镜子的历史

最奇怪的探测牛顿回信说，假如皇家学会没有关注的话，他“可能就会让反射望远镜一直留在私人手里，因为这样做已经有一些年了。” 他同意了给惠更斯写的信，并让奥尔登伯格强调一下，他的望远镜（与惠更斯的折射望远镜不同）“所展现的事物是清晰而且没有颜色的。” 几天之后，奥尔登伯格写信告诉牛顿他已经被选举为皇家学会的会员。最后，牛顿才吐露真情，说他的反射望远镜仅是他进行光学研究的一个逻辑产生的副产品，他所作的研究“如果说不是考虑最周全的那也是最奇怪的探测，而这种探测一直是遵循大自然的规律运作的。” 接着他又写了一封长信，既解释了他的棱镜试验，也讲述了他对光的新发现即白色光束是折射度不同的色彩光线的混合物。这封信发表在皇家学会会刊《哲学汇刊》1672年2 月19日那期上。他写道，“颜色不是光束的先决条件，并非来自于自然天体的折射或者反射（可是人们却普遍这么认为），而是原始的、先天的特性，因为光线不同色彩也就不同。有些光线倾向于展示红色而不是别的颜色，有些光线倾向于展示黄色而非别的颜色，” 等等。他注意到，“最令人惊讶也是最奇妙的组合就是白色的光束，” 因为白色光束总是所有其它色彩光束的复合的结果。因此，“光束是各种光线混乱的组合，带有各种颜色。” 这终于解释了彩虹为什么会有那些颜色，那是由于它们有不同的折射指数。这也解释了格里马尔迪的说法即色彩不是物体中内在的理论是正确的。这还解释了为什么折射望远镜的色差现象不容易解决掉，因此，他就有必要制作反射望远镜，而这架望远镜却引起了人们如此的关注。牛顿做出结论，“关于黑暗中是否有颜色，这再也不会有争议了。” “它们是否是我们看到的物体的特性”这个问题不再存有异议，“光束是否是个天体”这个问题也许不再有任何异议。是的，他加上了“也许”二字。牛顿在这里开始猜测。既然颜色是光线的特性，那么光线本身又怎么会是特性呢？光一定是一种物质。接着他显得有些退缩。“但是，鉴于光所折射的方式，以及光以何种模式或者行动在我们的脑子里产生幻影梦境般的色彩，那么，如果要更绝对地确定光到底是什么，这可不那么容易。我也不想将猜测和事实混为一谈。” 牛顿的阐述是严谨科学逻辑的一个典范，其风格清晰、令人信服。他不仅是在提出假设，他是在证明一个新的理论。所以，当罗伯特·胡克批评他时，他感到很吃惊。胡克写道，“至于他的解决色彩现象的假设说，我承认我还看不到有什么无可争辩的证据能使我信服他的确定性。” 确实，牛顿的试验和胡克本人的试验 “对我来说确实证明了光只不过是通过一种单一性的、相同的、透明的媒介传送的一种脉冲或者运动。” 胡克猛烈攻击牛顿的光是一种物体、光是由某种微小的粒子组成的说法。对于胡克来说，光是某种波的行动。牛顿在应答时承认，他并不确信光是由粒子组成的。确实，牛顿在他的论文中已经作了许多强调，提醒人们不要把猜测和事实混为一谈。对于牛顿来说，重要的一点就是，不管光是什么东西，它都是由折射角度不同的各种色线组成的。牛顿开始鄙视胡克，反过来说胡克也鄙视牛顿。其实他们俩有许多相同之处。两人都有过不幸的童年，早年丧父，而且两个人都沉迷于制作各种奇妙的机械装置。胡克是个癔病患者而且总是失眠；在这一点上牛顿也是一样。他们的相同之处也许就是问题的原因之一。不管怎么说，喜好女色、善于交际的胡克认为离群索居、性冷淡的牛顿是个自以为了不起的、傲慢、乏味、装腔作势的家伙。牛顿的望远镜在伦敦引起轰动之后几个月，一个叫卡塞格林(Guillaume Cassegrain) 的法国物理学教授提出了另一种反射望远镜的设计方案。和格雷果里的望远镜一样，卡塞格林的望远镜也有一个中间带有一个孔的抛物面主镜。但是卡塞格林的望远镜需要一个凸形的双曲面附属镜，因为这个附属镜可以将反射光聚焦之前将其截住，并通过主镜上的小孔将其返回，使其在目镜上聚焦。该望远镜的设计十分精妙，既比格雷果里的望远镜短，又具有新的优点，可使凹凸透镜之间的色差和光行差相互抵消掉。卡塞格林的支持者们声称这架望远镜优先于牛顿的，因为据称，这位法国人是在牛顿的论文发表几个星期前发明的望远镜。牛顿异常愤怒，因为实际上他在好几年前就制作了这架望远镜。他说卡塞格林的设计漏洞百出。他做了不适当的评论， “这个设计没有任何优点，而缺点则到处都是并且不可避免。”最后，牛顿强调，至少他做制作了一架工作模型。“因此，我倒希望卡塞格林先生在披露他的设计之前应该先把它做成真的望远镜…这种项目在付诸实践之前毫无意义。” 不过，没有哪个光学家能够按这个法国新设计来做望远镜，也没有人来接受这个挑战。来自于国外的麻烦令牛顿应接不暇。最初对牛顿的光色理论积极支持并称其为 “及其巧妙”的克里斯蒂安·惠更斯逐渐开始反对他的理论。（注释 3）（注释 3）牛顿的不同色彩的光线以不同角度折射的理论证明对惠更斯打击很大，因为他已经写了一部著作《屈光学》，提出了如何制作望远镜而又没有球面相差的理论，但是却没有发表。他意识到色差现象是个更大的问题时就放弃了自己的书，说他以前的结论是“毫无用处的。” 具有讽刺意味的是，惠更斯发明了望远镜上的复合目睛，而这个目睛又确实没有色差现象，但是他却没有意识到这点。今天，惠更斯的目镜仍广泛用于许多望远镜上。 1673年，惠更斯写道，牛顿“没有教给我们含有自然现象和色差现象的那个东西到底是什么，发现了它们不同的可折性……这只不过是种偶然。” 他建议“如果通过运动去发现一种假说会容易得多，” 就是说，他要牛顿考虑光波理论。这种光波理论惠更斯后来在1690年的著作《论光束》中作了详尽的阐述。牛顿作答道，“检查色彩如何用假设的方式解释不是我的目的。” 他可以 “把这个留给别人用力学的假设方法去解释，” 但是他又轻蔑地补充说，这个工作“不会太困难。” 牛顿经过不断的思索，终于提出了自己的“解释光束性能的假说。” 他于1675 年在皇家学会上作了演讲，表明他和笛卡尔一样，不需要多少经验支持就可以提出伟大的理论。牛顿提出了一种与空气相似的无所不在的“以太”的存在，但是与空气不同的是，它“更加稀少、更加微妙也更富有弹性，” 宇宙中所有的自然力都通过它来起作用。“也许太阳在大量地吸收这种精灵以便保持自己的光辉并让行星不愿离他而去。也许愿意这样做的人也可以假设，这个精灵载有光束的物质原理。” 牛顿解释，这种假设的以太就是传送引力、内聚力、电能、动物感觉和光束的媒介。牛顿给光束下的定义是，“某种能在以太中激发波动的物体，” 这种物体看来是为光波打开了大门。但是他接着又讲了光“微粒”（粒子）。当这些不同体积的粒子穿过以太时，它们的速度和方向被以太的无所不在的密度所改变。奇怪的是，牛顿也遵循了笛卡尔的理论，强调说，以太在玻璃和水中的密度较小，这样反到加速了光粒子而不是使其减速，根据粒子的大小以不同的速度转动它们，这一点解释了色彩现象。在镜子的表面上，以太的密度太大了，使得所有的粒子都以相同的角度反弹开了。牛顿在这篇论文中也试图解释肥皂泡、云母和薄玻璃片中的各种颜色，这一现象最初由胡克在《微观画集》里所作了描述。牛顿使用了两块玻璃，一块几乎不凸的透镜和一块平面玻璃。“我慢慢地将它们压在一起，让颜色在圆圈的中间一个接一个地出现，然后慢慢地将上面的玻璃揭开，让颜色再一个接一个地消失。” 接着，牛顿让一个颜色的光线穿过，注意到红色所显示的圆圈较大，“看着这些圆圈随着光色的改变而逐渐膨胀或者收缩真令人愉悦。” 牛顿只用一个罗盘测量了每个圈的直径为百分之一英寸之内，两块玻璃之间空气所占据的空隙低到了1/78，000 英寸。他发现每种颜色都有一个周期性，两块玻璃之间的圆圈以可预测的空间倍数出现，它们中间还有黑圈。当全世界都将这种现象称之为“牛顿环”时，胡克怒不可遏。牛顿努力解释这种怪异的现象。他得出结论，“两块玻璃中间的空气是根据其不同的厚度在一些地方倾向于反射任何颜色的光，在另一些地方则倾向于传送任何颜色的光。” 他将其称为“阵发的轻易反射和传送。” 他拒绝推测“它是否包含在一个循环的或者震动的光线、或者媒介物、或者别的什么东西的运动中。” 换句话说，他不知道发生了什么，但是，如果说这东西像是一种癫痫病发作，它至少发生得很有规律性。这时，牛顿将光学研究放下了许多年，主要去搞他的巨著《原理》，最后终于在1687年将其完成。1690年，惠更斯发表了他的《论光束》，在书中攻击了牛顿的理论。他写道，“我很震惊，” 牛顿（他提他时没有提他的名字）“竟然镇定自若、比比划划地提出了远没有结论性的推理。” 光束不可能是由粒子组成的，因为光束运行得太快，而来自于各种来源的粒子在到达眼睛之前会相互碰撞。惠更斯说，光束其实是以波的形势运行的，这一点正如声音一样。但是光比声音运行要快得多。惠更斯列举了丹麦天文学家罗默(Ole Romer) 得出的奇妙结论。罗默于1676年根据对木星的几个卫星运行速度的观察，以及离地球的距离，大概算出了光的速度。“因此说，光的速度是声音速度的60多万倍，” 惠更斯写道。“然而，这又完全不同于瞬时发生。” 为了解释这个难以令人置信的速度，惠更斯采用了牛顿的关于以太的概念。但是与牛顿“稀有”以太概念不同的是，惠更斯以太的密度非常大，含有看不见的坚硬的小粒子，以至于光的运动几乎是在瞬间运行的，就像一个台球在打中一堆台球时，立时将所有的球都四散开来一样。惠更斯用这种光波理论解释了光的各种性能，包括其直线运行、从光亮表面的反射以及折射现象。

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