瘟疫让大学关了门
1665 年,剑桥因瘟疫停课。二十出头的牛顿回到林肯郡伍尔索普的家。他后来把这段时间说成自己的“奇迹年”:微积分、运动、引力和光学的种子都在这里出现。
这种回忆容易把他写成与世隔绝的先知。其实牛顿随身带回去的是一脑袋别人的问题。他读过笛卡尔的光学,也被胡克《显微图谱》里关于颜色的讨论刺激。他还买了一块三棱镜,那原本是集市上用来制造彩色光斑的玩物。
牛顿把房间遮暗,只在窗板上留一个小孔。细窄日光穿过三棱镜,在对面墙上拉出一条红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的长带。
不只是三棱镜把光染了色
当时很自然的解释是:纯净白光通过玻璃时被改变了,就像清水浸过颜料。可是彩色光带的形状不对。若所有光只按同一规律折射,太阳的小圆像应当只是换一个位置,不该被拉成长条。
牛顿用纸板隔出其中一种颜色,再让它通过第二块棱镜。红光仍是红光,紫光仍是紫光;它们可以再次偏折,却不会重新变成完整彩虹。不同颜色似乎原本就拥有不同的折射程度。
最后,他让第一块棱镜分开的颜色通过透镜和第二块棱镜重新会合,白光又出现了。白光不是没有颜色,而是许多颜色混合后的结果。玻璃并非给光上色,它只是把已经混在一起的成分分开。
今天我们用折射率随波长变化来描述色散。蓝紫光通常比红光偏折得更多。重点却不只在结论,而在牛顿安排实验的次序:分开、挑出一种、再次检验、再重新合成。每一步都在排除一种可能解释。
图示说明
静态物理图:newtons_prism_experiment。
一场持续多年的争论
1672 年,牛顿把光学论文送到皇家学会。负责评议的人之一正是胡克。胡克接受实验现象,却不同意牛顿把颜色当作光本身的固有性质,也认为自己的波动理论能解释结果。
牛顿极不喜欢公开争论。他写下长篇答复,受伤、反击,又一度远离学术通信。后来人常把这段冲突压成“谁对谁错”,但新科学并不是只靠正确答案成长。实验要能被别人重复,概念要经受反对者追问,连最漂亮的结论也必须说明自己排除了什么。
多年后,牛顿在《光学》中系统整理这些工作。他给读者留下的不只是彩虹的成因,也是一间暗室的范本:当日常光线显得太熟悉,就关上窗,把问题缩成一束能够追踪的光。