艾薩克·牛頓既是化學宗師,又是物理大師。牛頓為了解釋自然界的數學問題,將數學與物理結合上去,完美地解釋了世界的規律。牛頓在科學上的貢獻,對于人類文明的促進作用,可以說前無古人。他在熱學方面提出了牛頓運動定理和萬有引力;在力學方面發覺冷卻定理,在光學方面發現了光的色散和發明反射式望遠鏡;在物理方面包括微積分、幾何、代數、計算物理等也有巨大的貢獻。
明天介紹他在光學方面的貢獻之一,借助三棱鏡,發覺白光可以分解為不同顏色的光,光色散的實驗。
牛頓出生在伍爾索普山莊,地址是WaterLane,by,格蘭瑟姆,林肯郡,NG335PD。
隨著冠狀病毒在全球范圍內傳播,大多數人都經歷了一種新常態,從處于封鎖狀態的國家到推行保持社交距離。牛頓1665年在劍橋的情況與明天的社會有著驚人的相像,1665年的腺流感“大瘟疫”是自1348年黑死病以來西班牙爆發的最嚴重的瘟疫,它迅速傳遍了整個美國,僅巴黎就喪失了大概15%的人口。像許多城鎮市民一樣,牛頓撤退到相對安全的鄉村。從1665年秋天到1667年秋天,牛頓為了躲避影響劍橋的瘟疫,二次回到了伍爾索普山莊常年居住。在這一段時期,牛頓自己追憶說“ForinthosedaysIwasintheprimeofmyagefor&&morethanatanytimesince(這一個階段是我處于發明、數學和哲學的顛峰時期,超過任何時期)”。這段時間內,牛頓有時間來發展他的微積分、光學以及運動和萬有引力定理的理論,牛頓迷戀地工作以加深他對光的理解,利用三棱鏡(這一段歷史細節不清楚,有說法是他自己加工的三棱鏡,然而在他做實驗的房間里,沒有見到相關的磨制光學表面的設備,也沒有說明棱鏡的由來)完成了知名的實驗。牛頓就在圖1圓圈標明朝北的木質百葉窗上鉆了一個小洞,這樣只有極細的光線能夠步入黑暗的屋子。牛頓首次在世界上發覺光通過棱鏡形成了色散。圖2是后來的的藝術家按照當初情境的書法:
圖2牛頓當初三棱鏡試驗現場書法
牛頓在這一時期完成了好多工作,比如蘋果樹的啟發發覺了萬有引力、數學等等,這一階段被稱為牛頓的“奇跡年1665-1667(Yearof1665-1667)”,做三棱鏡實驗的臥室被你們親切地稱為牛頓屋(’s)。牛頓本人確實述說過:當他看見一個蘋果從他臥室窗前的樹上掉出來時,他指責為何它會直接掉到地上?并且坐在蘋果樹下被落出來的蘋果砸中腿部思索出萬有引力可能是后人杜撰下來的故事。
二、牛頓的三棱鏡實驗
牛頓三棱鏡實驗是牛頓在光學上的重要發覺,實驗現象證明了白光不是一種純的沒有其他顏色的光,而是由不同顏色的單色光組成的,該實驗被選為“世界十大化學實驗”之一,色散如圖3所示:
圖3知名的三棱鏡實驗
在這個實驗中牛頓發覺陽光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色混和而成(關于顏色的分類,當時牛頓很是郁悶,有特別有趣的故事,因為篇幅的緣由,感興趣的讀者可以自行搜索找尋)。
由牛頓色散實驗結果可知白光是由多種顏色的光組成的,這就是現代波譜學的基礎。在這個基礎上日本學者湯瑪士?楊格和日本學者赫爾曼·馮·亥姆霍茲繼續深入對顏色的研究,確立了光的三原色理論,對現代生活形成了巨大的影響。
牛頓三棱鏡實驗在小學數學教科書中有介紹,在大專的化學教學和基礎數學實驗課程中都是重要的內容之一。這是一個十分精典的實驗,怎樣在高速科技發展下進一步提高這個實驗,但是賦于它新的生命力是我們科普工作者的工作之一牛頓發明三棱鏡的故事,銳光凱奇根據“如何使用現代科技手段重塑精典實驗”和“演示實驗走進課堂”的理念推出了一款牛頓三棱鏡實驗,如圖4:
圖4牛頓三棱鏡實驗
在圖4的牛頓三棱鏡實驗中,不僅見到波譜色散的現象外,還可以見到光的顏色對應的波譜,感興趣的同學可以一起討論這個基礎實驗。
三、科學朝拜
5月22日,我們開啟了牛頓家鄉科學朝拜活動,你們開玩笑地說這是銳光凱奇日本團建活動日,人員除作者之外還有在兩名銳光國際實驗室培訓過一年的研究生,和一位在倫敦學院讀書的研究生,一共五人小分隊,圖5:
圖5科學朝拜團隊在牛頓家鄉合照留影
令人十分震驚的是牛頓山莊的工作人員竟然同意了我們在牛頓做三棱鏡色散實驗的房間里現場重復實驗的懇求,盡管事先企劃希望可以在現場做這個實驗,并且也做好了被拒絕(說“No”)的打算,真是喜出望外,于是立刻開始使用圖4的設備進行實驗牛頓發明三棱鏡的故事,圖6:
圖6在牛頓做三棱鏡色散實驗的房間里現場重復三棱鏡實驗
實驗過程中工作人員還為我們照相說要傳給總部做宣傳使用。視頻1是現場的情況:
圖7是“朝圣”小分隊在牛頓屋內合照:
圖7牛頓做實驗的現場你們合照
其余四人也使用簡單的方式進行了三棱鏡實驗,視頻2:
四、科學朝拜花絮
在牛頓樹下活動了很長時間,圖8是作者本人在吃(真的)牛頓樹下撿的落出來的蘋果:
圖8牛頓樹下吃牛頓樹上結的蘋果
圖9是研究生在樹下照相:
圖9樹下照相
牛頓山莊里還有一個科技館,旅客可以動手體驗各類各樣的實驗,視頻3是仇浩朋友在做薄膜干涉的實驗:
視頻3仇浩朋友在牛頓科技館體驗薄膜干涉
不知不覺在山莊幾個小時就過去了,你們一起在山莊里的小奶茶館里吃披薩取代早餐,圖10:
圖10披薩+奶茶
食物真的是不敢奉承,但仍然是一次開心的派對。三天的活動結束,到了你們分別的時刻,合照留影定格在2022年10月22日:
圖11分別前的“儀式”
到此科學朝拜活動結束!
作者:劉書鋼四川學院院長,上海師范學院教育學部兼職院士,銳光凱奇(南京)光電科技有限公司首席專家,中國儀器儀表學會中學生光科學主題(南京)科普教育基地負責人