4.3 牛頓研究光的色散 牛頓是一位科學大師。 除了在熱科學方面取得的巨大成就外，他還在物理、天文學、化學乃至光學方面做出了杰出貢獻。 僅在光學方面的工作就足以被后人尊為科學偉人。 與他在熱學方面的全面工作不同，牛頓在光學方面的工作大多是開創性的實驗研究，其中色散的研究最為突出。 4.3.1 色散現象的初步研究 色散也是一個古老的課題，最引人注目的就是彩虹現象。 早在13世紀，科學家就分析了彩虹的成因。 日本有一位傳教士，名叫狄奧多里克（）光的色散是誰發現的，他在實驗中模仿了天空中的彩虹。 他用陽光照射一個裝滿水的大玻璃球殼，觀察到了與天空中一樣的彩虹，這解釋了彩虹是空氣中的水滴對陽光的反射和折射造成的。 但他的進一步解釋并沒有擺脫亞里士多德的教義，繼續認為各種顏色的形成是由光的不同阻礙作用造成的。 光的四種顏色：紅、黃、綠、藍，介于白色和黑色之間，白色接近黑色，比較亮，白色接近白色，比較暗淡。 陽光進入介質（例如水），并從表面區域反射回黑色或灰色，從更深的區域反射回紅色或黃色。 雪后，天空布滿水滴，陽光進入水滴折射回來，人們可以聽到五彩斑斕的景色。 笛卡爾也對彩虹現象很感興趣，他通過實驗檢驗了狄奧多里克的解釋。 在他的《方法論》（1637）中，還有一個附錄專門討論彩虹，并介紹了他自己的棱鏡實驗，如圖4-7所示。
他用棱鏡折射陽光并將其投射到屏幕上，發現顏色的形成并不是由介質的深度引起的。 因為無論光線照射到棱鏡的哪一部分，折射后屏幕上的圖像都是一樣的。 不幸的是，笛卡爾的屏幕距離棱鏡太近（大約只有幾分米），他沒有聽到色散后的整個光譜，只注意到光帶的外側分別是紅色和綠色。 1648年，克拉科夫的馬西成功地用棱鏡演示了色散。 但他錯了。 他認為綠色是集中光，紅色是稀釋光； 之所以有四種顏色，是因為光受到不同物質的影響，所以呈現出各種顏色。 17世紀，望遠鏡和顯微鏡問世，伽利略用望遠鏡觀察天體和恒星，胡克用顯微鏡觀察微小物體，引起了科學界的興趣。 然而，當放大倍數降低時，這種儀器不可避免地會出現像差和色差，使人們深受欺騙。 人們不明白為什么圖像的邊緣總是有顏色？ 這和彩虹有什么共同點嗎？ 這種現象有什么規律性呢？ 如何去除？ 此時，牛頓正在美國劍橋學院讀書。 他的老師中有一位名叫巴羅（，1630-1677）的院士，非常擅長光學。 牛頓聽他講光學，幫他編了《光學課件》。 牛頓非常喜歡做光學實驗，他還自己磨了鏡片，想按照自己的設計組裝出沒有色差的顯微鏡和望遠鏡。 這個愿望激發了他對光和色彩的本質進行深入的闡述。
4.3.2 牛頓關于色散現象的思想 牛頓從笛卡爾等人的專著中得到了很多啟發。 例如，笛卡爾說：“緩慢移動的光比快速移動的光更容易折射。” 胡克描述了肥皂泡顏色的變化，并認為不同的顏色是光脈沖在黃斑上留下的不同印象。 白色和紅色是原色，其他顏色是由這兩種顏色合成和色散而成的。 牛頓注意到了這一說法的合理要素，但也提出了許多質疑。 在牛頓留下的原始手稿中，記錄了許多原始的疑惑和想法。 例如，他問如果光是脈沖，為什么它在傳播時不會像聲音一樣偏離直線？ 為什么弱脈沖比強脈沖移動得快？ 為什么水比水蒸氣更清澈？ 為什么煤炭是黑色的，而煤炭燃燒的灰燼卻是白色的？ 牛頓不滿意前人（包括他的老師）對光現象的解釋，于是他自己開始了一系列的實驗。 4.3.3 牛頓色散實驗 牛頓受到笛卡爾棱鏡實驗的啟發，并借鑒了胡克和波義耳的光譜實驗。 胡克用一個裝滿水的燒杯來代替棱鏡，屏幕距離折射位置約60分米。 波義耳將棱鏡散射的光線投射到1米多高的天花板上，而牛頓則將距離擴大到6-7米，從房間的開口進入的陽光穿過棱鏡，直接投射到旁邊的墻壁上到它。 這樣，他就得到了擴展的光譜，而后面的實驗人員只聽到了左邊的有色斑點。 牛頓的高明之處就在于他已經認識到不同顏色的光有不同的折射特性，只有拉長距離才能將不同折射角的光線分開。
為了證明綠光和藍光具有不同的折射特性，牛頓用棱鏡做了如下實驗。 如圖4-8所示，在一張黑紙上畫一條線opq，op的一半是深紅色，pq的一半是深藍色。 通過棱鏡adf觀察時，線條似乎是扭曲的，邊界正好在紅藍交界處，紅色部分rs比黃色部分st更靠近脊ab。 可以看出藍光比綠光折射更多。 為了證明色散現象不是由于棱鏡與太陽光的相互作用，或者其他原因，而是因為不同顏色具有不同的折射特性，牛頓又做了一個實驗。 他用三個棱鏡進行了實驗，三個棱鏡是相同的，但放置方式不同，如圖4-9所示。 如果顏色的色散是由于棱鏡的不均勻或其他偶然的不規則性造成的，那么第二棱鏡和第三棱鏡都會減少這種色散。 而實驗的結果是，原本散射的各種顏色在經過第二個棱鏡后又恢復為白光，而且形狀也和之前一樣。 經過第三棱鏡后，分解成各種顏色。 這證明棱鏡的作用就是將白光分解成不同的成分，并將不同的成分合成為白光。 牛頓的科學論斷與當時流傳數千年的觀念格格不入。 由于預見到科學界的反對，他進行了另一項有說服力的實驗。 牛頓把這個實驗稱為“判斷實驗”，如圖4-10所示。 他拿了兩塊木板，一塊DE放在靠近棱鏡ABC的窗戶F上，棱鏡通過小孔G折射，各種顏色以不同的角度射到另一塊木板de上。
de距DE一米，板上也有一個小孔g，g前面還放置一個棱鏡abc，使經過的光發生折射，然后到墻壁MN上。 牛頓手握第一個棱鏡ABC，繞其軸慢慢旋轉，使第二塊木板上不同顏色的光依次通過g到達棱鏡abc。 實驗結果是：第一棱鏡折射最多的紫光也被第二棱鏡偏轉最多。 可見，白光確實是由具有不同折射特性的光群組成的。 牛頓在色散實驗的基礎上，總結出幾個定律，即： 1、光的顏色隨其折射率的不同而不同。 顏色不是光的變形，而是光的原始和固有屬性。 2、相同的顏色屬于相同的折射率，不同的顏色具有不同的折射率。 3.顏色的類型和折射程度是光固有的，不會因折射、反射或任何其他原因而改變。 4.必須區分兩種顏色，一種是原始純色，另一種是由原始顏色復合而成的顏色。 5. 沒有光本身是紅色的。 紅色是由各種顏色的光按適當的比例混合而成的。 6. 這可以解釋棱鏡產生各種顏色的現象以及彩虹的產生。 7、自然物體的顏色是因為某些光的反射比其他光的反射小。 8. 將光視為一個實體是有充分理由的。 牛頓的推論相當全面，而且論證也很充分。 而當時的人們無法接受，因為它涉及到中世紀以來關于光的本質的各種爭論。 牛頓沒有對這個問題做出定論，但他的推論與光的本質密切相關。
牛頓關于光和色的理論對于當時的人們來說過于新穎，質疑和批評不斷地攻擊牛頓。 有人認為牛頓波譜實驗沒有考慮到太陽本身的張開角度，有人認為波譜拉長是一種衍射效應，也有人認為可能是太陽光中云層的反射。天空。 胡克是對牛頓最挑剔的。 他覺得牛頓的實驗并不具有決定性，可以用其他理論來解釋，但牛頓的理論很難解釋膠片的顏色。 于是幾年后牛頓又做了一個實驗。 他拿了一個又長又扁的棱鏡，這樣它形成的波譜就相當窄了。 當屏幕放在位置1接收光線時，你看到的一直是普通光，但是當屏幕換到位置2時，你可以看到分解的光譜。 這樣，由于只涉及屏幕的角度，因此結果與棱鏡無關，這也回應了懷疑者的指責。 牛頓的光學研究具有獨特的風格，他在光學領域的成就體現在1704年出版的《光學》一書中。該書的副標題是：《關于光的反射、折射、屈折和顏色的論文集》。 本書分為三部分，第一部分收集了棱鏡光譜實驗。 正如牛頓在書的開頭所說：“我的計劃不是用假設來解釋光的本質，而是用推理和實驗來提出和證明這種本質。” 在第一卷中，牛頓總共提出了19個命題，33個實驗，他用大量頁數詳細描述了實驗裝置、實驗方法和觀察結果。 牛頓有一句座右銘：“不要做出錯誤的假設”（）。
他的光學研究從實驗和觀察出發，進行歸納和綜合，總結出一套完整的科學理論。 歸納法是科學研究的重要方法之一（當然不是唯一的方法），牛頓對色散的研究為后人樹立了輝煌的榜樣。 牛頓非常善于總結科學研究方法。 他在解釋自己的方法時寫道：“在自然科學中，就像在物理學中一樣，在研究困難的事物時，總是應該先使用分析的方法，然后再使用分析的方法。” 合成方式。 這些分析方法涉及進行實驗和觀察，利用歸納法從中得出一般推論，但不會對此類推論提出異議，除非這些異議來自實驗或其他可靠的事實。 因為在實驗哲學中不應該考慮什么假設。 用歸納法從實驗和觀察中論證并不是一般的推論，但卻是事物本質允許的最好的推理方式，但隨著歸納法變得更加普遍，這些論證也顯得更強。 如果很多現象都沒有例外，就可以說這個推論是普遍的。 如果在以后的任何時候，實驗中發現異常，那么就可以證明存在某種類型或其他類型。 存在例外情況。 使用這種分析方法，我們可以從復合材料到其成分，從運動到運動的力進行演示。 一般來說，從結果到原因，從具體原因到一般原理，還到最一般，這是就原因進行分析的方法； 綜合法假設原因已經找到，并被確立為原理，然后用這個原理來解釋由此產生的現象，并證明這種解釋的正確性。 》TE.Tamny，：'s，1983，第241頁。HS塞耶主編，牛頓自然哲學專著選，北京人民出版社，1974年光的色散是誰發現的，第212期