第一章  古代光學(xué)
　　牛頓的世界觀
　　牛頓顏色理論的重要性不僅在于他是對(duì)的，而且在于他得到結(jié)論的方法。在牛頓之前，哲學(xué)家主要是通過思辨來發(fā)展自己的世界觀。例如笛卡兒雖然考慮了光傳播的可能方式，但他并沒有做實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證他的觀點(diǎn)。當(dāng)然，牛頓也并非第一個(gè)實(shí)驗(yàn)家，伽利略便在他對(duì)球從斜面上滾下來的運(yùn)動(dòng)方式的研究和單擺的工作中開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)的先河。但牛頓首先明確表述了科學(xué)方法的基礎(chǔ)，即思想(假定)、觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法�，F(xiàn)代科學(xué)正是建立在這一基礎(chǔ)之上。
　　牛頓的顏色理論，產(chǎn)生于他不得不離開劍橋回家休假的這段時(shí)間里所做的一系列實(shí)驗(yàn)。到1665年，一束陽光經(jīng)過一個(gè)三角透鏡后會(huì)變成一條像彩虹一樣的光譜的現(xiàn)象已被普遍認(rèn)識(shí)。對(duì)這一現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)解釋基于亞里士多德的觀點(diǎn)，即白光代表純凈的，沒有雜質(zhì)的形式，經(jīng)過玻璃則導(dǎo)致這種形式發(fā)生混亂。當(dāng)光進(jìn)入棱鏡時(shí)，它會(huì)發(fā)生彎曲，然后沿一條直線到達(dá)三角形的另一邊，在那里它再次彎曲后進(jìn)入空氣。同時(shí)光會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，從一個(gè)白色的光點(diǎn)變成一條彩色的線，沿三角形頂點(diǎn)向下，上面的光折曲最小，在玻璃中經(jīng)過較短的距離出射成為紅光。在下面三角形的邊要寬一些，光進(jìn)入棱鏡時(shí)要折曲的多一些，在玻璃中經(jīng)過較長的距離到達(dá)另一邊進(jìn)入空氣而變成紫色。在兩者之間存在著彩虹中所有的顏色——紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。在一個(gè)黑暗的房子里，讓光通過窗簾上的一個(gè)小孔射進(jìn)來，把一個(gè)棱鏡擋在光束前面，對(duì)著窗戶的墻上就會(huì)出現(xiàn)彩色的光譜。
　　亞里士多德認(rèn)為，在玻璃中傳播距離最短的白光變化最小，成為紅光，而傳播距離稍長則變化稍大，是黃色，然后以此類推直到紫色。
　　實(shí)際上牛頓用自制的棱鏡和透鏡對(duì)這些觀點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過改變透鏡的形狀，力圖減小顏色的變化。他第一個(gè)區(qū)分了光譜中不同顏色的光，并命名了7種顏色(他有意選擇了7種顏色，因?yàn)?是一個(gè)帶有某種神秘意義的素?cái)?shù)，如果你發(fā)現(xiàn)在彩虹中在藍(lán)色和紫色之間難以區(qū)分單獨(dú)的靛色，你絕對(duì)不屬于少數(shù)了)。
　　但是牛頓這次進(jìn)行的最重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)只不過是在第一個(gè)棱鏡后面放了第二個(gè)棱鏡，只不過放的方式不同，第一個(gè)棱鏡尖朝上放，將一束光譜展開成彩色的光譜，第二個(gè)棱鏡尖朝下放，將展開的彩色光譜變回了一束白光。雖然光經(jīng)過了更厚的玻璃，但它并沒有變得更混亂，而是回到了原來的純凈狀態(tài)。
　　牛頓認(rèn)為，這說明白光一點(diǎn)也不“純凈”，而是由彩虹中所有顏色的光混合成的，不同顏色的光在折射時(shí)彎曲程度不同，但是在原來的白光中包含所有顏色的光。這是一個(gè)革命性的觀點(diǎn)，因?yàn)樗�不僅推翻了亞里士多德哲學(xué)的一項(xiàng)基礎(chǔ)，而且還是建立在可信的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上。但牛頓并不急于向世界宣布他的發(fā)現(xiàn)，他在1665年所獲得的對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)使他致力于一種新型望遠(yuǎn)鏡的研究。
　　用大透鏡做成的望遠(yuǎn)鏡(折射望遠(yuǎn)鏡)存在一個(gè)問題，因?yàn)橥哥R同樣會(huì)把白光分解成有色的光譜。這樣所觀察的物體的圖像上會(huì)產(chǎn)生彩色條紋，使圖像模糊不清，使我們?cè)谟^察星星時(shí)非常不便，這種現(xiàn)象稱之為“色散”。牛頓發(fā)現(xiàn)要做出一個(gè)沒有色散的透鏡系統(tǒng)很困難(但并非不可能，如所謂的消色差透鏡系統(tǒng)，是利用兩片或多片折射性質(zhì)不同的玻璃來制作望遠(yuǎn)鏡，它不會(huì)產(chǎn)生色散)，因此，牛頓設(shè)計(jì)并制作了用曲面鏡而不是大透鏡的望遠(yuǎn)鏡——反射望遠(yuǎn)鏡。
　　牛頓的反射器想法很簡單，用望遠(yuǎn)鏡后部的一片大曲面鏡把光反射到一個(gè)斜度45角放置的平面鏡上，使光改變方向穿過鏡壁上的一個(gè)小孔射出來，觀察者可以通過這個(gè)小孔來觀察，而不必?fù)?dān)心頭部會(huì)擋住星光。這個(gè)想法十分卓越，因?yàn)樗�非常簡單，但用現(xiàn)有的材料制作一面精確的鏡子是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)工作，作為一個(gè)專業(yè)的工匠，牛頓自己動(dòng)手完成了鏡子。最后他做成了一臺(tái)長約20厘米(6英寸)的儀器，這臺(tái)儀器產(chǎn)生的圖像比用四倍長的反射器產(chǎn)生的圖像大九倍，而且沒有色散。
　　這時(shí)，瘟疫已經(jīng)漸漸過去，大學(xué)重新開學(xué)，牛頓回到了劍橋。他在1667年當(dāng)選為三一學(xué)院的研究員。同年，英國和荷蘭爆發(fā)了戰(zhàn)爭，荷蘭艦隊(duì)在泰晤士成功地襲擊了英國人，劍橋也聽到了槍炮聲，大家都知道是怎么回事;牛頓斷言荷蘭取得了勝利(事實(shí)果然如此)，這給他的同事留下了深刻的印象。他的理由是，槍炮聲越來越大，這說明戰(zhàn)場越來越近，英軍正在撤退。
　　到1669年，由于他在數(shù)學(xué)上的工作，牛頓的聲望漸漸超出了劍橋的范圍。同年，第一位盧卡斯數(shù)學(xué)教授，艾薩克巴羅(于1663年任職)退休，實(shí)際上是為了牛頓。巴羅雖然是一位有成就的數(shù)學(xué)家，但他卻有另外的雄心。他很快成了國王的第一牧師，然后是三一學(xué)院院長。他對(duì)亨利盧卡斯——是他設(shè)立的盧卡斯教職——的遺囑執(zhí)行人有足夠的影響，使得他的繼任者也是一個(gè)三一學(xué)院人，并作為一個(gè)知名的數(shù)學(xué)家開始留下足跡。
　　這項(xiàng)任命保證了牛頓在劍橋的地位，但同時(shí)要求他作定期演講。他第一期演講的題目并不是數(shù)學(xué)而是光學(xué)和顏色理論，其中特別提到了透鏡的色散問題。同時(shí)他自豪地向劍橋及周圍的同事展示了他的新望遠(yuǎn)鏡。實(shí)際上，現(xiàn)存的牛頓最早的信(寫給一個(gè)不知名者)寫于1669年，主要內(nèi)容就是描述望遠(yuǎn)鏡。
　　1671年底，皇家學(xué)會(huì)(1662年正式建立，實(shí)際上已于1645年非正式成立)得知了這項(xiàng)非凡儀器的消息�；始覍W(xué)會(huì)秘書，亨利奧登堡要求看一下這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，巴羅代替牛頓把它交給了在倫敦的學(xué)會(huì)。1672年1月奧登堡給牛頓寫了一封過分恭維的信，表達(dá)了學(xué)會(huì)對(duì)他這項(xiàng)發(fā)明的贊美，并告訴他，關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的消息已經(jīng)通知了當(dāng)時(shí)在巴黎的惠更斯。作為新式望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明者，牛頓逐漸開始享譽(yù)歐洲大陸。由于這項(xiàng)發(fā)明，他于1672年1月11日當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，并于數(shù)周后發(fā)表了他的第一篇物理學(xué)論文，形式上是給奧登堡的一封信，信中牛頓闡述了他的顏色理論。這篇論文于1672年2月19日發(fā)表在學(xué)會(huì)的“哲學(xué)會(huì)刊”上，并導(dǎo)致了牛頓第一次著名的學(xué)術(shù)爭論。
　　羅伯特胡克，生于1635年，死于1703年，當(dāng)時(shí)是皇家學(xué)會(huì)的實(shí)驗(yàn)館館長。他在科學(xué)上已經(jīng)久負(fù)盛名，并對(duì)光和顏色有自己的觀點(diǎn)(他自己的光波動(dòng)論發(fā)表于1665年，但沒有惠更斯完善)，他總希望自己的任何工作都能搶到優(yōu)先權(quán)。在一封給牛頓的回信中以居高臨下的措辭，他首先否定了光是由微粒構(gòu)成的概念，并認(rèn)為牛頓的顏色理論與粒子假設(shè)無關(guān)，并不值得如此夸贊，胡克用詞尖刻，暗指牛頓理論中原創(chuàng)的東西是錯(cuò)的，而對(duì)的東西不是原創(chuàng)的。
　　爭論的結(jié)果有兩個(gè)：第一，它使牛頓從學(xué)術(shù)界躲避出來，把自己關(guān)在劍橋，很長時(shí)間里拒絕發(fā)表更多的東西(他把自己完善的光學(xué)理論留在手中，直到胡克死后，確信不會(huì)發(fā)生問題時(shí)才全部發(fā)表);第二是牛頓的那句名言——“如果我看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟稀保�尖刻地諷刺了胡克矮小的個(gè)子，同時(shí)暗指胡克才智不佳。（此句話與牛頓引力論無關(guān)，而是出自1675年他寫給胡克的一封信，距他的《原理》一書發(fā)表有12年。關(guān)于牛頓與胡克爭論的詳情，參見格里賓的《尋找時(shí)間的邊緣》第一章。）
　　另一項(xiàng)批評(píng)則使牛頓提出了對(duì)自己工作方法的認(rèn)識(shí)——什么是科學(xué)的方法。法國天主教耶穌會(huì)教士讓加斯東帕拉第斯從巴黎給牛頓寫了一封信，質(zhì)疑了牛頓理論中幾點(diǎn)牛頓認(rèn)為恰當(dāng)?shù)姆椒�。牛頓并沒有把帕拉第斯當(dāng)成傻瓜對(duì)待，而是回信詳述了自己的觀點(diǎn)，他寫道：
　　“哲學(xué)最好和最安全的方法似乎應(yīng)該是，首先努力探索事物的性質(zhì)，然后用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些性質(zhì)，接著逐漸提出假設(shè)來解釋這些性質(zhì)。假設(shè)只能被用來解釋事物的性質(zhì)，而不是決定它們，它只是實(shí)驗(yàn)的奴仆。”（引自維斯弗《永不停息》，242頁。）
　　這就是科學(xué)之全部。無論你的理論多么完美，如果它與實(shí)驗(yàn)不符，那它就不是正確的。例如，牛頓的光的理論(可能應(yīng)稱之為“假設(shè)”，當(dāng)胡克用這個(gè)詞來定性牛頓的思想時(shí)，牛頓很不高興)，它將折射歸因于光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時(shí)的速度變化，但與惠更斯的理論不同，微粒說要求光在稠密的媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)得更快。這就有了一種很明確的方法來區(qū)分這兩種思想;如果牛頓在有生之年能看到實(shí)驗(yàn)顯示光在稠密的媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的更慢時(shí)，他肯定會(huì)接受光是以波的形式傳播的觀點(diǎn)。
　　牛頓不僅建立了考察世界的科學(xué)方法，他(和惠更斯等同時(shí)代的人一起)還提出了第一個(gè)客觀世界的模型，它表明宇宙遵守確定的規(guī)律(或定律)，不同的現(xiàn)象，大到行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)，小至光束的彎曲，都可以用這些規(guī)律來解釋，而不必借助于反復(fù)無常的神的一時(shí)興致。
　　17世紀(jì)的巨匠留給我們的圖景常被十分準(zhǔn)確的稱為“時(shí)鐘宇宙”，遵從永世不變的定律。但這里的時(shí)鐘并不是現(xiàn)在的鐘或手表的樣子，一秒一秒地走過，實(shí)際上我們應(yīng)該想象一下17世紀(jì)教堂里的那種大鐘，按照惠更斯的設(shè)計(jì)，由一個(gè)巨大的鐘擺驅(qū)動(dòng)，包括很多連在一起的大小齒輪，不僅驅(qū)動(dòng)了時(shí)間嘀嗒的流逝，同時(shí)還驅(qū)動(dòng)了一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，能讓舞臺(tái)上的圣人像跳舞，能撞擊鈴鐺，在特定的時(shí)間產(chǎn)生特定的運(yùn)動(dòng)。17世紀(jì)的科學(xué)認(rèn)為，與此類似的鐘表系統(tǒng)支撐著行星繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)以及其他自然現(xiàn)象。
　　在牛頓留給我們的思想遺產(chǎn)中，第一點(diǎn)是宇宙中任何事物的行為都是可以預(yù)測(cè)的，正如教堂的大鐘在舞臺(tái)上人像的運(yùn)動(dòng)是可以預(yù)測(cè)的;第二點(diǎn)是用人腦可以理解的簡單定律就可以理解宇宙是如何運(yùn)作的。因此，盡管對(duì)光本性的進(jìn)一步理解似乎表明牛頓的微粒說是錯(cuò)的，但與取得的成就相比，這似乎顯得無關(guān)緊要，當(dāng)然這仍然是很重要的一步。