16-17世紀(jì)光學(xué)（上）
1.光學(xué)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)動(dòng)力

16世紀(jì)與17世紀(jì)初，由于制鏡業(yè)的發(fā)展，磨制透鏡的技術(shù)有了顯著的提高，這就使近代早期的光學(xué)發(fā)展具備了最初的技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，荷蘭光學(xué)家詹森(1580-1638年）在十六世紀(jì)末發(fā)明了第一臺(tái)顯微鏡，而荷蘭的制鏡商利波爾塞在1608年發(fā)明了第一架望遠(yuǎn)鏡。

第一代顯微鏡和第一代望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，其科學(xué)價(jià)值立即為一些著名科學(xué)家所重視。1609年，伽利略得知荷蘭發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡后，他立即意識(shí)到這一新的發(fā)明對(duì)天文觀察的重大價(jià)值，因此在同年即發(fā)明了第一架折射型天文望遠(yuǎn)鏡，并作出了震驚西歐的天文發(fā)現(xiàn)，以后他又曾研制過(guò)顯微鏡，并用它觀察過(guò)昆蟲(chóng)的生理結(jié)構(gòu)。在他的影響下，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡立即被廣泛地運(yùn)用到天文學(xué)和解剖學(xué)之中。

在天文學(xué)中，由于天文觀察的需要，反過(guò)來(lái)推動(dòng)了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)原理的研究，推動(dòng)了望遠(yuǎn)鏡的制作技術(shù)的革命。近代天文學(xué)發(fā)展初期的偉大開(kāi)拓者，如伽利略、開(kāi)普勒、惠更斯和牛頓等人，都直接研究過(guò)望遠(yuǎn)鏡，并由此研究光學(xué)。因此，近代初期的許多天文學(xué)家，同時(shí)也是光學(xué)家。

在解剖學(xué)中，由于解剖觀察的需要，反過(guò)來(lái)也推動(dòng)了顯微鏡的光學(xué)原理的研究，推動(dòng)了顯微鏡制作技術(shù)的革新。17世紀(jì)初，由于詹森發(fā)明的顯微鏡的顯微倍數(shù)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(xiàn)象過(guò)分嚴(yán)重，因此在解剖學(xué)觀察中尚未廣泛使用顯微鏡。到了17世紀(jì)中期，荷蘭一家眼鏡店的店員列文虎克(1632-1723年）對(duì)顯微鏡進(jìn)行了革新，使顯微鏡的顯微倍數(shù)擴(kuò)大到270倍左右。意大利顯微解剖學(xué)家馬爾比基(1628-1694年）則以這種顯微鏡在17世紀(jì)中期奠定了顯微解剖學(xué)的初步基礎(chǔ)。

后來(lái)，胡克也曾用他自制的顯微鏡觀察過(guò)植物的細(xì)胞，并在1665年發(fā)表了《顯微術(shù)》這一有關(guān)光學(xué)、解剖學(xué)和化學(xué)的著作?？梢?jiàn)，解剖學(xué)的需要也是早期光學(xué)發(fā)展的一大科學(xué)動(dòng)力。

2.光學(xué)的早期發(fā)展

17世紀(jì)初年，開(kāi)普勒以他的幾何學(xué)研究為基礎(chǔ)，并從革新天文望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際需要出發(fā)，對(duì)幾何光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了一些最初的研究。1604年，他發(fā)表了一篇幾何光學(xué)論文，對(duì)光的直射現(xiàn)象、反射現(xiàn)象以及視覺(jué)現(xiàn)象作了一些初步的理論解釋。1611年，他又出版了一部光學(xué)著作，對(duì)作為望遠(yuǎn)鏡制作原理的幾何光學(xué)問(wèn)題作了進(jìn)一步的理論探討，在這一著作中，他最先提出了焦點(diǎn)和光軸等最初的幾何光學(xué)概念?？梢哉f(shuō)，開(kāi)普勒是近代幾何光學(xué)的直接開(kāi)拓者。

繼開(kāi)普勒之后，荷蘭物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家斯涅爾(1580-1626年）對(duì)幾何光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)學(xué)分析。他是荷蘭萊頓大學(xué)的數(shù)學(xué)教授，他堅(jiān)信自然現(xiàn)象中存在著數(shù)的和諧，并由此推論在光學(xué)現(xiàn)象中也存在著數(shù)的和諧關(guān)系，正是從這一信念出發(fā)，他在17世紀(jì)初年對(duì)人們當(dāng)時(shí)關(guān)注的光現(xiàn)象進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)學(xué)分析，終于在1620年發(fā)現(xiàn)了幾何光學(xué)現(xiàn)象的兩條基本定律：反射定律和折射定律。這兩條定律的發(fā)現(xiàn)，奠定了近代幾何光學(xué)的初步基礎(chǔ)。

在幾何光學(xué)初步發(fā)展的基礎(chǔ)上，近代早期的物理光學(xué)也隨之發(fā)展起來(lái)。

在早期的物理光學(xué)中，人們對(duì)于光的物理特征的探討，主要集中在兩個(gè)方面：一是光的本性問(wèn)題，一是光的顏色問(wèn)題。

17世紀(jì)初，居住在荷蘭的法國(guó)數(shù)學(xué)家笛卡爾在光的幾何特征被初步揭示出來(lái)之后，他對(duì)物理光學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了初步的探討。1637年，在他的《方法論》的三個(gè)附錄之一的《折光》中，論述了物理光學(xué)理論。對(duì)于光的本性問(wèn)題，笛卡爾曾提出過(guò)兩種假說(shuō)：第一種假說(shuō)認(rèn)為，根據(jù)光的反射現(xiàn)象推導(dǎo)，光可能是一種類(lèi)似微粒的性質(zhì)；第二種假說(shuō)認(rèn)為，光是一種以"以太"為媒質(zhì)的壓力(以太，ether，other的變異，意為另外的一種東西，一種說(shuō)不清的東西）。他的兩種假說(shuō)，其一被奉為后來(lái)的微粒說(shuō)的鼻祖，其二由于含有朦朧的波動(dòng)觀念，則被奉為后來(lái)的波動(dòng)說(shuō)的先驅(qū)。

笛卡爾的關(guān)于光的本性的兩種假說(shuō)提出之后，主要以他的微粒說(shuō)對(duì)當(dāng)時(shí)已知的光的反射和折射現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。他認(rèn)為，光線可以發(fā)生反射，是因?yàn)楣馕⒘Ｅ龅椒瓷涿嬷?，遵循一定的力學(xué)定律被彈射回來(lái)，這樣就發(fā)生了反射。而光線所以發(fā)生反射，是因?yàn)楣馕⒘Ｔ谟梢环N介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)之后，由于兩種介質(zhì)的不同密度的影響，光微粒再受到另一種密度較大的介質(zhì)的阻力作用之后，粒子運(yùn)動(dòng)相應(yīng)減速，因此發(fā)生了折射。他的光的微粒說(shuō)提出以后，曾經(jīng)比他的那種朦朧的波動(dòng)說(shuō)產(chǎn)生過(guò)更大的影響，而他的那種朦朧的波動(dòng)說(shuō)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(xué)成果為代表，幾何光學(xué)和物理光學(xué)在17世紀(jì)初期均已奠定初步的基礎(chǔ)。

3.波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)

到了17世紀(jì)中期，隨著實(shí)驗(yàn)光學(xué)的發(fā)展，幾何光學(xué)和物理光學(xué)都有了進(jìn)一步的發(fā)展。在這一時(shí)期，最先推動(dòng)物理光學(xué)發(fā)展的是意大利波侖亞大學(xué)的數(shù)學(xué)教授格里馬第(1618-1663年）。

1655年，格里馬第對(duì)物體在光線傳播方向上的物影進(jìn)行了觀測(cè)。他發(fā)現(xiàn)，物影總比假定光線直線傳播時(shí)應(yīng)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(lèi)似的流體。為了證實(shí)這一推想，他進(jìn)行了一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)，他讓一束光穿過(guò)一個(gè)小孔，然后讓穿過(guò)小孔的光線照射到暗室的一個(gè)屏幕上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穿過(guò)小孔的光線的光影明顯地增寬了。他認(rèn)為，這種光現(xiàn)象用笛卡爾的微粒說(shuō)是解釋不了的。他把這種光的傳播現(xiàn)象與水波的傳播現(xiàn)象進(jìn)一步作了類(lèi)比，認(rèn)為它與水波穿過(guò)小孔后的衍射現(xiàn)象極為相似。因此，他把他的實(shí)驗(yàn)稱為衍射實(shí)驗(yàn)，并在1660年進(jìn)一步提出了他的光的波動(dòng)說(shuō)，認(rèn)為光是一種作波浪式傳播的流體。

此后不久，英國(guó)物理學(xué)家胡克重復(fù)了格里馬第實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了肥皂泡膜上的顏色觀察。他認(rèn)為，不論是格里馬第實(shí)驗(yàn)，還是肥皂泡膜上的顏色，都是微粒論無(wú)法解釋的。因此，他在1665年出版的《顯微術(shù)》一書(shū)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(shuō)。運(yùn)用這種假說(shuō)，胡克對(duì)光的顏色作了解釋?zhuān)J(rèn)為光的顏色是由光波振動(dòng)時(shí)的不同頻率來(lái)決定的。

到了60年代中期，牛頓也在光學(xué)領(lǐng)域里進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)。牛頓所進(jìn)行的第一個(gè)著名的實(shí)踐是三棱鏡實(shí)驗(yàn)，即光的色散實(shí)驗(yàn)。1666年1月，牛頓在家里進(jìn)行了這一著名的實(shí)驗(yàn)，為了進(jìn)行這一實(shí)驗(yàn)，他磨制了一臺(tái)三棱鏡。他把這臺(tái)三棱鏡置于暗室的窗板上的一條細(xì)縫的入口處，暗室外的日光即成一束平行的光線通過(guò)三棱鏡。當(dāng)日光透過(guò)三棱鏡被折射后，牛頓驚異地發(fā)現(xiàn)，窗戶對(duì)面的墻上出現(xiàn)了一條按赤、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫的順序排列的色彩絢麗的光譜。此后不久，牛頓又買(mǎi)了一臺(tái)三棱鏡，當(dāng)他把第二臺(tái)三棱鏡放在第一臺(tái)三棱鏡折射出的各種單色光的通路上時(shí)，各種單色光經(jīng)第二臺(tái)棱鏡折射之后，又重新聚合在一起，復(fù)合成白光折射到屏幕上。為了證實(shí)單色光是否還能繼續(xù)分解，牛頓在屏幕上開(kāi)了一條窄縫，讓被分解后的單色光透過(guò)窄縫射到第二臺(tái)棱鏡上，結(jié)果證實(shí)，這束單色光只發(fā)生方向的偏移，而不能繼續(xù)分解。光的色散實(shí)驗(yàn)使牛頓認(rèn)識(shí)到，白光是原來(lái)由各種單色光組成的復(fù)合光；復(fù)合光能分解為單色光，單色光能組合為復(fù)合光；單色光不能再繼續(xù)分解；復(fù)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(guò)光的色散實(shí)驗(yàn)提出的這些新的光色理論，是當(dāng)時(shí)在光的顏色理論上的重大進(jìn)步。

牛頓所進(jìn)行的第二個(gè)著名的光學(xué)實(shí)驗(yàn)是"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為胡克的肥皂泡實(shí)驗(yàn)的精確度不高，而且泡膜轉(zhuǎn)瞬即逝，不便于觀察，于是他又設(shè)計(jì)了一個(gè)被后人稱為"牛頓環(huán)"的實(shí)驗(yàn)。他將一個(gè)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(lái)。這時(shí)，他發(fā)現(xiàn)，在透鏡的曲面與平板玻璃的接觸點(diǎn)上，形成了一個(gè)很大的暗點(diǎn)，而在暗點(diǎn)的周?chē)?，則出現(xiàn)了以這個(gè)暗點(diǎn)為圓心的明暗相間的彩色同心圓。在發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象后，他運(yùn)用白光和色光進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)，在白光照射下出現(xiàn)的是明暗相間的彩色同心圓；而色光照射下出現(xiàn)的明暗相間的單色同心圓，這就是"牛頓環(huán)"現(xiàn)象的最初發(fā)現(xiàn)。

此外，牛頓還進(jìn)行過(guò)其他一些重要的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，如衍射實(shí)驗(yàn)、折射實(shí)驗(yàn)以及在各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)等。牛頓進(jìn)行大量的光學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的，主要是為了從理論上探索光的各種幾何性質(zhì)和物理性質(zhì)。

在幾何光學(xué)中，牛頓通過(guò)對(duì)光的幾何性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)有可能研制出一種反射型望遠(yuǎn)鏡并于1668年制出。由于比較粗糙，因此其觀測(cè)效果尚不如折射型望遠(yuǎn)鏡。后來(lái)，他又進(jìn)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(tái)反射望遠(yuǎn)鏡。牛頓即向皇家學(xué)會(huì)呈交了這臺(tái)反射型望遠(yuǎn)鏡，并被送到國(guó)王查理二世那里，受到了贊許。由于這種新式的望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，牛頓在1672年1月11日被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

在物理光學(xué)中，牛頓著重研究了光的顏色問(wèn)題和光的本性問(wèn)題。通過(guò)色散實(shí)驗(yàn)和"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為，各種單色光之所以有不同的顏色，白光經(jīng)過(guò)三棱鏡折射后之所以分解為有序的光譜，是因?yàn)椴煌膯紊饩哂胁煌恼凵渎?。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(jīng)過(guò)近六年的理論探索之后，牛頓把他的這一關(guān)于光的顏色理論在1672年2月6日寫(xiě)成論文：《關(guān)于光和色的新理論》，2月8日，他在皇家學(xué)會(huì)的周會(huì)上宣讀了這篇論文，以作為對(duì)皇家學(xué)會(huì)把他吸收為會(huì)員的答謝。同月19日，這篇論文發(fā)表于由皇家學(xué)會(huì)秘書(shū)歐登堡(1615-1677年）主辦的《皇家學(xué)會(huì)會(huì)報(bào)》。

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(xiàn)象，并進(jìn)而建立起了最初的光譜理論。可是，對(duì)于"牛頓環(huán)"中的明暗相間的彩色或單色的同心光圈，牛頓卻無(wú)法用他的光色理論作出成功的解釋。牛頓在其光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了"牛頓環(huán)"，但卻未能從理論上解開(kāi)"牛頓環(huán)"。通過(guò)光的色散實(shí)驗(yàn)和"牛頓環(huán)"實(shí)驗(yàn)，牛頓對(duì)光的本性問(wèn)題也進(jìn)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(rèn)為光是一種粒子流。后來(lái)，牛頓從他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)理論出發(fā)，進(jìn)一步發(fā)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(lái)，笛卡爾早在1637年也曾提出過(guò)光是一種以太粒子流的假說(shuō)，可是笛卡爾沒(méi)有把微粒說(shuō)系統(tǒng)地用于光的直射、反射、折射的理論解釋。而牛頓則運(yùn)用微粒說(shuō)，對(duì)這些光現(xiàn)象進(jìn)行了較為成功的理論解釋。這樣，牛頓也就成了關(guān)于光的本性的微粒說(shuō)的代表人物。

光的微粒說(shuō)雖然能解釋直射、反射、折射這些主要的光現(xiàn)象，可是它在理論上也遇到了困難。如"牛頓環(huán)"中的明暗相間的彩色或單色同心光圈、格里馬第實(shí)驗(yàn)中的光的干涉現(xiàn)象，運(yùn)用微粒說(shuō)均無(wú)法解釋。由于微粒說(shuō)并不能完全解釋當(dāng)時(shí)已知的光現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了1678年前后惠更斯的波動(dòng)說(shuō)與牛頓的微粒說(shuō)的論爭(zhēng)。