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光学发现一千年
[2015-12-20 13:11:03]

    作者:记者 韩天琪  来源:《中国科学报》(2015-12-18 第6版 历史)



牛顿(Isaac Newton,1643—1727),英国著名物理学家、数学家和天文学家。
图片来源:百度图片

    在人类从外界获取的各种信息的总体中,有80%以上是依靠视觉实现的,而光是构成视觉不可或缺的要素,因此,人们对光的关注、思考和认识很早就开始了,到古希腊为止,已经出现了形形色色的用于解释视觉、光和颜色现象的初步系统化的理论。

    2015年距阿拉伯学者伊本·海赛姆的五卷本光学著作诞生恰好一千年。一千年来,光技术带给人类文明巨大的进步。为此,联合国宣布2015年为“国际光年”,以纪念千年来人类在光领域的重大发现。

    人类对光的最初探索

    在人类从外界获取的各种信息的总体中,有80%以上是依靠视觉实现的,而光是构成视觉不可或缺的要素,因此,人们对光的关注、思考和认识很早就开始了,到古希腊为止,已经出现了形形色色的用于解释视觉、光和颜色现象的初步系统化的理论。
    中国科学院自然科学史研究所助理研究员樊小龙在接受《中国科学报》记者采访时表示,历史上的科学家主要研究有关光的如下两个问题:一是光是什么,从哪里来,亦即光和颜色的本性、光与传播媒介相互作用;二是光的传播、光与物体的作用以及光与眼睛的作用亦即物象和视觉。
   “古希腊诸光学理论有一个共同关注的核心问题,即对眼睛能看见东西这一事实进行解释,或者是做某种必要的交代——事实上,关于这一问题的基本理解将构成各个光学传统的理论基石。”樊小龙认为,据此而言这些光学理论大致可以分为以下几类传统:欧几里得、托勒密等认为光是从眼睛发出的某种东西;古希腊原子论者则认为光由外部物体发出;亚里士多德和盖伦则把光看成是透明媒介的一种特殊状态,在这种状态下,媒介构成眼睛到视觉对象之间的桥梁,所不同的是,亚里士多德认为这种状态是视觉对象的物体造成的,而盖伦则恰恰相反,认为是由眼睛造成的。
    这些纷繁复杂的古希腊学说在希腊化时期以后传到阿拉伯世界,经穆斯林学者广泛消化、吸收,继承了下来,并有了新的发展,但是在很长一段时期内,形势像此前一样,不同的研究传统依靠各自的信徒彼此独立发展,并进行激烈的相互对抗。
   “这些争论的日益走向深入预示着一场重大变革——11世纪,伟大光学家海什木(Ibn al-Haytham,965~1021)第一次综合了各种古代思想,形成了光学理论的基本统一。海什木肯定了光的物理传统有关视觉源于外界对于眼睛的某种刺激的信条,为在现实可能性上对光学现象进行理论解释奠定了基础;同时又吸收了几何光学传统的视锥模型的优点,但是重新加以运用——用外界物体表面的每一个点代替眼睛,成为一个个倒转的视锥,从而不仅在物理上解释了视觉的可能性,也捍卫了运用数学工具处理光学现象的合法地位,此外,海什木还关注并有效吸收了盖伦传统,相当细致地讨论了视觉生理学的部分内容。其光学著作和思想在20世纪末或13世纪初传入拉丁语世界,随后统治了自此以后直到17世纪之前的整个欧洲的光学,影响深远。”樊小龙介绍道。

    近代以降的光学传统

    伽利略以降,随着望远镜、显微镜等装配有各式透镜的光学仪器的广泛应用,透镜成像的色差困扰成为新的光学研究的重要诱因和研究热点,包括开普勒、笛卡尔、波义耳、虎克、惠更斯和牛顿等著名科学家都对这一主题的相关内容进行了新的重要探索,取得了一系列革命性的成就,翻开了光学的新篇章。
   “在这一时期,开普勒研究了光的折射,试图找到其中的规律,这一规律随后被斯涅耳发现。笛卡尔使用玻璃球制造人工彩虹,从而对彩虹的机理给出了解释。另外,他曾使用三棱镜验证其对日光的投影是椭圆,然而他太关注于这一目的,因此并没有使自己的屋子足够暗,也没有充分观察投影的形状和颜色。虎克也曾使用三棱镜(装满水的玻璃球)做过色散实验,但是他的棱镜与投影的距离太近,因而只观察到微弱的红色和蓝色在光斑两端的出现,从而错过了全色谱的发现。惠更斯曾在1652~1653年间用玻璃棒做过彩虹颜色的实验,他成功观察到了色光的变化,并且测量了红光的折射角,然而未能作进一步的研究。惠更斯与虎克一样支持光的波动理论。”樊小龙说道。
    樊小龙认为,总体来看,在牛顿之前,光学界有关色散现象的解释千人千面,仍远未统一;与此同时,大量新的分歧及新的光学现象陆续产生。如何综合这些大量的解释理论,形成统一的系统的新理论并能够解释形形色色的新现象成为牛顿所要承担的光学革命的意义所在。

    发现七色光——牛顿的光学革命

   “1672年年初,年轻的剑桥大学教授艾萨克·牛顿将一架自制的反射望远镜送给英国皇家学会,学会秘书亨利·奥登伯格回信告诉牛顿,他的望远镜深受学会会员的好评。牛顿回信给奥登伯格,信中提到,他的望远镜固然好用,而促使他制造出该望远镜的发现也许更有价值,牛顿评价这一发现是‘迄今为止对自然运作最奇特的发现,如果算不上最重大的发现的话’。”樊小龙讲述道。
    这个发现是由牛顿著名的“三棱镜”实验完成的。1666年,牛顿获得了一块三棱镜,用其演示著名的“色散现象”。他在一间暗室的窗户上设置了一个小孔,紧挨着小孔放置着该三棱镜。阳光由小孔投射进来,透过三棱镜,将太阳的像投射到对面的墙壁上。使他感到“惊奇”的是,根据光的折射理论,这一成像的形状本应为圆形,然而他所看到的则是明显的长条形状,其长度达宽度的五倍。他经过细心的考察,排除了自己所能设想到的一切可能的旁因。
   “这一过程最终诱使他到达了‘关键性实验’——牛顿使用了第二块棱镜对经第一块棱镜生成的色光作进一步的处理,结果发现第二块三棱镜不对已产生的色光造成任何变化。牛顿据此断言,呈现椭圆形的像的原因不在别处,乃是因为日光是由具有不同折射能力的多种光线组成的,在具有同样入射角的情形下,不同的光线会因为三棱镜的折射作用而发生扩散。”樊小龙接着说。
    不久,奥登伯格收到了牛顿论述其发现的那篇划时代的论文,从此整个光学研究都掀开了新的一页。
 

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