拆散彩虹：牛顿生命最后时光里的棱镜

Posted 2022-12-15 turingbooks

他的棱镜与平静的面庞， 

与他的心灵一起被大理石铭刻，

永远独自航行在奇异的思维的海洋。

——威廉·华兹华斯（William Wordsworth）

在生命最后的时光里，牛顿爵士想起他于1665年8月在斯托桥集市买的一个简简单单的玻璃棱镜。

一直以来，他都对玻璃在阳光下产生的五彩效果，以及有色光的光源很感兴趣。

牛顿的棱镜实验指引了人们理解光的折射、设计反射式望远镜、揭晓彩虹的形成之谜。

1704 年，牛顿对光学和光的研究被收入他的第二本伟大著作——《光学》（Opticks）。

牛顿做了很多深刻而困难的研究。他多才多艺，不但是世界上最厉害的数学家之一，也是一位极具天赋的实验者，他不光能从草图开始建造高精度仪器，如第一架反射式望远镜，甚至连制造仪器用的工具也一并设计出来。

牛顿是英国历史上第一位科学名人，他是“时代的骄傲”，而且还因“政治功绩”被安妮女王授予骑士称号。

牛顿的书虽然只有研究数学的人才能看懂，却为大众所津津乐道， 他也为此经常受到大众报刊的讽刺。他冷漠、严谨、专横，对竞争者不屑一顾。

牛顿在后半生一直担任英国皇家学会主席和皇家铸币厂的主管。在铸币厂，他引 入了一系列创新举措，包括钱币上的滚花边，这样就能看出硬币中的银是否缺斤 少两。当牛顿刚开始在铸币厂工作时，要承受很大压力。

当时，英国与法国之间的战争一触即发，而英国政府却缺少钱币，没钱支付军队的开销。于是，一群“剪刀手”有组织地从钱币边缘上偷取银子，然后用这些银币再去换完好的银币。英国政府虽然打算推进新的货币制度，但法国人却总从中作梗。

彼时的铸币厂坐落在伦敦塔中，里面既有铸币者也有军队的人员，双方对彼此都很不信任，任何一方得势对另一方来说都是一种威胁。

恰在此时，发生了一场事故。不难想象，我们的牛顿先生一定觉得住在伦敦塔里不太安全，所以选择住在杰明街。最终，牛顿挽救了整个局面，成功地推进了新货币制度，打击了“剪刀手”们。

或许是因为其科学研究中的数学难度过高，所以牛顿最广为人所知的成果竟然是他的棱镜。正是棱镜让人们对色彩的理解更进一步。与运动和引力的研究成果不同，棱镜的研究成果是用英语发表的，而非拉丁语。

对于大众来说，甚至对于某些学者来说，这是围绕着牛顿的一个谜。

几千年来，关于世界的知识似乎都来自古希腊哲学家，特别是亚里士多德——他创造了第一套自然哲学。对于世界的理解源自语言能力、专家解读，以及对权威的尊崇。

但是，牛顿的研究却开创了一套崭新的“实验”哲学。想要理解世界是如何运转的，你不再需要翻读古老的书籍，而可以通过观察和实验来自行制定、验证一种假说。

牛顿在这方面的能力远超其他人，而且他都是借助平常得不能再平常的事物做到的。谁会想到用在集市上就能买到的一块简单棱镜就能理解自然光到底是怎么一回事呢？

最重要的是，每个人都可以用棱镜自己来实践牛顿的实验。科学从未像这次一样，真正成为公众知识的一部分。在牛顿研究棱镜之前，人们普遍认为光是白的，但可以加上颜色。而牛顿证明，白光其实是不同颜色光的混合体。

1671 年，牛顿第一次将之称为光谱。当光透过玻璃棱镜再次进入空气时，它被弯曲，或者说被“折射”成不同角度，创造出把白光分解成色彩斑斓的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光谱。

英国的学童们通过一句话来记忆这个顺序——Richard Of York Gave Battle In Vain6 ，每个词的首字母各代表了一种颜色。

之后，牛顿添加了第二个棱镜，让有色光返回棱镜，重新制造出原来的白光。通过这个实验，牛顿明白了为什么由透镜制作的折光式望远镜的图像经常被颜色 干扰，产生所谓的“色差”。

牛顿虽然无法把色差完全消除，但这次实验却让他发明出了只用镜子不用透镜的折光式望远镜——它同样可以放大图像，却不受色差干扰。

如今，所有大型天文望远镜的原理都是基于牛顿的理论。但是，对于与牛顿同时代的人来说，他关于彩虹的解释才是最振奋人心的部分 。

在约翰·济慈（John Keats）这样的诗人眼里，这摧毁了世界的魔力和神秘感，如果这么说的话，牛顿确实“将彩虹拆散”。

牛顿证明，正是被水滴折射的太阳光制造出了缤纷的彩虹。瀑布周围喷出的水汽形成的小彩虹也出于同样的原理 。如果水滴的水质极好，就像雾中的水滴一 样，那么虹就是白色的。

1798 年，约瑟夫·特纳（Joseph Turner）曾在其名作《巴特米尔湖》（Buttermere Lake）中准确地捕捉到了这一现象。

水滴接近球形。阳光在进入水滴时先被折射，并在遇到水滴另一面时被反射回来，然后被水滴再次折射后进入空气，在光强度最高时，阳光的出射和入射角度为 42°。被分散的颜色在水滴内汇聚成一点，所以光谱在回到空气中之前会先交叉， 而彩虹在天空中的位置和太阳相对，所以很容易被看出来。

这就意味着，虽然蓝光被折射得角度最大，最终却是红光出现在彩虹最上端，形成了彩虹的最外层颜色 10。如果太阳在天空中的位置高于 42°，那么人们在地面上就看不到彩虹了，因 为彩虹出现在地平线以下。整个彩虹在天空中的弧度长达 84°，需要一个广角镜头 才能够完整地捕捉到它。

彩虹的七色光还有一段奇特的历史。在现实中，光的所有波长（也就是颜色） 都能在白光中找到。牛顿选择了最能让眼睛捕捉的颜色来定义光谱。

这种选择在 光谱的黄色 - 橙色段非常清晰，但在蓝色段就不那么明显了，人们很难分辨从靛蓝色到紫色的蓝色段。蓝色段的色彩在亮度改变时会产生明显的不同。在光强度 较弱时，黄色 - 橙色段看起来像是棕色。靛蓝色是否存在一直都有争议。

我们无法把它作为单独的颜色分辨出来——尽管蓝色的单宁牛仔装一直都努力让这种颜色成为人们生活中的一部分。

而且一直都有一种说法，牛顿因为宗教原因或因为推崇毕达哥拉斯学派而希望存在 7 种颜色，所以故意引入了无关痛痒的靛蓝色， 把 6 种独立的颜色扩大到 7 种。

在今天，牛顿通过简单的棱镜把白光解构成光谱的实验已经变成了牛顿式分析的标志。这个实验是一切后续复杂的光学理论的基础。在实验中，光的表现既有波的特性，也有粒子的特性。

牛顿确实拆散了彩虹，但是，被拆开的彩虹又重新缠绕组合，变成了一幅更美轮美奂的图景。

  推荐阅读

作者：[英]约翰•D. 巴罗

译者：唐静 李盼

视觉盛宴！

欣赏包罗万象的艺术珍宝，见证科学发展史中一座座里程碑，领略科学的美感和力量

这不止是一部画册，更是一幅纵横千年的科学长卷