在牛頓的全部著作中，有一本書格外特別——它不是更著名的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，而是《光學(xué)》。這是牛頓唯一一部親自操刀修訂、親筆批注、親手張羅出版的著作。

1704年出版的《光學(xué)》第一版，現(xiàn)存于倫敦科學(xué)博物館。

從初版到多次再版，他不斷修改補(bǔ)充，甚至在自己的藏書上密密麻麻寫下更正意見，力求每一個(gè)詞語、每一條實(shí)驗(yàn)都精準(zhǔn)無誤。相比《原理》的抽象數(shù)理，《光學(xué)》更像是一部“實(shí)驗(yàn)札記”。

艾薩克·牛頓

《光學(xué)》第一版，1704年

它以清晰的語言講述光的折射、反射、色散與“微粒說”，展現(xiàn)牛頓思維的另一面：嚴(yán)謹(jǐn)之中帶著想象，演繹之外不乏探索。

今天，讓我們一起走進(jìn)這部牛頓最為親近、最能代表他思想全貌的作品。

01

愛因斯坦作序推薦

你也能再現(xiàn)牛頓經(jīng)歷的奇妙事件

愛因斯坦在為1931年重印的《光學(xué)》所作的序言中，以極富詩意的語言描繪了牛頓早年科學(xué)探索的奇跡。

圖｜愛因斯坦

他提到，牛頓是個(gè)幸運(yùn)的人，他的科學(xué)童年充滿寧靜與創(chuàng)造。當(dāng)我們閱讀《光學(xué)》時(shí)，就仿佛親歷牛頓年輕時(shí)代的那一連串奇妙發(fā)現(xiàn)。

他眼中的自然世界是一部清晰可讀的書，而他有著非凡的能力，能從經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)中“讀出”深邃的科學(xué)規(guī)律。他不僅像一個(gè)小孩玩耍般安排實(shí)驗(yàn)，更用藝術(shù)家的筆觸細(xì)致地記錄它們。

1642年12月，牛頓出生于英格蘭林肯郡伍爾索普。圖｜牛頓出生的房子。

在這本書中，牛頓化身為實(shí)驗(yàn)家、理論家、工匠和藝術(shù)家。他描述了光的反射、折射、透鏡成像，解開了色彩的秘密，發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，還為彩虹現(xiàn)象提供了理論解釋。他對(duì)薄膜顏色的研究甚至成為100多年后托馬斯·楊波動(dòng)理論的起點(diǎn)。

圖｜劍橋大學(xué)植物園中的蘋果樹，通過嫁接技術(shù)繁殖自牛頓故鄉(xiāng)的原版蘋果樹。

蘋果公司（Apple Inc.）最早的標(biāo)志是牛頓和他的蘋果樹。

牛頓的時(shí)代和爭論已經(jīng)過去，但這本《光學(xué)》如一座燈塔，依舊照亮我們認(rèn)知自然的路徑。讀這本書，就是走進(jìn)牛頓的思維世界，感受他創(chuàng)造的樂趣與力量。今天讀《光學(xué)》，不是單純地翻閱一部科學(xué)著作，更像是一次穿越時(shí)空的旅行，讓我們得以親歷牛頓在青年時(shí)期的科學(xué)探險(xiǎn)之旅。

02

從棱鏡到望遠(yuǎn)鏡

牛頓是怎樣“看見”光的

牛頓對(duì)光的興趣并非始于某種高深的哲學(xué)理念，而是源于一種樸素卻強(qiáng)烈的好奇。他在劍橋大學(xué)求學(xué)時(shí)接觸了許多關(guān)于視覺與光學(xué)的著作，比如開普勒關(guān)于屈光的研究、笛卡兒對(duì)顏色的猜想、以及胡克在《顯微圖志》中描述的薄膜顏色現(xiàn)象。這些作品點(diǎn)燃了他對(duì)光的關(guān)注，也為他后來的實(shí)驗(yàn)提供了理論觸發(fā)點(diǎn)。

圖/開普勒、笛卡兒、胡克

1666年，年僅23歲的牛頓在家鄉(xiāng)避疫期間進(jìn)行了一項(xiàng)如今廣為人知的實(shí)驗(yàn)：他在一間暗室中開一個(gè)小孔，讓太陽光射入，并用一塊玻璃棱鏡將光折射到墻上。

他看到一道被分解成彩虹色的長條光譜，這一觀察讓他產(chǎn)生了一個(gè)驚人的想法——白光并不是純凈的，而是由多種不同顏色的光組成。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)讓他確定，不同顏色的光具有不同的折射性，而這一物理屬性與顏色本身一一對(duì)應(yīng)，不可互相轉(zhuǎn)化。

牛頓發(fā)現(xiàn)，棱鏡可將白光發(fā)散為彩色光譜

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是革命性的。他不僅挑戰(zhàn)了亞里士多德以來的“顏色是物體屬性”的觀念，也否定了顏色是由光在介質(zhì)中“發(fā)生某種變化”所產(chǎn)生的主流解釋。牛頓指出：顏色是光本身固有的特性，而不是通過與空氣、水或玻璃發(fā)生“染色”而來。

他將這些實(shí)驗(yàn)成果寫成論文，發(fā)表于1672年英國皇家學(xué)會(huì)的《哲學(xué)匯刊》。但正當(dāng)他意氣風(fēng)發(fā)時(shí)，卻遭遇了來自胡克等人的強(qiáng)烈質(zhì)疑。這場(chǎng)爭論讓牛頓對(duì)公開發(fā)表科學(xué)研究感到深深的疲憊，甚至一度表示希望永遠(yuǎn)遠(yuǎn)離哲學(xué)事務(wù)。

不過，在那之前，他已不僅在理論上有所突破，在器械發(fā)明上也留下了重要成果。由于認(rèn)識(shí)到透鏡存在不可消除的色差，牛頓轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了一種新的反射望遠(yuǎn)鏡。這種望遠(yuǎn)鏡利用凹面反射鏡代替透鏡，從而避免了光在穿越玻璃時(shí)的色散。他親手制作了樣品，并將其送往皇家學(xué)會(huì)，獲得了極高的評(píng)價(jià)。

牛頓1672年使用的6英寸反射望遠(yuǎn)鏡復(fù)制品。

這一發(fā)明不但展示了牛頓超群的實(shí)驗(yàn)與工藝能力，也成為后世天文觀測(cè)儀器發(fā)展的基礎(chǔ)。

03

從被冷落到復(fù)興

《光學(xué)》的命運(yùn)與牛頓的“誤判”

《光學(xué)》并不是牛頓最早被傳誦的作品。一個(gè)世紀(jì)以前，人們談?wù)撆ｎD，首先想到的是他那部被奉為自然科學(xué)典范的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》。

在那里，他用萬有引力和三大運(yùn)動(dòng)定律為世界描繪了一幅看似終極的力學(xué)圖景，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界往往將這部作品視為科學(xué)方法的頂峰，幾乎可以解釋自然界一切現(xiàn)象。

牛頓自用的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》副本，并帶有為第2版所作的修正。

相比之下，《光學(xué)》反而顯得不那么受待見。在19世紀(jì)的語境中，牛頓對(duì)光的‘微粒說’被看作是一種過時(shí)的觀點(diǎn)，與當(dāng)時(shí)已被廣泛接受的‘波動(dòng)說’形成對(duì)立。這使得他的光的微粒說理論一度被邊緣化，成為只有科學(xué)史家愿意關(guān)注的舊物。那時(shí)的人們無法預(yù)料，這本書在20世紀(jì)會(huì)被重新挖掘出前所未有的價(jià)值。

真正的轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)初。當(dāng)愛因斯坦在1905年提出“光量子”理論，用以解釋光電效應(yīng)時(shí)，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)：光在某些實(shí)驗(yàn)中必須被視作具有粒子性的量子。這一觀點(diǎn)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)支持來自康普頓效應(yīng)，它清晰地表明當(dāng)光子與電子碰撞時(shí)，其波長變化規(guī)律嚴(yán)格遵循動(dòng)量-能量守恒，如同經(jīng)典粒子間的碰撞。這意味著，光既可表現(xiàn)為波，也可表現(xiàn)為粒子——兩種看似矛盾的特性，最終統(tǒng)一為現(xiàn)代物理的波粒二象性核心概念。

光的波粒二象性可以簡單地理解為：從不同角度觀察和觀測(cè)光，可以看到兩種迥然不同的圖樣。圖｜光的波粒二象性和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖。

這場(chǎng)科學(xué)的逆轉(zhuǎn)，也改變了人們對(duì)牛頓《光學(xué)》的態(tài)度。過去被視為“落伍”的微粒說，如今被證明有其不可替代的解釋力。而牛頓在《光學(xué)》中對(duì)波動(dòng)與微粒的混合性思考，不再是錯(cuò)誤的拼貼，而被重新理解為一種近乎“預(yù)言式”的天才直覺。

04

宇宙中的光，光中的哲學(xué)

一場(chǎng)未竟的思想探險(xiǎn)

如果說《光學(xué)》的前半部分還停留在可觀察、可驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)范圍，那么書中后半部分，尤其是那些被稱作“疑問”的段落，則向我們展示了一個(gè)思想家在已知與未知之間的踟躕與飛躍。

牛頓曾嘗試通過“以太”來解釋光的傳播與引力的機(jī)制。在他看來，這種無處不在但極度稀薄的物質(zhì)，是連接光、熱與化學(xué)作用的橋梁。他一度設(shè)想，光線在進(jìn)入不同密度的以太層時(shí)，其軌跡就會(huì)發(fā)生偏折，仿佛在穿越看不見的彎曲介質(zhì)。

他甚至還設(shè)想，物體相互趨近可能正是由于以太密度的梯度而產(chǎn)生的“推力”，這種想法后來被部分現(xiàn)代物理理論重新喚起，盡管在牛頓之后它曾一度被放棄。但牛頓本人終究沒有將這些假設(shè)發(fā)展為完整的理論。

1881年-1884年，阿爾伯特·邁克耳孫和愛德華·莫雷為測(cè)量地球和以太的相對(duì)速度，進(jìn)行了著名的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同方向上的光速?zèng)]有差異。這實(shí)際上證明了光速不變?cè)?，即真空中光速在任何參照系下具有相同的?shù)值，與參照系的相對(duì)速度無關(guān)，以太其實(shí)并不存在。后來又有許多實(shí)驗(yàn)支持了上面的結(jié)論。

在晚年，牛頓愈發(fā)堅(jiān)定地走向“微粒說”。他以一種近乎哲學(xué)化的語氣，稱光線為“堅(jiān)實(shí)、不可穿透的小體”，并認(rèn)為這些微粒在反射、折射中展現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性的行為，甚至嘗試用微粒說解釋衍射現(xiàn)象。

圖｜威斯敏斯特教堂內(nèi)的牛頓之墓

《光學(xué)》之所以如此珍貴，不僅因?yàn)槠淇茖W(xué)上的貢獻(xiàn)，還因?yàn)樗桥ｎD唯一一本由他親自編輯、修訂并監(jiān)督出版的自然哲學(xué)著作。它不是一套封閉完美的體系，而是一部開放的工作筆記，一場(chǎng)未竟的思想探險(xiǎn)，留下許多問題等待后人繼續(xù)解答。

你還記得課本里的牛頓光學(xué)實(shí)驗(yàn)嗎？

你覺得牛頓對(duì)光的認(rèn)識(shí)中，

哪個(gè)部分最令你驚訝？

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觀點(diǎn)資料來源：《牛頓光學(xué)》

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