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标  题: 第四章 牛顿时代 3
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:17:29 2003)

物理光学与光的理论

    单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。光的折射定律，即

入射角与折射角的正弦之比为一常数，是斯内耳在1621年所发现的。费马则指出，按这条

路径前进，通过时间最短。1666年牛顿得到“一个三棱镜来实验有名的色彩现象”，而且

他选择了光学来做他讲课和研究的第一个题目。他的第一篇科学论文也是讲的光学，1672

年发表在《皇家学会哲学杂志》上。德·拉·普敕姆（De la Pryme）在他的日记中说：1
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92年牛顿往礼拜堂时，忘记了熄灯。这引起了一场火灾，把他的著作都焚毁了，二十年的

光学研究成果也在其中。但牛顿在他的书的序言中却没有提及这仲事。他说：“1675年应

皇家学会某些会员的请求，写了一篇关于光学的论文，……其余则是大约十二年后加入的

。”

    1611年，斯帕拉特罗的大主教安托尼沃·德·多米尼斯（Auto－nio de Dominis）提

出一种虹霓的理论。他说由水滴内层表面反射出来的光，因经过厚薄不同的水层，而显出

色彩。笛卡尔提出一个更好的解释。他认为色彩和折射率有关，并且成功地算出虹霓弯折

的角度。马尔西（Marci）使白光透过棱镜，并发现有色彩的光线不再为第二棱镜所散射。

牛顿把这些实验加以扩大，并且把有色光线综合成白光，从而澄清了这个问题。他还认为

望远镜里妨碍视线的各种色彩也是由于类似原因而产生的，并且错误地断定，要阻止白光

分散成各种色彩就必然要在同时阻止放大率所必需的折射；因而他认为要改进当时的折射

望远镜是不可能的，于是他发明了反射望远镜。

    其次，他还考察了胡克描写过的肥皂泡和其他薄膜上都有的薄膜的色彩。他把一个玻

璃三棱镜压在一个已知曲率的透镜上，颜色就形成圆圈，后来被人叫做“牛顿环”。牛顿

仔细地测量了这些环圈，并把它们一点一点地和空气层厚度的估计数比较。他又用单色光

重复了这个试验，这时只有光环与暗环交错出现。牛顿断定每一确定颜色的光都是痉挛似

地时而容易透射，时而容易反射。如果在反射光下去看白色光所成的环，某一在一定厚度

下恰好透射过去的颜色便不会反射到眼里，于是眼所看见的便是白色光减去这一颜色的光

，换言之即看见一种复色光。牛顿于是推断：自然物的颜色至少有一部分是由于它们的微

细结构的缘故，他并且算出产生这种效果所必需的大小。

    格里马耳迪（Grimaldi）的实验，证明极窄狭的光束平常虽走直线，但遇到障碍时就

沿障碍物的边角而弯曲，所以物影比其应有的形式为大，因而形成了有颜色的边沿。牛顿

重复并扩大了格里马耳迪的实验。牛顿证明让光线通过两个刀口之间的狭缝，弯曲度就更

大了。他对狭缝的宽窄和偏转的角度都进行了仔细的观察与测量。

    牛顿还考察了惠更斯所发现的光线通过冰洲石所生的异乎寻常的折射现象。在这种矿

石里，一条入射光产生了两条折射光；在把这两条光线的一条分离出来，使它再通过另一

冰洲石时，如果第二个冰洲石的结晶输与第一个的轴平行，这条光线仍能通过，如果两个

冰洲石的轴恰成正交，这条光线便不能通过。牛顿看出这些事实说明不管一条光线怎样，

它不能是对称的，而必然在不同的方面有一些不同。这就是偏振理论的要点。

    除了这些现象之外，在考虑光的性质时，还有一个事实也需要估计在内。 1676年，勒

麦（Roemer）观察到当地球行到太阳与木星之间时，木星的卫星的掩食比平常约早七、八

分钟，反之，若地球在太阳另一面时，木卫的掩食，则常迟六、八分钟。在后一情形下，

木卫的光线须行过地球的轨道，即比前一情形的距离长些。观测所得的差异说明光的传播

需要时间，而不是一发即到。

    牛顿说他本来还打算进行一些光学实验，但由于办不到，所以他对于光的性质也就没

有得出明确结论，只提出一些问题让别人去探讨与解答。他的最后意见，似乎总结在第29

问题中：

    光线是不是发光体射出的极小物体？因为这样的小物体可以直线地经过均匀的介质，

而不弯曲到阴影中去。这正是光线的本性……。如果折射是由于光线的吸引力形成的，则

入射角的正弦必定与折射角的正弦成一定的比例。

    根据光的微粒说，很容易说明这个“一定的比例”必定可以量度光线在密的介质中的

速度和在稀的介质中的速度的比例。牛顿继续说：

    更使光线时而容易反射，时而容易透射，只需要它们是一些小物体，这些小物体靠了

它们的吸引力或某种别的力量，在它们作用的物体中激起颤动，这些颤动比原来的光线更

要迅速，于是次第赶上它们，并且搅动它们，仿佛轮流地增加或减少它们的速度，因而使

它们具有那种特性。最后，关于冰洲石的反常折射，看来那很象是隐藏在光和冰洲石晶体

质点的某几边的某种吸引力造成的。

    把光线看做是射入眼中的微粒的观念，可以追溯到毕达哥拉斯派。恩培多克勒与柏拉

图则认为眼里也射出一些东西。这种触须式的理论也为伊壁鸠鲁和卢克莱修所持有。他们

有一种混乱的观念，以为眼看物与手以棍触物有些相同。亚里斯多德反对这看法。主张光

是介质中的一种作用（）。所有这些都不过是精度，无论对与不对，同样是无价值的。不

过，在十一世纪，阿耳哈曾（Alhazen）却举出一些明确的证据，说明视象的原因在于对象

，而不是来自眼中，可是在他的时代以后很久，还时常有触须式的见解出现。

    笛卡尔认为光是一种压力，在充满物质的空间内传播。胡克说光是介质中的迅速颤动

。这个波动说经惠更斯加以相当详细的发挥。他用几何学的作图法（图4），描绘了折射的

过程。当光的一个波阵面（AC）由空气投到水面（AB）之时，水面上每一点就都成为一个

反射到空气中去的小圆波，和散布到水里去的另一个小圆波的中心。如果把水面每一点的

小圆波依次绘出，它们将相交而成新的波阵面，一在空气中，一在水里面（DB）。在这些

波阵面，而且只有在这里，这些小波会彼此增强，而产生可感觉到的效果。这样形成的波

阵面与我们所知的反射和折射定律都很相合。如果光的速度在水中比在空气中小（这假设

与徽粒说所需要的恰好相反），则在某一瞬间，水中小波的半径将比空气中小波的半径小

，所以折射的光线将更接近于法线，这正是自然界里所发生的现象。

    波动说的主要困难，在于说明清晰阴影的存在，即在解释光的直线传播。平常的波能

绕过障碍物，不表现这种性质。一百年后弗雷内尔（Fresnel）解决了这个困难。他证明光

的波长比所遇的障碍物的体积小得异常之多，所以光波和平常的波不同。但在牛顿看来，

光的直线路径似需要微粒说才能解释。

    在上面所引的一节中，牛顿觉得要解释光的周期性，须得想象有一种比光更速的颤动

。在以前的问题中，他明白地想象有一种以太担任别的类似的次要任务。例如，他在问题

第18里说：

    如果在两个大而高的倒置玻璃圆筒里，悬上两个小温度计，不要让它们和圆筒相接触

，然后把一个圆筒里的空气抽去，再把这两个圆筒由冷的地方搬到热的地方；在真空中的

温度计将与在非真空中的一样变热，而且差不多一样的快。再把这些圆筒搬回冷的地方时

，真空中的温度计与其他一个差不多一样快的变冷。暖室里的热是不是借一种比空气还要

微妙的介质的颤动，在真空中传达呢？这种微妙的介质，是空气抽出后仍然存在在真空中

的。这种介质是不是就是光折射和反射所凭借的媒介呢？光是不是就靠了这种介质的颤动

传其热于物体，并且变得时而容易反射和时而容易透射呢？是不是热体中这种介质的颤动

，帮助热体维持其热的强度与期间呢？热体传其热于附近的冷体时，是不是靠了从热体中

传播到冷体中去的这种介质的颤动呢？这种介质是不是比空气还要稀薄与微妙万分，还要

有弹性和活泼万分呢？它是不是很容易渗透到一切物体中去呢？它是不是（由于富有弹性

）弥漫于一切天体中呢？

    牛顿接着表示：光的折射是由于这种介质在不同物体中有不同的密度的缘故；它在重

物体中比较稀薄，在太阳和行星体内比在自由空间格外稀薄，而在自由空间中，离物质愈

远这介质就愈浓密。他想这样去解释万有引力，去解释微粒说所需要的光在密的介质中的

较大的速度。障碍物边缘的衍射是物质对表面以外的以太的影响所造成的一种折射。所以

在牛顿看来，以太是光和可称量的物质之间的一种中间物。但是我们不要忘记，这些见解

不过是牛顿书中正文以外提出的一些疑问。牛顿明白地指出进一步的实验是必需的，而他

提出这些问题，是请旁人解答。有人抱怨说人们所以迟迟不接受光的波动说是由于牛顿的

权威的缘故，但这种抱怨只有对于那些认为他的疑问里已经包含了解答的人，才适用。


    读者当会看出，如果光在空气中和水中的速度可以测量出来或加以比较的话，就可以

进行一次决定性的实验，来判断这两个学说孰是孰非。1850年左右，弗科（Foucault）根

据直接观测，第一次进行了这种实验。光的速度在水中较小，合于波动说的需要。

但近年来在阴极线中和放射物过程中发现了运动迅速的质点或电子。这说明和牛顿所想象

的质点很相似的质点现时已可观察得到。事实上，牛顿理论的最可注意之点，是它和十分

现代的观念相似，因为在牛顿看来与普兰克和J．J．汤姆生看来一样，‘优的结构基本上

是原子的”，薛定谔等人还必须想象有一种由质点和波动组成的复合体，这同牛顿的想法

更是依稀仿佛。当我们想到这些发现以及许多别的发现不过是一位青年人的成就，这个人

后来做了造币局长，把他的晚年时间用于实际铸钱工作，又把他的闲暇消耗在思辨的神学

著作上的时候，我们不禁对于他的心灵惊叹不置，象古代德谟克利特一样，他真可算是人

类中杰出的天才。

化学

    前章所叙述的化学与医学的结合，直到十七世纪之末仍然统治着这两种学科。医药化

学家逐渐把化学从依附于炼金术的不名誉的状态中解放出来，纳入职业研究的范围中去。

已知的元素和化学反应的数目大大增加，从而奠定了提高化学理论的基础。

    我们讲过波义耳怎样在他的《怀疑的化学家》一书中，反驳“火的理论”的残余——

一方面是亚里斯多德的四元素，另一方面是当时流行的化学理论，主张盐、硫、汞是三个

主要原质。他的《怀疑的化学家》一书是化学走向现代观点的转捩点。

    牛顿在他的房间后面，剑桥大学大门口与三一学院礼拜堂之间的花园里，设立了一个

实验室。他无疑是在这里进行他的光学和其他物理学学术的实验的，但他也研究了化学。

他的族人和助手汉弗莱·牛顿（Humphrey Newton）说：

    他很少在两三点钟以前睡觉，有时一直到五六点钟才睡觉……特别是在春天或落叶时

节，他常常六个星期一直留在实验室里，不分昼夜，炉火总是不熄，他通夜不睡，守过一

夜，我继续守第二夜，一直等到他完成了他的化学实验才罢休。

    牛顿的化学兴趣似乎主要在于金属，在于化学亲合力的原因和物质的结构。在他的《

光学》第31问题里，有这样一节：

    物体的小质点是不是有某种能力、效能或力量，使这些小质点可以起超距作用，不但

作用于光而今光发生反射、折射与弯曲，而且互相作用，造成很大一部份的自然现象呢？

物体因重力、磁和电的吸引而互相作用已是熟知的事情；这些例子表现了自然之理，因而

在这些吸引力之外也许还有别的吸引力，因为自然是极有常规而不会自相矛盾的。至于这

些吸引力如何形成，我不在这里讨论。我所说的吸引力也许是靠了冲动或我所不知的方法

形成的。我用的吸引力一词，只是一般地指使物体互相接近的力量，不管它的原因是什么

。因为我们在探讨吸引力形成的原因风前，必须先从自然现象了解哪些物体互相吸引，和

吸引的性质与定律是怎样的。重力、磁和电的吸引，达到相当远的地方，因而常人的眼中

也能看见。可能还有作用于极短距离的吸引力，直到现今还没有被人观察到，电的吸引力

也许在没有被摩擦所激起的时候也可从达到那样的短距离。

    酒石酸盐在空气中潮解，不是由于它对于空气中的水蒸汽的质点有吸引的倾向吗？为

什么普通的食盐、硝石或硫酸盐不潮解，岂不是因为它们没有那种吸引力吗？……纯硫酸

能从空气中吸收很多的水，到饱和之后才不再吸收以后要在蒸馏中把水蒸发出去也很困难

，这不是因为水的质点与硫酸的质点有同样的引力吗？硫酸与水依次倾入一个容器，而混

合起来的时候变得很热，这不是说明溶液里各部中有极大的运动吗？而这个运动不是表明

这两种液体在混和时，有激烈的结合，因而以加速运动互相冲击吗？

    牛顿在炼金术和化学上所花费的时间，比花在使他成名的物理学上的，可能还要多些

。他没有写一本有关他的化学工作的书，除了在《光学》一书里所提的问题之外，只能在

他的遗稿上找着一点记录。这些文件表明他对于合金特别感兴趣。例如，牛顿说熔点最低

的铅、锡、铋合金，其成分的比例为5：7：12。他的这些笔记里节录了许多炼金术的著作

，还有关于火焰、蒸馏、由矿石中提取金属，以及许多物质和它们的反应的化学实验的记

载。这些手稿经人整理，并附上年表，而在1888年发表，但其节要过于简短，似乎有重加

整理的必要。牛顿在化学上，虽然不象在物理学上那样有特出的发现，但他对于化学的见

解远远超过当时的化学家。例如，他对火焰的意义就有深刻的认识。他认为火焰与蒸汽不

同，就如赤热的物体与非赤热的物体一样。这种看法比亚里斯多德关于火是四元素之一的

说法，与当时化学家用盐、汞、硫三原质来解释物质的见解，远远更接近于现代的思想。


    牛顿关于物质结构的见解已见上述。他承认了原子说，使它得到正统的地位，虽然那

时原子论还不能达到精确与定量的形式，如以后道尔顿所完成的那样。伏尔泰在他的《哲

学词典》中有这样一段话：

物质的充实性今天已认为是虚幻了……空虚，已经被承认了；最坚硬的物体都被看做象筛

一样多孔，事实上确是这样。不可分割与不可改变的原子被接受了。不同的元素和不同的

种类的存在物的永久性都应归功于这种原理。

生物学

    前章已经讲过透镜的改进与复显微镜的发明，对动物组织与器官的研究产生很大影响

。在我们现在要讲的时期中，学者们，尤其是格鲁（Grew）与马尔比基（1671年）又把这

样的方法推广到植物学中。关于植物的细胞与器官的正确的观念也开始形成。

    从德奥弗拉斯特（Theophrastus）到舍萨平尼（Cesalpinus），好像没有人注意生殖

器官。首先从事这一研究的也许是格鲁。1676年他在皇家学会宣读了一篇植物构造的论文

，他讲到雄蕊是雄的生殖器官，并叙述一了它的作用，但把这一学说的功绩归于牛津大学

教授米林顿（Thomas Millington）爵士。杜宾根的卡梅腊鲁斯（Camerarius）、莫尔兰（

Morland）、杰沃弗罗瓦（Geoffroy）诸人在巴黎科学院提出的论文中，又添了一些肯定的

证据和细节。这些植物学家弄明白了：没有雄蕊粉囊里的花粉，雌蕊的受胎或种子的形成

是不可能的。

早期动植物的分类，主要以功利主义的观念为根据或根据表面的显著特点，如把植物分为

草本、木本与灌木等类便是。但在1660年，植物学史上的一个杰出的人物约翰·雷（John
 
Ray，1627－1705年）开始发表论述系统植物学的一系列著作中的第一部著作。这些著作引

起植物分类的大改进，同时也促进了形态学的进步，例如对于芽的真正性质的认识便是。

约翰·雷最先看到把植物胚胎中的单子叶与双子叶加以区别的重要性，又利用果、花、叶

和其他特性，首创植物分类的天然系统，并指出许多植物的纲目，至今仍为植物学家使用

。此后他转而研究动物的比较解剖学，又促进了自然的分类，如将动物分为兽、禽和昆虫

便是。约翰·雷常与维路格比（Francis Willughby）一块出外旅行，研究植物和动物，足

迹遍于全球。约翰·雷不以古人的见解为最后权威，而将现代的自然历史建立在观察的稳

固基础之上。


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