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牛顿与三棱镜实验

姚立澄
  光是普通的,也是神秘的。雨后,有时人们会在天空中看见美丽的彩虹,许多科学家都曾试图探寻这一自然现象背后的真实原因,直到17世纪,才知晓答案。

  17世纪,人们利用望远镜进行天文观测,由于制作望远镜的透镜存在像差和色差的限制,望远镜里的图像会出现各种颜色,因此不能形成清晰的聚焦。牛顿(1643—1727)对此非常关注,也希望通过研究光学解决望远镜观察中的难题。一场严重的鼠疫席卷伦敦,也波及剑桥大学,牛顿从剑桥大学回到家乡躲避。在此期间,牛顿购买了玻璃三棱镜,开始了一系列的光学实验。

  人们早就发现,一束白色的光通过三棱镜时,会“分裂”成七种不同的颜色——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,非常美丽。三棱镜的光实验,前人就已经做过,却不能正确解释。

  牛顿在窗帘上开了一个小孔,把一块三棱镜放在阳光通过小孔后形成的狭窄光束的路径上,并在棱镜的后面挂了一个洁白的屏幕。在洁白的屏幕上,牛顿发现了非常美丽的光带,这些颜色按次序排列。牛顿发现,不同的光具有不同的折射本领,蓝光比红光受到更大的折射。他还分别用三个棱镜放置在光线不同的路径上,原来分散的各种光,经过第二个棱镜后又还原成白色,再经过第三个棱镜,又分解成各种颜色。由此来说明,棱镜可以使白色的光分解成不同的颜色,又可以使不同成分的光合成白光。

  牛顿还做了另一个实验,用一块长纸板,一半涂成蓝色,另一半涂成红色,把纸板放在窗边,通过一块玻璃三棱镜来观察它。牛顿发现,当折射的棱角向上时,纸板看起来像是被抬高了,折射的结果,是使蓝色半边比红色半边升得更高。但是,当折射的棱角向下,蓝的半边就比红的半边更低,因此,他判断,蓝光折射得比红色更厉害些。透镜在聚光时,蓝色和红色一定是聚集在离透镜不同距离的地方。牛顿告诉人们,白光的复合光,是由各种颜色的光合成来的,各种单一的光折射率不同,才造成了望远镜图像不清,因为它们不可能在一个地方聚焦。

  今天来看,这些实验也许显得简单,但在当时则完全不同,人们甚至不能接受牛顿的解释。1672年,牛顿把实验的结果刊登在《伦敦皇家协会哲学会刊》上,这是牛顿第一次公开发表论文。牛顿的色散研究是光谱学的开端,他还因此发明了与用透镜制作的望远镜不同的反射望远镜。

  英国诗人亚历山大·波普曾写诗赞扬牛顿:自然和自然的规律,隐藏在黑暗里。上帝说:“让牛顿去吧!”于是,一切成为光明。

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  漫话物理实验之三

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