光色历史研究②

中国古代

中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对自然色散现象——虹的认识．虹，是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射造成的一种色散现象．中国早在殷代甲骨文里就有了关于虹的记载．当时把'虹'字写成'绛'．战国时期《楚辞》中有把虹的颜色分为'五色'的记载．东汉蔡邕（132~192年）在《月令章句》中对虹的形成条件和所在方位作了描述．唐初孔颖达（574~648年）在《礼记注疏》中粗略地揭示出虹的光学成因：'若云薄漏日，日照雨滴则生虹'说明虹是太阳光照射雨滴所产生的一种自然现象．公元八世纪中叶，张志和（744~773年）在《玄真子·涛之灵》中第一次用实验方法研究了虹，而且是第一次有意识地进行的白光色散实验：'背日喷呼水成虹霓之状，而不可直也，齐乎影也'．唐代以后，不断有人重复类似的实验，如南宋朝蔡卞进行了一个模拟'日照雨滴'的实验，把虹和日月晕现象联系起来，有意说明虹的产生是一种色散过程，并指出了虹和阳光位置之间的关系．南宋程大昌（1123~1195年）在《演繁露》中记述了露滴分光的现象，并指出，日光通过一个液滴也能化为多种颜色，实际是色散，而这种颜色不是水珠本身所具有，而是日光的颜色所着，这就明确指出了日光中包含有数种颜色，经过水珠的作用而显现出来，可以说，他已接触到色散的本质了．　在我国从晋代开始，许多典籍都记载了晶体的色散现象．如记载过孔雀毛及某种昆虫表皮在阳光下不断变色的现象，云母片向日举之可观察到各种颜色的光．李时珍也曾指出较大的六棱形水晶和较小的水晶珠，都能形成色散．到了明末，方以智（1611~1671年）在所着《物理小识》中综合前人研究的成果，对色散现象作了极精彩的概括，他把带棱的自然晶体和人工烧制的三棱晶体将白光分成五色，与向日喷水而成的五色人造虹、日光照射飞泉产生的五色现象，以及虹霓之彩、日月之晕、五色之云等自然现象联系起来，认为'皆同此理'即都是白光的色散．所有这些都表明中国明代以前对色散现象的本质已有了较全面的认识，但也反映中国古代物理学知识大都是零散、经验性的知识．

牛顿以前

在光学发展的早期，对颜色的解释显得特别困难．在牛顿以前，欧洲人对颜色的认识流行着亚里士多德的观点．亚里士多德认为，颜色不是物体客观的性质，而是人们主观的感觉，一切颜色的形成都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果．1663年波义耳也曾研究了物体的颜色问题，他认为物体的颜色并不是属于物体的带实质性的性质，而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的．能完全反射光线的物体呈白色，完全吸收光线的物体呈黑色．另外还有不少科学家，如笛卡儿、胡克等也都讨论过白光分散或聚集成颜色的问题，但他们都主张红色是大大地浓缩了的光，紫光是大大地稀释了的光这样一个复杂紊乱的理论．所以在牛顿以前，由棱镜产生的折射被假定是实际上产生了色，而不是仅仅把已经存在的色分离开来．

牛顿实验

（1）设计并进行三棱镜实验　当白光通过无色玻璃和各种宝石的碎片时，就会形成鲜艳的各种颜色的光，这一事实早在牛顿的几个世纪之前就已有了解，可是直到十七世纪中叶以后，才有牛顿通过实验研究了这个问题．该实验被评为'物理最美实验'之一。　牛顿首先做了一个有名的三棱镜实验，他在着作中记载道：'1666年初，我做了一个三角形的玻璃棱柱镜，利用它来研究光的颜色．为此，我把房间里弄成漆墨的，在窗户上做一个小孔，让适量的日光射进来．我又把棱镜放在光的入口处，使折射的光能够射到对面的墙上去，当我第一次看到由此而产生的鲜明强烈的光色时，使我感到极大的愉快．'牛顿的实验设计如下图：通过这个实验，在墙上得到了一个彩色光斑，颜色的排列是红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫．牛顿把这个颜色光斑叫做光谱．　（2）进一步设计实验，获得纯光谱　牛顿在上述实验中所得到的光谱是不纯的，他认为光谱之所以不纯是因为光谱是由一系列相互重叠的圆形色斑的像所组成．牛顿为了获得很纯的光谱，便设计了一套光学仪器进行实验，其实验设计如图所示：　用白光通过一透镜后照亮狭缝S，狭缝后放一会聚透镜（凸透镜）以便形成狭缝S的像s‘．然后在透镜的光路上放一个棱镜．结果光通过棱镜因偏转角度不同而被分开，以至在白色光屏上形成一个由红到紫的光谱带．这个光谱带是由一系列彼此邻接的狭缝的彩色像组成的．若狭缝做得很窄，重叠现象就可以减小到最低限度，因而光谱也变得很纯．　（3）牛顿提出解释光谱的理论　牛顿为了解释三棱镜实验中白光的分解现象，认为白光是由各种不同颜色光组成的，玻璃对各种色光的折射率不同，当白光通过棱镜时，各色光以不同角度折射，结果就被分开成颜色光谱．白光通过棱镜时，向棱镜的底边偏折，紫光偏折最大，红光偏折最小．棱镜使白光分开成各种色光的现象叫做色散．严格地说，光谱中有很多各种颜色的细线，它们都及平滑地融在相邻的细线里，以至使人觉察不到它的界限．　（4）设计实验验证上述理论的正确性　为了进一步研究光的颜色，验证上述理论的正确性，牛顿又做了另一个实验．实验设计如图所示：　牛顿在观察光谱的屏幕DE上打一小孔，再在其后放一有小孔的屏幕de，让通过此小孔的光是具有某种颜色的单色光．牛顿在这个光束的路径上再放上第二个棱镜abc，它的后面再放一个新的观察屏V．实验表明，第二个棱镜abc只是把这个单色光束整个地偏转一个角度，而并不改变光的颜色．实验中，牛顿转动第一个棱镜ABC，使光谱中不同颜色的光通过DE和de屏上的小孔，在所有这些情况下，这些不同颜色的单色光都不能被第二个棱镜再次分解，它们各自通过第二个检镜后都只偏转一定的角度，而且发现，对于不同颜色的光偏转的角度不同．　通过这些实验，牛顿得出结论：白光能分解成不同颜色的光，这些光已是单色的了，棱镜不能再分解它们．　（5）单色光复合为白光的实验　白光既然能分解为单色光，那么单色光是否也可复合为白光呢'为此牛顿进行实验．如图55所示，把光谱成在一排小的矩形平面镜上，就可使光谱的色光重新复合为白光．调节各平面镜与入射光的夹角，使各反射光都落在光屏的同一位置上，这样就得到一个白色光班．　牛顿指出，还可以用另一种方法把色光重新复合为白光．把光谱画在圆盘上成扇形，然后高速旋转这个圆盘，圆盘就呈现白色．这种实验效果一般称为'视觉暂留效应'．眼睛视网膜上所成的像消失后，大脑还可以把印象保留零点几秒种．从而，大脑可将迅速变化的色像复合在一起，就形成一个静止的白色像．在电视屏幕上或电影屏幕上，我们能够看到连续的图像，其原因也正在于利用了人的'视觉暂留效应'．　（6）牛顿对光的色散研究成果．　牛顿通过一系列的色散实验和理论研究，把结果归纳为几条，其要点如下：　①光线随着它的折射率不同而颜色各异．颜色不是光的变样，而是光线本来就固有的性质．　②同一颜色属于同一折射率，反之亦然．　③颜色的种类和折射的程度为光线所固有，不因折射、反射和其它任何原因而变化．　④必须区别本来单纯的颜色和由它们复合而成的颜色．　⑤不存在自身为白色的光线．白色是由一切颜色的光线适当混合而产生的．事实上，可以进行把光谱的颜色重新合成而得到白光的实验．　⑥根据以上各条，可以解释三棱镜使光产生颜色原因与虹的原理等．　⑦自然物的颜色是由于该物质对某种光线反射得多，而对其他光线反射得少的原因．　⑧由此可知，颜色是光（各种射线）的质，因而光线本身不可能是质．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．　（7）牛顿对于光的色散现象的研究方法的特点．　从以上可看出牛顿在对光的色散研究中，采用了实验归纳——假说理论——实验检验的典型的物理规律的研究方法，并渗透着分析的方法（把白光分解为单色光研究）和综合的方法（把单色光复合为白光）等物理学研究的方法．　光的色散说明了光具有波动性。因为色散是光的成分（不同色光）折射率不同引起的，而折射率由波的频率决定。　光具有粒子性最典型的例子就是光电效应。光电效应