這個(gè)世界上有很多經(jīng)典，有很多科學(xué)，但只有一部“科學(xué)元典叢書”，它被擺在習(xí)近平主席書架上。這套涵蓋了近代科技革命到二戰(zhàn)時(shí)期400多年的科學(xué)經(jīng)典叢書，由中國(guó)科學(xué)院大學(xué)人文學(xué)院任定成教授主編。它們安靜地站在時(shí)空深處，無(wú)聲訴說著被雕刻的時(shí)光，見證著科學(xué)的歷程。今天我們向讀者推薦的是這套叢書中的《牛頓光學(xué)》。
100年前，世人自以為有資格對(duì)牛頓在理論物理方面的工作給予最后評(píng)判。他的引力定律往往被看做最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。然而，提及牛頓的光學(xué)著作，我們的先輩們談起來(lái)就不那么熱情了，它的許多光輝成就是確鑿無(wú)疑的，但是普遍認(rèn)為牛頓由于贊成光的微粒說而使自己受到損害，而微粒說是絕對(duì)錯(cuò)誤的。因此，在19世紀(jì)后半葉，在《原理》的一些部分仍然為年輕人所正規(guī)地學(xué)習(xí)的同時(shí)，《光學(xué)》卻多少被看做一本僅僅為科學(xué)史學(xué)家感興趣的書。
二十世紀(jì)初光學(xué)理論的進(jìn)展對(duì)舊派物理學(xué)家來(lái)說令人驚訝。光的微粒觀念在消亡一個(gè)世紀(jì)之后于1905年復(fù)活了；當(dāng)時(shí)愛因斯坦借助于普朗克的量子原理解釋了光電效應(yīng)，因而導(dǎo)致假定光“量子”的存在。他的構(gòu)思被實(shí)驗(yàn)特別是被“康普頓效應(yīng)”充分證實(shí)。與此同時(shí)，證明光由波組成的較老的實(shí)驗(yàn)也沒有失效；因此我們被迫承認(rèn)波動(dòng)說和微粒說兩者都是正確的。光的波動(dòng)說和微粒說共存的佯謬通過對(duì)基本原理作更嚴(yán)密的考察至少已經(jīng)部分得到解釋，導(dǎo)致人們認(rèn)識(shí)到波粒二象性現(xiàn)象。并預(yù)計(jì)不僅在光的情況下有這種現(xiàn)象，而且在電子(它以前僅僅被看做微粒)的情況下，甚至在原子的情況下也都有這種現(xiàn)象。
這一切對(duì)牛頓光學(xué)的修正意見具有影響�，F(xiàn)在讓我們盡我們所能，來(lái)追蹤牛頓的思想發(fā)展。
牛頓通曉光學(xué)開始于對(duì)開普勒的《屈光學(xué)》(Dioptrice)的學(xué)習(xí)，當(dāng)時(shí)他還是一名劍橋大學(xué)的學(xué)生。那時(shí)正確的折射定律還沒有發(fā)現(xiàn)，只是假定為折射角正比于入射角；當(dāng)入射接近于垂直時(shí)，它等價(jià)于正確的定律；而借助于這一假設(shè)開普勒給出了透鏡和折射望遠(yuǎn)鏡性能的一個(gè)正確解釋，同在1611年出版了斯帕拉托大主教安東尼奧·德·多明尼斯的《視覺范圍和光度》(De radiis visus et lucis)，它給出了最初的對(duì)虹霓的大體正確的解釋，并可能引起了牛頓對(duì)大氣光學(xué)的興趣。 也許對(duì)牛頓更有激勵(lì)作用的是笛卡兒的著作，其《屈光學(xué)》(Dioptrique)和《大氣現(xiàn)象》(Météoτes)1638年在萊頓出版。另外，從1664年起牛頓在劍橋曾接受盧卡斯教授巴羅(Barrow，Lucasian Professor)的口頭講授，他講的光學(xué)課文后來(lái)出版了(1669年)。還有三部值得注意的著作大致問世于牛頓已開始他的獨(dú)立研究之時(shí)，即詹姆斯·格雷戈里(James Gregory)的《光學(xué)進(jìn)展》(Optica Promota,1663)，描述了他的反射望遠(yuǎn)鏡；天主教耶穌會(huì)神父格里馬爾迪(Jesui Father Grimaldi)的《物理數(shù)學(xué)》(Physico?Mathesis，1665)，記載了他的折射發(fā)現(xiàn)；羅伯特·胡克的《顯微術(shù)》(Micrographia，1665)表述了薄片的顏色，并通過引進(jìn)干涉這一概念對(duì)其進(jìn)行了解釋，長(zhǎng)期以后一個(gè)完善的理論就以它為基礎(chǔ)。
《牛頓光學(xué)》，北京大學(xué)出版社出版，周岳明 等譯
牛頓本人作為一個(gè)初期的光學(xué)工作者的活動(dòng)看來(lái)開始于1663年，當(dāng)時(shí)他開始磨制透鏡并對(duì)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和性能感興趣。他感到降低和消除色差的需要，在1666年初(那時(shí)是23歲)他購(gòu)買了一塊玻璃棱鏡“以此來(lái)試驗(yàn)顏色現(xiàn)象”。為此目的“弄暗我的房間，并在我的護(hù)窗板上開一小孔，讓適量的太陽(yáng)光進(jìn)入，我將我的棱鏡放在陽(yáng)光進(jìn)入處，于是光會(huì)因此折射到對(duì)面墻上。”牛頓提出這樣一種觀點(diǎn)，通常的白光確實(shí)是每一種不同顏色的光線的混合，光譜的伸長(zhǎng)是由于玻璃對(duì)這些不同的光線折射本領(lǐng)不同。這一發(fā)現(xiàn)是他的第一篇科學(xué)論文的主題，它發(fā)表在1672年的皇家學(xué)會(huì)《會(huì)刊》中。它的出現(xiàn)引起了一場(chǎng)尖銳的爭(zhēng)論。特別是胡克激烈地指責(zé)它；而隨它的發(fā)表而來(lái)的不愉快的結(jié)局與后來(lái)牛頓曾表示不情愿將他的結(jié)果公之于世很有關(guān)系。就像他的追隨者麥克勞林(Maclaurin)所說，“在他的青年時(shí)代，他的極好的發(fā)現(xiàn)所遭到的激烈的反對(duì)，使世界多年喪失它們的充分報(bào)道，直到在學(xué)者中出現(xiàn)了一個(gè)較大地接受它們的傾向，和由于在爭(zhēng)論中某個(gè)出版物上的一種見解可能涉及到他，而導(dǎo)致他起來(lái)保持他所作出的其他重要?jiǎng)?chuàng)造。”這時(shí)事實(shí)上他認(rèn)真地打算一概放棄研究。“我打算，”他寫信給奧爾登伯(Oldenburg)說，“不進(jìn)一步掛心哲學(xué)問題：而因此我希望，如果你發(fā)現(xiàn)我不再干那類事的話，你不會(huì)為此生氣。”
在這場(chǎng)討論的過程中，牛頓乘機(jī)更充分地說明他關(guān)于光的本性的觀點(diǎn)。胡克持著光是一種物質(zhì)材料的學(xué)說來(lái)責(zé)難他。事實(shí)上牛頓這時(shí)非常不喜歡較為猜測(cè)性的那類假說，他的目的是創(chuàng)造一種直接基于觀測(cè)而不含有就事物的隱藏的機(jī)制所做的一切想象的理論。牛頓認(rèn)為單色光按本性實(shí)質(zhì)上是周期性，而且周期的不同與顏色的不同相對(duì)應(yīng)。
甚至牛頓同代人中最卓越者，也極難接受他的光具有無(wú)數(shù)不同的、獨(dú)立的、不能互相轉(zhuǎn)變的顏色，并為某一確定的可折射性所表征的學(xué)說。甚至惠更斯在1673年說過“一個(gè)可以解釋黃色和藍(lán)色的假說，理應(yīng)足以解釋其余所有的顏色。”
普通的白光是不同可折射性的光線的一種雜色混合這一發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致牛頓更充分地理解到消除透鏡色差的困難。1668年他發(fā)明了今以他的名字命名的反射式望遠(yuǎn)鏡，在說明書《關(guān)于一種新的反射折射望遠(yuǎn)鏡的說明》中指出“物體被放大約38倍，”而“一架長(zhǎng)約兩英尺的普通望遠(yuǎn)鏡只能放大13或14倍。”
1675年年終，牛頓向皇家學(xué)會(huì)送交一篇論文。文中假設(shè)了“一種‘以太’媒質(zhì)，從太陽(yáng)和各行星進(jìn)入到空虛的太空的過程中，它不斷地變得越來(lái)越稠密”由此引起了引力，“每個(gè)物體都力圖從該媒質(zhì)的較致密部分走向較稀薄部分”然而不能設(shè)想“以太”本身的振動(dòng)可以構(gòu)成光，因?yàn)橹本�傳播性無(wú)法由此得到解釋。光被看做是“從明亮的物體傳播出去的屬于某種不同種類的東西”。“以太”是光和有質(zhì)物體之間的媒介物。“以太”在關(guān)于光和引力上所引起的雙重作用，在牛頓的思想中引起了對(duì)這兩門學(xué)科的一種肯定關(guān)聯(lián)。爾后的10年中當(dāng)他發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律——定律中沒有提及“以太”——此時(shí)他開始把“以太”假說看作是某種不必要的東西，并希望也從光學(xué)中擯棄它。這時(shí)反對(duì)“以太”的最有力的論據(jù)是“以太”幾乎不能與他的新的天體力學(xué)協(xié)調(diào)起來(lái)。
牛頓在他的人生后期，更明確地傾向于一種純微粒理論。牛頓比他意識(shí)到的更多地卷入微粒理論，這一點(diǎn)從他在《光學(xué)》第一編命題6給出的折射定律的證明中明顯可見。在他的后期，對(duì)微粒理論的這種傾向性也表現(xiàn)在他對(duì)該學(xué)科的兩大問題的處理上：薄膜的顏色和雙折射。關(guān)于薄膜的顏色，通過發(fā)展胡克原始的干涉概念可以構(gòu)思出一個(gè)基于波動(dòng)原理的滿意的解釋：然而牛頓采取一條迥然不同的途徑，并創(chuàng)造了易于反射和透射的突發(fā)理論，這可在《光學(xué)》第二編命題12中找到。他的理論在一定程度上對(duì)應(yīng)于波動(dòng)理論中被稱為光的波長(zhǎng)的量，但是誠(chéng)如牛頓所說“這是何種作用或?qū)傩�，究竟它在于光線或媒質(zhì)，還是別的某些東西的一種圓周運(yùn)動(dòng)或是振動(dòng)，我不在此查究”。關(guān)于雙折射，它是在1669年由丹麥哲學(xué)家伊拉茲馬斯·巴托林(Erasmus Bartholin)發(fā)現(xiàn)的，并由惠更斯于 1690年在他的《光論》(Théorie de la lumière)中進(jìn)行了討論。牛頓在他1717年出版的《光學(xué)》第二版中收入這一問題，他認(rèn)為一條光線在晶體表面的折射取決于其側(cè)面與晶體主平面的關(guān)系。這一卓越的直覺直接導(dǎo)致光的偏振的發(fā)現(xiàn)——偏振系牛頓在疑問29中參照磁體兩極而取名。不幸的是，通過一系列對(duì)于牛頓時(shí)代的知識(shí)來(lái)說是頗為完善的推理，這一偉大的進(jìn)展卻導(dǎo)致他更為決意拒絕波動(dòng)理論。
《牛頓光學(xué)》并非牛頓的初次嘗試，因?yàn)樵?692年2月的一天，牛頓在去小教堂之前在屋子里留下了燃著的火種。“不知怎么搞的，火燒毀了他的文稿，其中有一部關(guān)于光學(xué)的巨著，其內(nèi)容包括作者20年的實(shí)驗(yàn)和研究成果”，其后繼者，即現(xiàn)在這部著作的第一版，直到1704年才出版。我們可以認(rèn)為這與1703年胡克的去世有關(guān)。因?yàn)槲覀冎琅ｎD不愿意發(fā)生論爭(zhēng)，而胡克的去世為牛頓去掉了一個(gè)最執(zhí)拗的對(duì)手。
對(duì)牛頓來(lái)說，自然界是一本打開的書，他能閱讀其中的文字，并能通過實(shí)驗(yàn)將其生動(dòng)地展示出來(lái)，然后將它們井然有序地記錄下來(lái)。誠(chéng)如愛因斯坦所說，牛頓的所有發(fā)現(xiàn)都已進(jìn)入舉世公認(rèn)的知識(shí)寶庫(kù)。他的《光學(xué)》記錄了他在光學(xué)領(lǐng)域卓越的成就，這一著作受到人們的歡迎，因?yàn)閱问沁@一本書就能使我們一睹這位偉人的個(gè)人活動(dòng)而獲得的樂趣。
原著導(dǎo)讀：E.T.惠塔克（英國(guó)著名數(shù)學(xué)家，劍橋大學(xué)三一學(xué)院研究員）
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