牛顿白光色散实验的科学原理

——关于“牛顿为何是发现白光色散现象第一人”以及相关问题的研究

摘要

光的色散（dispersion of light）指的是复色光（尤其是白光）分解为单色光的现象，色散现象说明光在介质中的速度随光的频率而变。在牛顿之前的不同的历史时期，人类对色彩的本质的想法是不同的。亚里士多德、笛卡尔等人都没有成功解释白光色散现象。牛顿所处的时代是欧洲社会大变革的时代，时代和个人的因素促使牛顿有解释白光色散的能力。牛顿比前人多做的一点在于，他还将色散后的彩色条形光带成功合成了白光，这有力证明了白光是由一系列不同颜色的光组成的，牛顿成为了公认的解释和证明光的色散现象的第一人。

关键词

牛顿；色散；物理现象；研究性学习

0. 引言

光现象是常见的物理现象，而其中色散现象又最为著名。光的色散指的是复色光分解为单色光的现象，色散现象说明光在介质中的速度随光的频率而变。

在9月12日的物理课上，谈及光学，秦老师提出了这样的问题：

在牛顿之前，就没人观察到白光的色散现象吗？

牛顿比别人有什么不同，多做了什么，才成为了正确解释色散现象的第一人？

我们也很好奇，彩虹是很常见的光的色散现象，在牛顿之前一定有很多人观察到，为何没有人提出正确的解释呢？

这些问题引发了我们的思考。想要解决这些问题，首先我们要认识，在牛顿之前，人类特别是欧洲人对光是怎样认识的，以及他们的科学家对白光的色散现象有怎样的看法，然后才是牛顿的贡献。

1. 早期认识

1.1 早期欧洲人对光的认识

历史上，我们可以想到，在牛顿之前，已经有许多人看到太阳光通过棱镜的色散现象，但他们的解释都不正确。这是因为在光学发展的早期，对颜色的解释有一定困难。人的认识总会受到其历史时代的局限性。

在牛顿以前，欧洲人受亚里士多德观点影响，都认为：

“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。”

17世纪以前，很多关于自然现象的解释来自于教会，比如教会认为彩虹是连接信徒与上帝的桥梁。笛卡尔是16世纪法国著名的科学家、哲学家，也是一名虔诚的天主教徒。关于光的色彩，他跟当时的主流观点一样，认为白光是最纯净的。笛卡尔对色散实验的解释是：

光是不停旋转的粒子构成的，白光的粒子经过棱镜，转速被改变，不同的转速呈现出不同的颜色，从而使白光变成了彩色的光。也就是说，是棱镜改变了光的颜色。

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也讨论过白光的色散问题，但他们都认为：

红色是大地浓缩了的光，紫光是大大地稀释了的光。

所以在牛顿以前，对于色散现象的解释，我们可以提炼出欧洲的主流观点（猜想）是：

白光是纯粹的，其他颜色的光都发生了变异。

1.2 中国古代先哲的看法

中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对彩虹的认识。虹是太阳光遇到大气水滴所引起的一种色散现象，我国甲骨文里就有了关于虹的记载。

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，而是日光的颜色所著，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。

明末方以智（1611~1671年）在所著《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，因此，中国古代科学家并没有科学解释光的色散现象。

我们发现，他们对色散现象研究就止步于此，止步于观察和思辨，没有进行进一步实验，而这一步实验是解释色散现象的关键一步。

2. 牛顿解决色散问题

2.1 牛顿解决色散问题的时代背景

要想理解牛顿为何能解决色散问题，首先我们看牛顿所处的时代。牛顿生于1642年，这个时期中国正处于明清交替时期，也是欧洲社会大变革的时代。14—16世纪的文艺复兴造成的思想解放和观念启蒙，带来了欧洲精神文化的空前繁荣，自然科学获得新的生命并蓬勃成，英国资产阶级革命正蓬勃展开。在这之前欧洲出现了许多先贤，波兰的哥白尼提出了日心说；意大利的伽利略发现了惯性原理，用数学关系精确地表达了运动物体的距离和时间的关系；德国的第谷对天文的观察和研究的贡献不可磨灭……正是这样的时代才能诞生牛顿这样的物理学家，当然牛顿自身的天分和努力也对牛顿的光学成就起到不可磨灭的作用。

2.2 牛顿逐渐解决白光色散问题

牛顿并不相信第一节列表中提到的说法。牛顿一开始注意到笛卡尔理论的问题，是因为观察到了这个现象：把一束圆形的光射到三棱镜上时，三棱镜背后没有出现圆形的图像，而出现了一个长条的光谱。我们在中学学过，光从空气射入其他介质后会发生折射，这是斯涅尔定律（详见3.2折射定律）。在牛顿的时代，斯涅尔定律已经被发现了。按照折射的原理，以及笛卡尔的理论，圆形光束经过三棱镜后应该形成圆形或椭圆形的光斑，却出现了长条光带，它们的长宽之比约为5：1。这个长条光谱是无法解释的，因此他认为一定是笛卡尔的猜想出错了。

但是，他也不能确信七色光是否为不同的光，因此他又做了另一个实验：在第一个三棱镜后，他加了一片挖了一个小圆洞的纸，利用这个圆洞，他就能捕捉彩色光带中的任意光束。接着，他让不同的色光分别再通过三棱镜折射一次，然后计算不同色光的折射率。通过这个实验，他发现不同色光的折射率不同而且保持恒定，这才让他确信：这些七色光的性质是不同的。因此，白光确实不是一种光，而是由不同的光构成的。

但是，在连三棱镜都没有普及的17世纪，这一番推理并不能说服所有人，光凭一个三棱镜的色散实验不能让人信服白光是复色光。那么，牛顿想，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？

这也正是证明白光是由许多单色光组成的重要步骤，我想也正是秦老师说的“牛顿比别人多做的那一步”。牛顿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斑。这样，通过棱镜色散实验和使多种色光合成白色光，牛顿成为了公认的解释和证明光的色散现象的第一人。

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：

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。
同一颜色属于同一折射率，反之亦然。
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。
必须区别本来单纯的颜色和由它们复合而成的颜色。
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。
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。
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。
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。

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。具体详见3.1。

综上，牛顿通过前人从未有过的严密的实验，得出结论：白光是由不同颜色（即不同波长）的光混合而成的，不同波长的光有不同的折射率。在可见光中，红光波长最长，折射率最小；紫光波长最短，折射率最大。

2.3 牛顿的其他光学成就

色散现象是光现象，我们可以单独看看牛顿的光学成就。除了研究色散，牛顿还在光学方面取得其他的很多成就。在光学上，牛顿发明了反射望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。

牛顿发现的色散现象成为光谱分析的基础，揭示了光色的秘密。牛顿还曾把一个磨得很精、曲率半径较大的凸透镜的凸面，压在一个十分光洁的平面玻璃上。在白光照射下可看到，中心的接触点是一个暗点，周围则是明暗相间的同心圆圈。后人把这一现象称为“牛顿环”。

他创立了光的“微粒说”，从一个侧面反映了光的运动性质，但牛顿对光的“波动说”并不持反对态度。1704年，牛顿著成《光学》，系统阐述他在光学方面的研究成果，其中他详述了光的粒子理论。他认为：“光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成的。”然而，后人误解了牛顿的意思，详见3.1。

牛顿由于发现了白光的组成，认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的，就设计和制造了反射望远镜。牛顿改进了他人的实验方法，做了一系列判决性实验，表明白光是由各单色光以一定比例的复合，不同色光有不同的折射性能，为颜色理论奠定了基础。

值得一提的是，《自然哲学的数学原理》虽不是其在光学领域的成就，但作为牛顿的代表作，其在物理学、天文学和自然哲学领域有开创性贡献，牛顿因此而成为科学革命的旗手。

3. 光学理论

3.1 粒子说与波动说

牛顿也不是永远正确。在多次争吵后，虽然牛顿对光的“波动说”并不持反对态度，但他让科学界接受了这样一种观点：光是由微粒组成的，而不是一种波。这种波动说的观点在历史上流行了很多观点，有许多科学家因提出了光的粒子说而受到学界抵制。而现在我们都知道，光可以表现出波动性和粒子性，这就是光的波粒二象性。

17世纪末，惠更斯提出光的波动说，他于1678年在法国科学院的一次公开演讲中公开反对牛顿的微粒说。欧拉也是波动学说的支持者之一，他认为波理论更容易解释衍射现象。

之后，菲涅耳也独立完成了他的波动理论的建立，并于1817年上递给法国科学院。泊松完善了菲涅尔的数学证明，给了牛顿粒子学说致命一击。在1821年，菲涅尔使用数学方法使光的偏振在波动理论上得到了唯一解释。

但波动理论的弱点在于，波的传播需要介质，如果光是一种波，那么它传播的介质是什么呢？当然，现在我们知道光可以在真空中传播。

牛顿推测光速在高密度下变高，惠更斯和其他人觉得正相反。但当时并没有准确测量光速的条件，直到1850年，傅科的实验得到了和波动理论同样的结果，经典粒子理论才真正被抛弃。

3.2 折射定律

折射定律也称为斯涅尔定律（Snell's Law）。光线通过两介质的界面折射时，确定入射光线与折射光线传播方向间关系的定律，是几何光学基本定律之一。入射光线与通过入射点的界面法线所构成的平面称为入射面，入射光线和折射光线与法线的夹角分别称为入射角和折射角，以θ1和θ2表示。折射定律表述为：①折射光线在入射面内。②入射角和折射角的正弦之比为一常数，用n21表示，即sinθ1/sinθ2=n21。式中n21称为第二介质对第一介质的相对折射率。

3.3 光电效应

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。

4. 总结

物理问题往往需要深入的研究，秦老师提出的问题更是如此，还要考察我们查阅资料的能力。这几天在机房查文献归纳信息的我逐渐意识到，人类对自然现象的不理解和好奇是人类进行科学探索的动力源泉，但人类对自然现象的探索与理解存在一个循序渐进的过程。牛顿之前的古人，包括古代欧洲人和中国先哲，都发现了光的色散现象，但由于时代和认知的局限，他们大都认为白色光是纯净的光（实际上这是符合我们的“常识”的），但他们止步于观察和思考，没有对色散现象给出真正科学合理的解释。

牛顿所处的时代是一个中国和欧洲都处于大变革的时代，大量优秀的科学家展露才华，已经积累了一定的科学知识。牛顿在还没有成名的时候就有独立思考的能力，不一味相信当时的权威和主流观点，勇于向他们提出质疑。并且，牛顿设计了精密严谨的实验，加上他个人的天分，使得他由解释光的色散现象的能力，将色散后的条形光带成功合成了白光。这有力证明了白光是由一系列不同颜色的光组成的，牛顿成为了公认的解释和证明光的色散现象的第一人。可以说，从思辨到严谨的实验也是科学探索中非常关键的一步，牛顿等人迈出了这一步，人类的科学研究史前进了一大步。

致谢

这篇“论文”是一篇小论文作业，本无写致谢的必要，但这是我一生中第一次以较规范的方式写论文，总想着要完满一些，正式一些，因此我首先想感谢的就是秦老师，和我们学校，给大家和我提供了这样的平台和机会。我们得以综合锻炼自己的各项学术能力，包括研究问题、查找文献、信息整合、时间统筹等等，并为将来在大学中的本科生活、研究生生活做了很好的预演。

其次，感谢机房老师，允许我们同学从在体育活动时间使用机房电脑编辑论文。当然也感谢许多为我们的论文提供帮助和支持的同学和老师们。

也感谢中文互联网为我们提供了丰富的文献资源作为参考资料，让我们如期完成物理作业。由于写论文前期没有记录参考资料，以下资料列表可能有疏漏，但我仍要向所有引用文献的作者表示感谢。

参考资料

[1].《物理》第一分册.秦江

[2].《物理》第二分册.王黎辉

[3].牛顿与光的色散.文秘帮

[4].光的色散.东山高卧

[5].折射定律.百度百科

[6].光的色散.江西教师网

[7].认识色光的历程—从亚里士多德到牛顿.悟理课

[8].牛顿对色散研究的贡献.韩君芳

[9].思想的时代—牛顿、洛克的思想及其生成.人民网

[10].光的波动说.百度百科

[11].艾萨克·牛顿.大科普网

[12].光电效应.百度百科