在小學自然課上,我們都做過一個實驗,把一束光照向三稜鏡,在牆上就會出現赤橙黃綠青藍紫七色,這就是光的色散實驗,這也是我們第一次近距離接觸物理學大神。

因為這個實驗最早是由牛頓做的。

牛頓的色散實驗

不過這時候的牛頓還沒有提出牛頓力學和微積分,就是說牛頓是以光學研究踏入科學殿堂的。光的色散實驗改變了之前人們對顏色的認知,之前人們都認為顏色是物體本身的性質,牛頓指出顏色是物體和不同色光的結果。

既然解決了顏色問題,那麼肥皂泡薄膜的奇幻色彩又是怎麼回事呢?可不是按照赤橙黃綠青藍紫的順序排列的,這個問題最早是由胡克最早研究的。

胡克在牛頓之前可謂是天之驕子,無所不通,號稱「英國達芬奇」,當時就任英國皇家科學院實驗室主任,不過胡克研究問題有一個毛病,就是對任何問題都是淺嘗即止,這次他老毛病又犯了,所以這個問題就要由牛頓來解決了。

對於肥皂泡來說,難以取得定量的研究,因此肥皂泡這種東西,極其不穩定,說是轉瞬即逝有點過分,可是也很難測量厚度和大小,於是牛頓採取了更穩妥的方法,就是磨製凸透鏡。

牛頓取來兩塊玻璃體,一塊是14英尺望遠鏡用的平凸鏡,另一塊是50英尺左右望遠鏡用的大型雙凸透鏡。在雙凸透鏡上放上平凸鏡,使其平面向下,當把玻璃體互相壓緊時,就會在圍繞著接觸點的周圍出現各種顏色,形成色環。於是這些顏色又在圓環中心相繼消失。在壓緊玻璃體時,在別的顏色中心最後現出的顏色,初次出現時看起來像是一個從周邊到中心幾乎均勻的色環,再壓緊玻璃體時,這色環會逐漸變寬,直到新的顏色在其中心現出。如此繼續下去,第三、第四、第五種以及跟著的別種顏色不斷在中心現出,並成為包在最內層顏色外面的一組色環,最後一種顏色是黑點。反之,如果抬起上面的玻璃體,使其離開下面的透鏡,色環的直徑就會偏小,其周邊寬度則增大,直到其顏色陸續到達中心,後來它們的寬度變得相當大,就比以前更容易認出和訓別它們的顏色了。

牛頓環

這個實驗非同小可,這其實就是光的干涉現象,牛頓這時候已經走到了波動說的邊緣,不過牛頓並沒有立刻深入研究,因為這時候還有更重要的事情要做。那個時候的顯學是天文學,而觀測星空則需要天文望遠鏡,畢竟不是每個人都有第谷那麼好的視力,自從伽利略使用天文望遠鏡觀測星空以來,天文學取得了飛速的發展,地心說也因此破產,但是天文望遠鏡的製造卻遇到了瓶頸。

傳說當年伽利略採用望遠鏡觀測星空,取得了豐碩的成果,開普勒表示不服,於是向伽利略借望遠鏡,可是伽利略沒借,開普勒無可奈何,可是開普勒為什麼不自己造一個呢?

當時的天文望遠鏡採用的是格里高利折射式望遠鏡,由格里高利設計,胡克製造成功,可為什麼格里高利不自己造一個呢?

因為製造望遠鏡就需要磨製鏡片,而磨製鏡片是一門高深的技術活,當時可沒有加工廠給他們製造合適的鏡片,這些天才的科學家們只好自己手工磨製,當時測量技術不佳,稍有偏差,鏡片就報廢了,無論開普勒還是格里高利都是沒有一雙巧手,所以只能設計而不能製造,非不為也,乃不能也。

而牛頓發現了牛頓環,就可以精密地檢測鏡片的精度,可以說,牛頓環就相當於一把尺子,這樣就可以在磨製過程中不斷調節,提高了磨製鏡片的成功率。

雖然提高了成功率,但是磨製鏡片還是一個麻煩活,牛頓乾脆重新設計了天文望遠鏡,之前格里高利望遠鏡是折射式望遠鏡,需要多個凹面鏡,牛頓改成了反射式望遠鏡,只需要一個凹面鏡。

牛頓反射式望遠鏡

當少年牛頓意氣風發地新式望遠鏡擺放在皇家科學院案頭,以為會獲得掌聲,結果卻遭到了胡克的打擊,因為牛頓的發明侵入了胡克的最得意的科學領域,從唯我獨尊變成處於下風,無論誰都會有些懊惱,但是胡克的反應卻有些過分了,這樣牛頓也非常生氣。光學的發展就好像是走在一條蜿蜒的小路上,雖然走的慢,但是大家都在朝著一個方向前進,但是歷史卻因為這一次紛爭改變了。

對於光的本性,胡克首倡波動說,法國科學院掌門人惠更斯也支持胡克,本來牛頓環實驗也是支持波動說的,但是對手支持的就應該反對,牛頓則提出了微粒說,認為光是一些微小的顆粒。

其實牛頓提出微粒說也不是完全為了懟胡克,畢竟都是科學家,牛頓在提出微粒說的同時,也並沒有明確反對波動說,而且微粒說更加符合我們的日常經驗,光的反射現象可是微粒說最好的證據,我們都打過羽毛球兵乓球撞球不是。

那麼光到底是微粒還是波呢?這一場爭論卻吵了幾百年。


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