光学中的物理学史

光学中的物理学史,一、牛顿简介,1643年1月4日牛顿诞生于英格兰林肯郡的小镇乌尔斯普的一个自耕农家庭。1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，1664年成为奖学金获得者，1665年获学士学位。1665年初他创立级数近似法以及把任何幂的二项式化为一个级数的规则。同年11月，创立正流数法（微分）；次年1月，研究颜色理论；5月，开始研究反流数法（积分）。1667年牛顿重返剑桥大学，10月1日被选为三一学院的院士，次年3月16日选为正院士。1669年10月27日26岁的牛顿担任卢卡斯讲座的教授。1672年起他被接纳为皇家学会会员，1703年被选为皇家学会主席直到逝世。,NewtonsapartmentatTrinityCollege,Cambridge.,Cambridge,二、牛顿研究光的色散,（一）色散现象的早期研究色散也是一个古老的课题，最引人注目的是彩虹现象。早在13世纪，科学家就对彩虹的成因进行了探讨。德国有一位传教士叫西奥多里克，曾在实验中模仿天上的彩虹。他用阳光照射装满水的大玻璃球壳，观察到了和空中一样的彩虹，以此说明彩虹是由于空气中水珠反射和折射阳光造成的现象。,笛卡儿的棱镜实验,笛卡儿对彩虹现象也有兴趣，他用实验检验西奥多里克的论述。在他的方法论(1637年)中还有一篇附录，专门讨论彩虹，并且介绍了他自己做过的棱镜实验。他用三棱镜将阳光折射后投在屏上，发现彩色的产生并不是由于进入媒质深浅不同所造成。因为不论光照在棱镜的哪一部位，折射后屏上的图像都是一样的。遗憾的是，笛卡尔的屏离棱镜太近（大概只有几厘米），他没有看到色散后的整个光谱，只注意到光带的两侧分别呈现蓝色和红色。,1648年，布拉格的马尔西用三棱镜演示色散成功。不过他解释错了。他认为红色是浓缩了的光，蓝色是稀释了的光；之所以会出现五颜六色，是由于光受物质的不同作用，因而呈现各种不同的颜色。17世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略运用望远镜观察天体星辰，胡克用显微镜观察微小物体，激起了广大科学界的兴趣。然而，当放大倍数增大时，这些仪器不可避免地都会出现象差和色差，使人们深感迷惑。人们不理解，为什么在图象的边缘总会出现颜色？这和彩虹有没有共同之处?这类现象有什么规律性?怎样才能消除？,这时，牛顿正在英国剑桥大学学习。他的老师中有一位数学教授名叫巴罗，对光学很有研究。牛顿听过他讲光学，还帮他编写光学讲义。牛顿很喜欢做光学实验，还亲自动手磨制透镜，想按自己的设计装配出没有色差的显微镜和望远镜。这个愿望激励他对光和颜色的本性进行深入的探讨。,牛顿从笛卡儿等人的著作中得到许多启示。例如笛卡儿说过：“运动慢的光线比运动快的光线折射得更厉害，”胡克描述过肥皂泡的颜色变化，认为不同的颜色是光脉冲对视网膜留下的不同印象。红色和蓝色是原色，其它颜色都是由这两种颜色合成和冲淡而成。牛顿注意到这些说法的合理成分，同时也提出许多疑问。在牛顿留下的手稿中，记录了许多当年的疑问和思考，例如，他问道”：,(二)牛顿对色散现象的思考,如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线?为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快?为什么水比水蒸汽更清晰?为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？牛顿不满意前人(包括他的老师)对光现象的解释，就自己动手做起了一系列实验。,牛顿从笛卡儿的棱镜实验得到启发，又借鉴于胡克和玻意耳的分光实验。胡克用了一只充满水的烧瓶代替棱镜，屏距折射位置大约60厘米，玻意耳把棱镜散射的光投到1米多高的天花板上，而牛顿则将距离扩展为6-7米，从室外经洞口进入的阳光经过三棱镜后直接投射到对面的墙上。这样，他就获得了展开的光谱，而前面的几位实验者只看到两侧带颜色的光斑。牛顿高明之处就在于他已经意识到了不同颜色的光具有不同的折射性能，只有拉长距离才能分解开不同折射角的光线。,(三)牛顿的色散实验,为了证明红光和蓝光各具不同的折射性能，牛顿用棱镜做了如下的实验。如图，在一张黑纸上画一条线opq，半边op为深蓝色，半边pq为深红色，经棱镜adf观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红蓝之交，蓝色部分rs比红色部分st更靠近棱脊ab。可见蓝光比红光受到更大的折射。,为了证明色散现象不是由于棱镜跟阳光的相互作用，也不是由于其他原因，而是由于不同颜色具有不同的折射性，牛顿又做了一个实验,牛顿描绘色散实验的插图,他拿三个棱镜做实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不一样，如图。倘若颜色的分散是由于棱镜的不平或其它偶然的不规则性，那么第二个棱镜和第三个棱镜就会增加这一分散性。可是实验结果是，原来分散的各种颜色经过第二个棱镜后又还原成白光，形状和原来一样。再经过第三个棱镜，又分解成各种颜色。由此证明，棱镜的作用是使白光分解为不同成分，又可使不同成分合成为白光。,牛顿这一科学论断和当时已流传上千年的观念是格格不入的。他预料会遭到科学界的反对，于是又做了一个很有说服力的实验。牛顿把这个实验称为“判决性实验”,光线随其折射率不同，色也不同。色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同。色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线按适当比例混合而成。由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的形成。自然物体的色是由于对某种光的反射大于其它光反射的缘故。把光看成实体有充分根据。,在色散实验的基础上，牛顿总结出了几条规律,牛顿的这些结论相当全面，而且论据充分。但是当时人们难以接受，因为这涉及到中世纪以来关于光的本性的种种争论。他虽然没有对这个问题作出判决，但是他的结论与光的本性密切相关，这些结论对当时人们来说实在太新奇了，因此招致了不少怀疑和攻击。有人认为牛顿的光谱实验没有考虑太阳本身的张角，有人主张光谱变长是一种衍射效应，还有人提出可能是天空中云彩的反映。胡克对牛顿的挑剔最厉害，他认为牛顿的实验不具判决性，用别的理论也可说明，他还特别指出牛顿的理论无法解释薄膜的颜色,为此牛顿在几年后又做了一个实验。他取一只长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。用屏放在位置1接受光，看到的仍然是普通光，但将屏改变角度，放在位置2，就可以看到分解的光谱。这样，由于只涉及屏的角度，结果与棱镜无关，就回答了怀疑者提出的质疑。,牛顿的光学研究具有独特的风格，他在光学领域中的成就集中反映在1704年出版的光学一书中。该书的副标题是：关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文。全书共分三编，棱镜光谱实验收集在第一编中。在第一编中，牛顿共提出19个命题，33个实验，他以大量篇幅详细描述实验装置、实验方法和观测结果。牛顿有一句名言：“不作虚假的假设”。他的光学研究正是从实验和观察出发，进行归纳综合，总结出一套完整的科学的理论。归纳法是科学研究的重要方法之一(当然不是唯一的方法)，牛顿对色散的研究为后人树立了光辉的样板。,“在自然科学里，应该像数学里一样，在研究困难的事物时，总是应该先用分析的方法，然后才用综合的方法。这种分析方法包括做实验和观察，用归纳法去从中作出普遍结论，并且不使这些结论遭到异议，除非这些异议来自实验或者其他可靠的真理方面。因为在实验哲学是不应该考虑什么假说。虽然用归纳法来从实验和观察中进行论证不能算是普遍的结论，但它是事物的本性所许可的最好的论证方法，并且随着归纳的越为普遍，这种论证看来也越为有力。如果在许多现象中没有出现例外，那么可以说，结论就是普遍的。但是如果以后在任何时候从实验中发现了例外，那时就可以说明有这样或那样的例外存在。用这样的分析方法，我们就可以从复合物论证到它们的成分，从运动到产生运动的力。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原理，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已经找到，并且已把它们立为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性。”,牛顿很善于总结科学研究方法，他在论述自己的方法时写道,三、伽利略简介,伽利略1564年2月15日生于比萨,父亲芬琴齐奥伽利莱精通音乐理论和声学，著有音乐对话一书。伽利略自幼受父亲的影响，对音乐、诗歌、绘画以及机械兴趣极浓；也像他父亲一样，不迷信权威。17岁时遵从父命进比萨大学学医，可是对医学他感到枯燥无味，而在课外听世界著名学者O.里奇讲欧几里得几何学和阿基米德静力学，感到浓厚兴趣。,1583年，伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动，随后用线悬铜球作模拟(单摆)实验，确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的影响，由此创制出脉搏计用来测量短时间间隔。1586年，他发明了浮力天平，并写出论文小天平。1588年他在佛罗伦萨研究院做了关于A.但丁神曲中炼狱图形构想的学术演讲，其文学与数学才华大受人们赞扬。1592年伽利略转到帕多瓦大学任教。在此时期，他深入而系统地研究了落体运动、抛射体运动、静力学、水力学以及一些土木建筑和军事建筑等；发现了惯性原理，研制了温度计和望远镜。1597年，他收到J.开普勒赠阅的神秘的宇宙一书，开始相信日心说，承认地球有公转和自转两种运动。,1604年天空出现超新星，亮光持续18个月之久。他便趁机在威尼斯作几次科普演讲，宣传哥白尼学说。1609年7月,盛传一荷兰眼镜工人发明了供人玩赏的望远镜。他未见到实物，思考几日后，用风琴管和凸凹透镜各一片制成一具望远镜,倍率为3,后又提高到9。1613年他发表了3篇讨论太阳黑子问题的通信稿。另外,1612年他又出版了水中浮体对话集一书。1630年他撰写了关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话一书,主要的科学成就：（1）新的科学思想和科学研究方法伽利略敢于向传统的权威思想挑战，不是先臆测事物发生的原因，而是先观察自然现象，由此发现自然规律。倡导了数学与实验相结合的研究方法（2）物理概念和原理的创新伽利略第一次提出了惯性概念,并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来。把物体速度的大小和方向的改变或加速度的产生归诸力的作用，这是对力的性质的客观认识，也是牛顿第二定律的雏形。运动独立性原理和运动的合成、分解定律惯性参照系概念单摆周期性质的发现光速有限及其测量,（3）几种基本物理实验仪器的研制浮力天平温度计望远镜（4）彻底推翻亚里士多德的物质观趣闻轶事不爱医学爱数学“辩论者”的雅号比萨斜塔的故事,四、望远镜的历程,望远镜的诞生在荷兰首都阿姆斯特丹西南约130千米的米德尔堡，有一位名叫汉斯利珀希的眼镜制造商。在1608年的某一天，他的一位学徒趁他不在，用店里的各种透镜做玩具，四处窥视。他随手那里两块透镜，一近一远地放在眼前，结果却惊讶地看到，远处教堂上的风标变得又近又大。利珀希从徒弟口中得知这件事后，立即明白了这项发现的重要性。他将两个透镜安装到一根金属管子里，最早的望远镜就此诞生。利珀希为自己制作的望远镜申请了专利，并遵从当局的要求，造了一个双筒望远镜。,伽利略的望远镜,当45岁的伽利略听说荷兰眼镜制造商制成望远镜的消息后，他虽然没有看到实物，但经过一天的思考制成了他自己的望远镜。他把一块平凸透镜和一块平凹透镜装在一根直径4.2厘米的风琴管两端，使用时平凹透镜在靠近眼睛的一端，平凸透镜则靠近被观测物体一端，第一架望远镜只能把物体放大3倍。一个月后，他的第二架望远镜可以放大8倍，第三架望远镜可以放大20倍。1609年10月，伽利略制成了能放大30倍的望远镜。伽利略用他的望远镜观察月球，发现，月球表面高低不平、坑坑洼洼、布满了各种形状的环形山，并有火山口的裂痕。伽利略用望远镜观察太阳，看见了太阳黑子1610年，他从望远镜中发现了木星的4颗卫星。伽利略通过对天空的大量观察，出版了他的星空信使随后又有许多新的发现。,开普勒等人的贡献,1611年，开普勒在他的屈光学一书中提出来另一种望远镜，即开普勒望远镜，该望远镜由两个凸透镜组成，其放大倍数比伽利略望远镜有明显的提高，但开普勒并没有亲自制造他的望远镜，这种望远镜最早是由沙伊纳在1613-1617年首次制作的，他还制造了有第三个凸透镜的望远镜，把原先由两个凸透镜所组成的望远镜中的倒像变成了正像。沙伊纳制造了8架望远镜，并用于观察太阳，在观察太阳时，还给望远镜装上了特殊的遮光玻璃，以免被强烈的太阳光直接照射。1665年荷兰的惠更斯为了提高望远镜精度，做了一架筒长6米的望远镜，用于观察土星的光环，后来，他又制造了一架将近41米的望远镜。,1757年，法国科学家杜隆通过研究玻璃与水的折射和色散，建立了消色差透镜的理论基础。杜隆发现，采用折射率不同的玻璃分别制造凸透镜和凹透镜，就可以把各自形成的有色边缘相互抵消，从而起到消除色差的效果。从此，消色差折射望远镜完全取代了长镜身望远镜。19世纪末，随着制造技术的提高，出现了制造大口径折射望远镜的高潮，其中具有代表性的是1897年建成的口径102厘米的叶凯士望远镜。,反射式望远镜的诞生,第一架反射式望远镜诞生于1668年，有牛顿制造，他用2.5厘米直径的金属，磨制成一块凹面反射镜，并在主镜的焦点前面放置了一个与主镜成45度角的反射镜，使经主镜反射后的汇聚光经反射镜以90度角反射出镜筒后到达目镜。1672年，牛顿做了一台更大的反射式望远镜，送给了英国皇家学会，至今还保存在皇家学会的图书馆里。英国天文学家威廉赫谢尔，从1773年开始，一生制造的望远镜达数百架。他的第一架望远镜的反射镜直径为122厘米，用铜锡合金制成，重达1000千克。1918年末，口径254厘米的胡克望远镜在威尔逊天文台投入使用，这是由美国天文学家海尔主持建造的。,五、显微镜的历程,最早的显微镜1590年前后，米德尔堡一位眼镜匠詹森制造了世界上最早的显微镜，它由一个双凸