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颜色本质的第一次突破

来源:网络资源 2009-09-02 17:23:29

[标签:光学]

  颜色本质的第一次突破

  牛顿浑身才华,犹如大坝水满,渠水四溢,发现万有引力定律,出版了《自然哲学的数学原理》一书后,这智慧之水又在光学上冲开一个缺口,奔涌而出。

  原来,在颜色问题上,千百年来一直有一个难解的谜。那太阳光谁看也说是白的,可不知怎么雨后的天空会突然出现一条七色彩虹。于是众说纷纭,有说这是一条长龙弯身下海吸水;有言这是一座彩桥,仙人踏空而过;有那刚登王位的,就说这是吉兆,上天呈祥;有那宝座不稳的,就疑是江山气数已尽,终日惶惶。——反正谁也说不清。中国古代已注意到虹是阳光与水珠的变幻。甲骨文里虹是“日”加“水”写作“O”。唐代张志和的《玄真子》中记载:“背日喷乎,水成虹霓之状。”——端着一碗水背向太阳一喷,眼前竟也能现出一条多彩小链。但这喷出的霓,伸手抓是一把湿汽,想多看一会儿又瞬间即逝,既不能抓在手里玩,更不能用刀将它剖开,终还是弄不清这颜色是怎么来的。至于平时红的花,绿的叶,五颜六色的什物,人们更不知到底是怎么回事。前面提到的那个法国数学家笛卡儿说:颜色是许多小粒子在转,转速不同,颜色也就不同。化学家波义耳说:光是有许多极小粒子向我们的眼睛视网膜上撞,撞的速度不同,看到的颜色也就不同。反正,为解这个谜有不少人都想来试一试,而运气最好的,还是牛顿。

  1666年,牛顿还在剑桥大学当穷学生时,他脑海里就翻腾过这个颜色问题。说来真巧;回到乡下,因看到苹果落地发现万有引力;回到学校,却又因看到门缝里的光而解决了光学中的颜色问题。那是个假日,同学们都去郊游,刻苦的牛顿却将自己锁在房中,推演着那引力的公式。不觉日已当午,他饥肠辘辘,便推开稿纸,抬起头来伸个懒腰,这一抬头不要紧,只见紧闭的门缝里露进一缕细细的阳光,在幽暗的房间里显得格外明亮。他不由自语道:“从来没有见过这样细的光丝,不知可否将它再分成几缕?”这么想着,他便伸手从抽屉里摸出一块三棱境,迎上去截住那丝细光,然后又回过头去看这光落在墙上的影子。这一看不要紧,那墙上竟出现一段红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的彩色光带。他将镜子转转,光带不变,再前后移动,终于选出一个最佳点,这一下天上的彩虹便清楚地出现在他的房里。他捏着三棱镜就像抓住了那条巨龙的尾巴,任他细看细想。从这天起,牛顿一有空,就把自己关在房子里,还把门窗都用床单遮严,只放一道光进来,做着这种玩三棱镜的游戏。他已经悄悄地领悟到一个秘密:我们平时看到的白光,其实不是一色白,它是由许多光混合成的。但是那各个单色又是什么呢?它们之间靠什么区别成不同颜色呢?按道理应将那单色光再分一次,但这还得要一块三棱镜,还得有暗室设备,他这个穷学生是办不到的。

  牛顿在剑桥大学有一位恩师叫巴罗,他们生尊师爱,情同鱼水,结下了忘年之交。这巴罗几日不见牛顿出来走动,一天便到房里来找牛顿。他见门虚掩着,屋里静悄悄的不像有人,便推门而进。不想一头正撞在一个人身上。巴罗刚从阳光下走进这间暗屋里,他一时看不清是谁,只听有人喊了他一声“老师”,将他扶住,又一把扯下窗户上的床单——原来是牛顿。巴罗说:“你又在搞什么名堂,几天不露面,我还以为你病了呢。”牛顿却笑嘻嘻地如此这般地说了一遍。巴罗也大为惊喜,连声埋怨他何不早说。第二天,他就给牛顿又弄来一块三棱镜,布置起一个真正的暗室。他们先让一束光穿过一个黑色木板上的小孔,用三棱镜将它分成七条不同的彩色光,再用一个有孔的木板挡住分解后的光,让每条单色光逐一从孔里通过,木板后再放一个三棱镜。这时新的发现出现在粉墙上:一是这单色光通过三棱镜时不会再分解,二是各色光束经过三棱镜时折射的角度不同。凭着数学天才和实践才能,牛顿很快就计算出红、绿、蓝三色光的折射系数。这一实验不久,1669年底牛顿便接替巴罗老师,开始在剑桥大学向学生们开设光学课了。可惜学生们听不大懂他在讲些什么。

  1672年2月6日,牛顿向皇家学会写了一封详细的信——《光和颜色的新理论》,归纳了十三个命题。他指出:我们平常看见的白光不过是发光体发出的各种颜色光的混合。白光可以分解成从红到紫的七色光谱。一切自然物体的颜色是因为它们对光的反射性能不同。对哪一种光反射的更多些,就是哪种颜色。按这个理论,虹的问题解决了,它不过是白光让空中的水滴(相当于三棱镜)分成七色而已。物体的颜色不同不过是因为各自的反射性能不同。这又是一大发现。牛顿并因此而创立了光谱理论。后来恩格斯说:“牛顿由于进行光的分解,而创立了科学的光学。”

  说到颜色,各位读者,容我这里插上一笔。这个问题在当时,从17至19世纪的一二百年间实在是一个难题,也是一个热门题。比牛顿晚一些的还有一位大名鼎鼎的人物——德国诗人歌德,他以诗人的气质,到处靠眼睛去观察各种颜色。冬季爬上阴森寒冷的山顶,看落日溶金,积雪变红;黄昏走进小铁铺,看铁匠的大锤下金黄的火星炸开又渐渐裹拢来的夜幕。他像一个猎人到处猎取各种颜色奇观,分析和研究各种颜色现象。甚至见了脸白唇红的少女也要盯住研究一番,使人奇怪这个快60岁的老头儿是否正常。在他的《色彩学》里就有这样一节记载:

  有一天,我走进一个小旅馆的房间里,一个美艳的少女向我走来。她的脸色洁白而有光泽,头发乌黑,身上空一件绯红色的紧身衣裙。当她在距我稍远的地段站定时,我在微暗的黄昏光线下对她注视了一会儿。她离开时,我在对面的白色墙上,看到一个被发亮的光晕包围着的黑色脸庞。那件裹着极其苗条体型的衣裙,竟是美丽的海水绿色。

  歌德的研究进入另一个领域,他已经提出了视觉生理上的补色问题。我们看的实物突然从红的波段过渡到白的混合波段时,视神经系统不能一下适应,会在中间绿波段上停一会儿。这正符合牛顿的光谱学说。但可惜牛顿的弟子们极力嘲笑歌德老头儿的非实验室研究。所以后人都同情这位诗人在科学上费力不讨好的遭遇。

  这段插曲说过,还说牛顿向皇家学会送上的那封信后,皇家学会立即成立了一个专门评议委员会来评议这个新理论的价值。真是冤家路窄,这个委员会主席,又是在学术上与牛顿不和的胡克。虹的现象,颜色现象,就算牛顿说清楚了,但光本身,不管红光还是绿光,本质又是什么?牛顿也有他的看法,说光就是一些高速运动的粒子,它能按直线前进,碰到物体过不去,就投下了影子;镜子能反射光,是因为那些小粒子碰到镜面就弹了回来。但是胡克却很干脆地否定了牛顿的微粒说,而提出振动说,就是连白光中包括了其它颜色这一点胡克也不承认。他们两人的怨恨越结越大。牛顿想:你不承认我的微粒说,由你去吧,反正我是对的。他这样安慰着自己,也就不再去生这份闲气。但没过多久,一条瀑炸性消息又使他大为吃惊。1678年荷兰人惠更斯又提出一个“波动说”。这个惠更斯着实厉害,但他不像胡克那样蛮横,却以冷静的分析卡住了牛顿微粒说的咽喉:你不是说光是小粒子吗?那么两束光交叉时,那些小粒子为什么互不干扰?而波动说却能解释:因为波是不会相互干扰的,我们常见的上两个波就可以交叉通过。胡克等人也沈得这下子可借来了生力军,高兴得忘乎所以。牛顿急忙起而申辩:你们说光是波,那为什么它不能像水皮那样绕开障碍物前进呢?胡克又来驳难:你说光都是一样的粒子,为什么不同颜色的光在同一物体中却有不同的折射角度呢?

  牛顿这人在科学发现上算是运气不错,一个接一个,个个顺利。但好事多磨,他与别人的争论也一个接一个,个个难缠。从此,物理学上便开始了一场粒子说和波动说的大争论,一争就是一个世纪。

 

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