牛顿的光学思想及其影响.doc

第 16 卷第 4 期1 9 9 7 年4 月大 学 物 理COLL E GE P H YSICSVol . 16 No . 4Ap r . 1997牛顿的光学思想及其影响 3姚春梅1)文定忠2)王成宇2)( 1) 常德师范专科学校物理系 ;2) 常德广播电视大学 ,湖南常德 415000)摘 要 依据某些史料 ,指出人们对牛顿光学成就认识上存在的片面性 . 对于光的本性的两种学说 ,认为牛顿只持其一种是不正确的 ,更不能说是由于牛顿的权威而阻碍了光学的发展达 100 年之久 .关键词分类号微粒说 ;波动说 ;牛顿环O433 . 1源的本质 . 1672 年 2 月 ,牛顿怀着揭露大自然奥秘的兴奋和喜悦 ,在第一篇正式的科学论文论光和颜色的新 理论中 ,以 13 个命题阐述了他的颜色起源学说 “, 颜 色不象一般所认为的那样是从自然物体的折射或反射 中所导出的光的性能 ,而是一种原始的 、天生的 、在不 同光线中不同的性质 . ”“通常的白光确实是每一种不 同颜色的光线的混合 ,光谱的伸长是由于玻璃对这些 不同的光线折射本领不同”2 . 为此他总结道 “: 因为颜 色这样的质起源于光之中 ,所以现在有充分的根据认 为光是实体”3 . 虽未明确说光必定是一种“物体”,却 隐含了这样的思想 . 这是牛顿在极为精巧 、周密的实验 基础上得到的结论 ,他还是非常谨慎 “, 但要更确切地 判定什么是光 ,它怎样折射 ,并且凭什么方式和作用它 在我们头脑中产生颜色的感觉印象 ,这都不是那么容 易的事 ,我不想把推测和已确凿的事实混淆起来”2 .2) 争论及发展时期 对于同时代的人认为光的变化能显示出各种不同的颜色 ,牛顿的思想确实是新颖的. 牛顿的论文刚一发 表 ,就招致了各种不同的批评 , 最为棘手的是胡克 . 胡克对光是一种物体学说提出责难. 1672 年 2 月 15 日胡 克在写给皇家学会的信中说 “, 我不能认为它是唯一的1 引言提起伊萨克. 牛顿 ,人们无不钦佩他所建立的经典力学的完美 ,而说到他的光学著作则不那么热情了. 其原因就在于对牛顿光学思想及其影响的认识上有失 偏颇 ,以讹传讹 , 产生了一些误区 . 主要 表 现 在 : 1) 普 遍认为牛顿由于赞成光的微粒说而使自己受到损害 ;2) 人们抱怨说“由于牛顿的权威 , 使微粒说一度占统 治地位 ,阻碍了光学的进一步发展达 100 年之久”1 . 由是观之 ,牛顿在光学发展史中扮演了一个不光彩的 角色, 光学自然要受到冷遇了.要了解和正确评价牛顿的光学成就 , 最好的办法 是看他的著作怎么说 ,结合他所处的那个时代 ,考察牛 顿的光学思想发生和发展的整个历程 ,尊重历史 ,全面 评价. 切忌人云亦云 ,产生误区 .2 牛顿光学思想的形成和演变对光学问题的研究是牛顿全部创造生活的开端 ,亦是他最后未完成的课题 . 这期间随着新的实验现象 的不断涌现及科学家之间激烈的争论 ,牛顿的光学思 想经历了较为曲折的变化. 大致可以分为三个时期 :1) 独立研究时期17 世纪 ,由于实验科学的成长 ,尤其是望远镜 、显 微镜 的 发 明 , 推 动 了 人 们 对 光 的 研 究 . 1664 1668 年 间 ,年轻的牛顿独自地做了一系列实验来研究各种光 现象. 在他的手里首次使棱镜变成了光谱仪 ,用两个棱 镜交叉着做的实验是非常出色的 ,真正揭示了颜色起假设 ,但是 ,要承认他的第一个命题 : 光是一个物体 ,会有这样多颜色或等级 ,会有这样多种物体 , 全混”2合在一起成为白色是困难的 . 并且胡克认为他可以用波动观点解释牛顿的实验 ,而牛顿的理论却无法解释他所研究的薄膜颜色 .牛顿 6 月 1 日写信答复说 , 确实 , 根据我的理论 ,湖南省教委青年骨干教师基金资助项目. 纪念本刊创刊 15 周年征文等人的权威批评 , 而向以太说妥协 . 正象他在 1675 年12 月 9 日送交皇家学会的信中鲜明指出的 “, 我认为光 既非以太也不是它的振动 ,而是从发光物体传播出的不是用假说来解释光的性质 ,而是用讨论和实验来叙述和证实它们”4 以及在他书末指出的那样 ,在书中精心创作的不仅是光学方面知识的具体问题 ,而是创造某种与此不同的东西 .而另外一些人可以设想光了建立任何其他科学的普遍原则.是一群难 以 想 象 地 微 细 而 运 动 迅 速 的 大 小 不 同 的 粒子 ,这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射 出来 ,但它们相继两个之间我们却感觉不到有什么时 间间 隔 , 它 们 为 一 个 运 动 本 原 所 不 断 推 向 前 进由此可看出 ,由于光的某些被片面禁锢起来的特性 ,使人们在认识它的过程中获得了两个直接对立的概念 :微粒说与波动说 . 一定要说牛顿只持其一种 , 那是不正确的 . 当时的实验事实不允许对此作出一个决”2. 与胡克认为光是以太的振动的观点是截然不定性的选择 ,而牛顿是和本世纪初面临着这个选择的同的. 在这里 ,实际上牛顿以惊人的直觉提出了光是粒子性与连续性的古怪混合的思想. 因为他的理性是以 对实验的深刻理解作为扎实基础的 ,任何思想观点也 不能强加于他.3) 总结时期胡克去世后 ,牛顿光学著作于 1704 年问世. 其 中第一编描述了关于颜色起源的实验和讨论 ; 第二编 阐述了光的干涉现象 ,关于薄膜的颜色 ,创造了突发理 论 ;第三编叙述了对衍射现象的 11 个观察实验. 随后 多次再版中又陆续补充了 31 个富有启发性的疑问 ,对 光学的一系列基本问题 ,诸如物体内部光的吸收 、物光 间的相互转变 、光的周期性 、光的偏振 、以太模型等作 了广泛的讨论.“我之所以用提问的方式把它说出来 , 乃是由于缺乏实验 ,我对它尚不感到满意的缘故”4 .科学家一样很谨慎小心的 . 在那个时代 ,未必有谁能比牛顿更好地理解了光的“原始”性质.3 牛顿光学产生的影响对牛顿本人来说 , 光学不过是一个更宏大的使他感到困惑的起点站 . 对同时代的人来说 ,它却是科学中惊人的综合产物 . 因为牛顿工作的本身就是一个世纪的实验和计算的精华 ,更重要的是它显示了理论与实验的奇妙结合 ,是科学创作方法论的典范.由于牛顿自己的工作已达到显然完美的境界 , 不仅在光学 、化学 、机械方面 ,而且在数学 、天文学等当时已知科学的全部范围内均有杰出贡献 ,且又超越同辈人很远 ,使得 18 世纪的科学表现为主要是对 17 世纪的巨大科学进展加以消化和深思熟虑的时期 ,或称为吸收牛顿遗产的时期 .18 世纪科学研究的特征倾向是 : 为了说明各种物 理现象而引入了承担各种现象的假想流体 . 在光学方 面 ,波动光学的概念在当时来说是非常新颖的 ,为人们 所不习惯 ,且处于思辩阶段 ,缺乏数学上的推演 . 企图 把光学引向力学 ,引向运动和粒子相互作用的思想占 据着优势 . 而对于光的直线传播 、双折射等现象 , 从微 粒说去理解要比从波动说理解容易得多 . 正是基于上 述种种原因 , 牛顿的追随者走向极端 把粒子说绝 对化了 . 正如罗森菲尔德指出的 “, 创造者思想中所有 意味深长的犹豫都来自他对课题困难的深刻洞察 ,而 这些犹豫却被很不敏锐的后来者调和了 . ”这里 , 又一 次印证了列宁的观点 “只要再多走一步 ,仿佛是向 同一方向迈的一小步 ,真理便会变成谬误 . ”所以 ,18 世 纪对光学虽然进行了一些实验和研究 ,理论上却无大 的进度 .只有在大约一个世纪后 , 天才又出现了 . 托马斯. 杨的干涉实验和菲涅尔的严格的数学证明 ,才使波动 说又复兴起来. 特别是振动的横向性思想一出现 ,波动 说有了突飞猛进的发展 ,很多实验事实令人信服而合 乎逻辑地得到了解释 ,显示了物理学直观和数学构造 能力的完美结合 . 可见 ,牛顿科学创造方法的影响甚至比他的知识体系本身还要久远 .与其说牛顿的光学思想被作为正统学说的泉源而 受到崇敬 ,倒不如说他著作中举证的种种方法可以作 为推广的泉源而受到崇敬 . 他的光的微粒组成的思想 所保持的权威 ,只不过是较为伟大的人物对较为渺小 者的专横统治而已 ,象欧勒等人仍然认为光和声音都 可以看作是周期性的媒质振动 ; 而牛顿的白光组成的 思想在一个世纪后 ,仍受到歌德等人的反对 . 显然不能 把 18 世纪微粒说占统治地位 ,仅简单地归结为由于牛 顿的权威 .若某一片面的物理概念 ,持久地主宰人们的思想 , 就归咎于某大人物的权威影响的话 ,那么 ,曾活跃了两 个世纪之久的以太概念 ,又该归咎于何人的权威影响 呢 ?参考文献41斯 杰 潘 诺 夫 B H. 光 学 300 年. 北 京 : 科 学 普 及 出 版 社 ,1981 . 1218塞耶 H S. 牛顿自然哲学著作选. 上海 : 人民出版社 , 1974 .81118广重彻. 物理学史. 北京 :求实出版社 ,1988 . 48牛顿. 光学. 北京 :科学普及出版社 ,1988 . 157 ,189225234NEWTO NS VIEWPOI NT O N OPTICS A ND ITS I NFL UENCEYao Chunmei1)Wen Dingzho ug2)Wang Chengyu2)( 1) Depart ment of Physics , Changde TeachersCollege ; 2) Changde Broadcast and TVU niversit y ,Changde , Hunan , 415000 , China)AbstractNewto ns viewpoint o n op tics is analized acco rding to o riginal literat ures. it is pointed o ut t hat Newto n co nt ributed not o nly to co rp uscular t heo ry but also to wave t heo ry.Key words co rp uscular t heo ry ; wave t heo ry ; Newto ns rings( 上接 29 页)A N EXPERIM ENT ABO UT FO RCED VIBRATIO NSOF CO UPL ED OSCILL ATO RS O N A N AIR - TRAC KWei J ipengJ iang Ruiqin(Depart ment of Physics , Hebei Teachers Coll