛顿色散实验 牛顿受到笛卡尔棱镜实验的启发，并借鉴了胡克和波义耳的光谱实验。 胡克用一个装满水的烧杯来代替棱镜，屏幕距离折射位置约60分米。 波义耳将棱镜散射的光线投射到1米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩大到6-7米，从房间的开口进入的阳光穿过棱镜，直接投射到旁边的墙壁上到它。 这样，他就得到了扩展的光谱，而后面的实验人员只听到了左边的有色斑点。 牛顿的高明之处就在于他已经认识到不同颜色的光有不同的折射特性，只有拉长距离才能将不同折射角的光线分开。
为了证明绿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4-8所示，在一张黑纸上画一条线opq，op的一半是深红色，pq的一半是深蓝色。 通过棱镜adf观察时，线条似乎是扭曲的，边界正好在红蓝交界处，红色部分rs比黄色部分st更靠近脊ab。 可以看出蓝光比绿光折射更多。 为了证明色散现象不是由于棱镜与太阳光的相互作用，或者其他原因，而是因为不同颜色具有不同的折射特性，牛顿又做了一个实验。 他用三个棱镜进行了实验，三个棱镜是相同的，但放置方式不同，如图4-9所示。 如果颜色的色散是由于棱镜的不均匀或其他偶然的不规则性造成的，那么第二棱镜和第三棱镜都会减少这种色散。 而实验的结果是，原本散射的各种颜色在经过第二个棱镜后又恢复为白光，而且形状也和之前一样。 经过第三棱镜后，分解成各种颜色。 这证明棱镜的作用就是将白光分解成不同的成分，并将不同的成分合成为白光。 牛顿的科学论断与当时流传数千年的观念格格不入。 由于预见到科学界的反对，他进行了另一项有说服力的实验。 牛顿把这个实验称为“判断实验”，如图4-10所示。 他拿了两块木板，一块DE放在靠近棱镜ABC的窗户F上，棱镜通过小孔G折射，各种颜色以不同的角度射到另一块木板de上。
de距DE一米，板上也有一个小孔g，g前面还放置一个棱镜abc，使经过的光发生折射，然后到墙壁MN上。 牛顿手握第一个棱镜ABC，绕其轴慢慢旋转，使第二块木板上不同颜色的光依次通过g到达棱镜abc。 实验结果是：第一棱镜折射最多的紫光也被第二棱镜偏转最多。 可见，白光确实是由具有不同折射特性的光群组成的。 牛顿在色散实验的基础上，总结出几个定律，即： 1、光的颜色随其折射率的不同而不同。 颜色不是光的变形，而是光的原始和固有属性。 2、相同的颜色属于相同的折射率，不同的颜色具有不同的折射率。 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，一种是原始纯色，另一种是由原始颜色复合而成的颜色。 5. 没有光本身是红色的。 红色是由各种颜色的光按适当的比例混合而成的。 6. 这可以解释棱镜产生各种颜色的现象以及彩虹的产生。 7、自然物体的颜色是因为某些光的反射比其他光的反射小。 8. 将光视为一个实体是有充分理由的。 牛顿的推论相当全面，而且论证也很充分。 而当时的人们无法接受，因为它涉及到中世纪以来关于光的本质的各种争论。 牛顿没有对这个问题做出定论，但他的推论与光的本质密切相关。
牛顿关于光和色的理论对于当时的人们来说过于新颖，质疑和批评不断地攻击牛顿。 有人认为牛顿波谱实验没有考虑到太阳本身的张开角度，有人认为波谱拉长是一种衍射效应，也有人认为可能是太阳光中云层的反射。天空。 胡克是对牛顿最挑剔的。 他觉得牛顿的实验并不具有决定性，可以用其他理论来解释，但牛顿的理论很难解释胶片的颜色。 于是几年后牛顿又做了一个实验。 他拿了一个又长又扁的棱镜，这样它形成的波谱就相当窄了。 当屏幕放在位置1接收光线时，你看到的一直是普通光，但是当屏幕换到位置2时，你可以看到分解的光谱。 这样，由于只涉及屏幕的角度，因此结果与棱镜无关，这也回应了怀疑者的指责。 牛顿的光学研究具有独特的风格，他在光学领域的成就体现在1704年出版的《光学》一书中。该书的副标题是：《关于光的反射、折射、屈折和颜色的论文集》。 本书分为三部分，第一部分收集了棱镜光谱实验。 正如牛顿在书的开头所说：“我的计划不是用假设来解释光的本质，而是用推理和实验来提出和证明这种本质。” 在第一卷中，牛顿总共提出了19个命题，33个实验，他用大量页数详细描述了实验装置、实验方法和观察结果。 牛顿有一句座右铭：“不要做出错误的假设”（）。
他的光学研究从实验和观察出发，进行归纳和综合，总结出一套完整的科学理论。 归纳法是科学研究的重要方法之一（当然不是唯一的方法），牛顿对色散的研究为后人树立了辉煌的榜样。 牛顿非常善于总结科学研究方法。 他在解释自己的方法时写道：“在自然科学中，就像在物理学中一样，在研究困难的事物时，总是应该先使用分析的方法，然后再使用分析的方法。” 合成方式。 这些分析方法涉及进行实验和观察，利用归纳法从中得出一般推论，但不会对此类推论提出异议，除非这些异议来自实验或其他可靠的事实。 因为在实验哲学中不应该考虑什么假设。 用归纳法从实验和观察中论证并不是一般的推论，但却是事物本质允许的最好的推理方式，但随着归纳法变得更加普遍，这些论证也显得更强。 如果很多现象都没有例外，就可以说这个推论是普遍的。 如果在以后的任何时候，实验中发现异常，那么就可以证明存在某种类型或其他类型。 存在例外情况。 使用这种分析方法，我们可以从复合材料到其成分，从运动到运动的力进行演示。 一般来说，从结果到原因，从具体原因到一般原理，还到最一般，这是就原因进行分析的方法； 综合法假设原因已经找到，并被确立为原理，然后用这个原理来解释由此产生的现象，并证明这种解释的正确性。 》TE.Tamny，：'s，1983，第241页。HS塞耶主编，牛顿自然哲学专着选，北京人民出版社，1974年光的色散是谁发现的，第212期