牛顿光学理论对光学发展的推动作用及其影响
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牛顿光学理论对光学发展的推动作用及其影响
武
涛
1207020064
（江西师范大学物理与通信电子学院）
摘要：
牛
顿通过种种实验观察了解光的性质，提出了光的“微粒说”
。随后，牛顿以微粒说
解释光的直线传播
,
解释反射、折射现象。牛
顿又进行了“牛顿环”的实验，后来杨
以其光波干涉理论对牛顿环作了精确的计算。牛顿
又指出“光也能具有几种性质”
,
涉及振动、碎发等。引起了后
来学者持续不断的研究。
关键词：
光学
牛顿
粒子说
波动说
1.
引言
牛顿
(1643
一
1727)
广为人知的巨著《自然哲学的数学原理》
(
以下简称《原理》
),
是近代科学发展过程
的里程碑。然而，他的另一部著作《光学—关于光的反射、折射、拐折
和颜色的论文》<
/p>
(
以下简称
《光学》
),
不仅记载了这位伟人揭示神秘的光的本质的初步探究，
同时也引领了一种全新的对光的本质的认识“粒子说”
。
[1]
对该学说的研究和验证，引发了
人们对光学本质的进一步思考，
进而催生出另一种光学模型“波动说”
。为后来光学的“波
粒二
象性”
奠定了理论基础并提供了大量的实验依据。
众多杰出的近
现代科学家对该理论的
思考和进一步研究，
激发了了人们对量子
理论创生的需求。
在思想上推动了整个近代物理的
发展。
2.
几何光学时期的时代背景
1657
年费马（
Fermat
）提出著名的费
马原理，并推出了光的反射和折射定律。这两
个定律奠定了几何光学的基础，
光学开始真正形成一门科学。
牛顿在
1666
年提出光的微粒
理论：光是高速运动的细小微粒。并以此理论为
依据，解释光的直线传播和反射折射定律，
但是该理论在解释牛顿圈和光的衍射现象时，
遇到了很大的问题。
[2]
另一方面
，
1678
年惠更斯提出了与微粒理论完全不同的光的波动理论
：光是在“以
太”中传播的波。成功的解释了光的反射和折射定律，方解石的双折射现象
，但他的理论的
局限性在于，没有指出光的周期性和波长的概念，波动作为一种性质二不
是一种本质存在，
没有脱离几何光学的束缚。
[3]
此后
100
多年时间里两种理论不断争斗，
18
世纪以前微粒理
论占上风，这种优势在
19
世纪初被打破。
[4]
3.
牛顿的光学研究成果
3.1
光颜色理论
< br>1666
年
,
牛顿进行了著名的
棱镜色散实验，如图
2-1,
在点光源前放置第一个棱镜
,
太阳光通过棱镜后投射于
第一个屏上，<
/p>
看到一段彩色
[5]
的光带。
而此屏上也开一
小孔，
一部分光线透过屏后
的第二个棱镜折射到另个
图
2-1
牛顿的棱镜色散实验
屏上
;
之后
,
缓慢转动第一<
/p>
个棱镜
,
发现第一个屏上的
彩色光带上下移动
,
并以此改变都过小孔的光的颜色
。观察到现象
,
被第一棱镜折射最明显
(
不明显
)
的紫
(
红
)
光
,
被第二棱镜折射也最明显
(
不明显
)
。
并依此现象做出判断：
“不同颜色
光的折射程度不同
,
白光正是由各种不同颜色光的非均匀的混合体”——即是著名的“光色
理论”
。
牛顿光色理论的结论，
刷新了当时人们对光的认识。
从此，
人们对于白光的认
知不再
是单纯的和简单地。
取而代之的事，
更具先进性和科学性的
“七色光”
。
[6]
这一点十分重要，
光学作为物理研究体系中的重要的一
部分，
对其的研究渐渐进入了系统化、
科学化、
严谨化
的时代。
[7]
在光色
理论的基础上所得到的光的颜色和频率的对应关系，成为了光的波动性学
说的重要组成部
分。
可以说，
光色理论打开了人们对光认知的大门，
把人们对光的认识从原
始社会的神话膜拜改进到现代社会的科学系统。
除了光色理论的结论本身，
棱镜色散实验的
巧妙方法在后人研究中的影响也是潜移默化的。
[8]
例如，对
氢原子光谱的研究就明显包含着
棱镜色散的方法和光色理论的基础。
3.2
牛顿环理论
当人们观察玻璃、水等物质被制作成薄膜或薄片时（如水产生的泡沫）
，发
现薄膜会
依据其厚度而呈现出不同的颜
色。牛顿进行了著名的牛
顿环实
验。如图
2-2
，他将一个平凸
透
镜的平面放在一个双凸透镜上
方，将他们渐渐压紧，观测到圆
环的中心陆续出现各种颜色。
[9]
实
际上，当光源使用的是单色光
图
2-2
“牛顿环”实验装置
时，我们将会观测到若干明暗相