第二十九回 門縫裡牛頓玩弄三稜鏡 小旅店歌德細看少女郎
——顏色本質的第一次突破
上回說到牛頓發現萬有引力定律,出版了《自然哲學的數學原理》一書,這實在是物理學上的一件大事。殊不知這牛頓渾身才華,猶如大壩水滿,渠水四溢,這智慧之水又在光學上沖開一個缺口,奔湧而出。
原來,在顏色問題上,千百年來一直有一個難解的謎。那太陽光誰看也說是白的,可不知為什麼雨後的天空會突然出現一條七色彩虹。於是眾說紛紜,有說這是一條長龍彎身下海吸水;有言這是一座彩橋,仙人踏空而過;有那剛登王位的,就說這是吉兆,上天呈祥;有那寶座不穩的,就疑是江山氣數已盡,終日惶惶……反正誰也說不清。中國古代已注意到虹是陽光與水珠的變幻。甲骨文裡“虹”是“日”加“水”,寫成“”。唐代張誌和的《玄真子》中記載:“背日噴乎水,成虹霓之狀。”——端著一碗水背向太陽一噴,眼前竟也能現出一條多彩小鏈。但這噴出的霓,伸手抓是一把濕氣,想多看一會兒,又瞬間即逝,既不能抓在手裡玩,更不能用刀將它剖開,終究還是弄不清這顏色是怎麼來的。至於平時紅的花,綠的葉,五顏六色的東西,人們更不知到底是怎麼回事。前麵提到的法國數學家笛卡爾說,顏色是許多小粒子在轉,轉速不同,顏色也就不同;化學家波義耳說,光是有許多極小粒子向我們的眼睛視網膜上撞,撞的速度不同,看到的顏色也就不同。反正,為解這個謎有不少人都想來試一試,而運氣最好的,還是牛頓。
1666年,牛頓還在劍橋大學當窮學生時,他腦海裡就翻騰過這個顏色問題。說來真巧,他在鄉下,因看到蘋果落地發現萬有引力;回到學校,卻又因看到門縫裡的光而解決了光學中的顏色問題。那是個假日,同學們都去郊遊了,刻苦的牛頓卻將自己鎖在房中,推演著那引力的公式。不覺日已當午,他飢腸轆轆,便推開稿紙,擡起頭來伸個懶腰,這一擡頭不要緊,隻見緊閉的門縫裡露進一縷細細的陽光,在幽暗的房間裡顯得格外明亮。他不由自語道:“從來沒有見過這樣細的光絲,不知可否將它再分成幾縷?”這麼想著,他便伸手從抽屜裡摸出一塊三稜鏡,迎上去截住那絲細光,然後又回過頭去看這光落在牆上的影子。
這一看不要緊,那牆上竟出現一段紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的彩色光帶。他將鏡子轉轉,光帶不變,再前後移動,終於選出一個最佳點,這一下天上的彩虹便清楚地出現在他的房裡。他捏著三稜鏡就像抓住了那條巨龍的尾巴,任他細看細想。從這天起,牛頓一有空,就把自己關在房子裡,還把門窗都用床單遮嚴,隻放一道光進來,做著這種玩三稜鏡的遊戲。他已經悄悄地領悟到一個秘密:我們平時看到的白光,其實不是一色白,它是由許多光混合成的。但是那各個單色又是什麼呢?它們之間靠什麼區別成不同顏色呢?按道理應將那單色光再分一次,但這還得要一塊三稜鏡,還得有實驗室設備,他這個窮學生是辦不到的。
前麵說過,牛頓在劍橋大學有一位恩師叫巴羅,他們生尊師愛,情同魚水,結下了忘年之交。這巴羅幾日不見牛頓來走動,一天便到房裡來找牛頓。他見門虛掩著,屋裡靜悄悄的不像有人,便推門而進,不想一頭正撞在一個人身上。巴羅剛從陽光下走進這間暗屋裡,他一時看不清是誰,隻聽有人喊了他一聲“老師”,將他扶住,又一把扯下窗戶上的床單——原來是牛頓。巴羅說:“你又在搞什麼名堂,幾天不露麵,我還以為你病了呢。”牛頓卻笑嘻嘻地如此這般地說了一遍。巴羅也大為驚喜,連聲埋怨他何不早說。
第二天,他就給牛頓又弄來一塊三稜鏡,布置起一個真正的暗室。他們先讓一束光穿過一個黑色木闆上的小孔,用三稜鏡將它分成七條不同的彩色光,再用一個有孔的木闆擋住分解後的光,讓每條單色光逐一從孔裡通過,木闆後再放一個三稜鏡。這時新的發現出現在粉牆上:一是這單色光通過三稜鏡時不會再分解,二是各色光束經過三稜鏡時折射的角度不同。憑著數學天才和實踐才能,牛頓很快就計算出紅、綠、藍三色光的折射指數。這一實驗不久,1669年年底牛頓便接替巴羅老師,開始在劍橋大學向學生們開設光學課了。可惜學生們聽不大懂他在講些什麼。
1672年2月6日,牛頓向皇家學會寫了一封詳細的信——《光和顏色的新理論》,歸納了十三個命題。他指出:我們平常看見的白光不過是發光體發出的各種顏色光的混合。白光可以分解成從紅到紫的七色光譜。一切自然物體的顏色是因為它們對光的反射性能不同。對哪一種光反射得更多些,就是哪種顏色。按這個理論,虹的問題解決了,它不過是白光讓空中的水滴(相當於三稜鏡)分成七色而已。物體的顏色不同不過是因為各自的反射性能不同,這又是一大發現,牛頓因此而創立了光譜理論。後來恩格斯說:“牛頓由於進行光的分解,而創立了科學的光學。”
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