第一章  古代光學
　　牛頓的世界觀
　　牛頓顏色理論的重要性不僅在于他是對的，而且在于他得到結論的方法。在牛頓之前，哲學家主要是通過思辨來發(fā)展自己的世界觀。例如笛卡兒雖然考慮了光傳播的可能方式，但他并沒有做實驗來驗證他的觀點。當然，牛頓也并非第一個實驗家，伽利略便在他對球從斜面上滾下來的運動方式的研究和單擺的工作中開創(chuàng)了實驗的先河。但牛頓首先明確表述了科學方法的基礎，即思想(假定)、觀測和實驗相結合的方法。現代科學正是建立在這一基礎之上。
　　牛頓的顏色理論，產生于他不得不離開劍橋回家休假的這段時間里所做的一系列實驗。到1665年，一束陽光經過一個三角透鏡后會變成一條像彩虹一樣的光譜的現象已被普遍認識。對這一現象的標準解釋基于亞里士多德的觀點，即白光代表純凈的，沒有雜質的形式，經過玻璃則導致這種形式發(fā)生混亂。當光進入棱鏡時，它會發(fā)生彎曲，然后沿一條直線到達三角形的另一邊，在那里它再次彎曲后進入空氣。同時光會發(fā)生擴散，從一個白色的光點變成一條彩色的線，沿三角形頂點向下，上面的光折曲最小，在玻璃中經過較短的距離出射成為紅光。在下面三角形的邊要寬一些，光進入棱鏡時要折曲的多一些，在玻璃中經過較長的距離到達另一邊進入空氣而變成紫色。在兩者之間存在著彩虹中所有的顏色——紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。在一個黑暗的房子里，讓光通過窗簾上的一個小孔射進來，把一個棱鏡擋在光束前面，對著窗戶的墻上就會出現彩色的光譜。
　　亞里士多德認為，在玻璃中傳播距離最短的白光變化最小，成為紅光，而傳播距離稍長則變化稍大，是黃色，然后以此類推直到紫色。
　　實際上牛頓用自制的棱鏡和透鏡對這些觀點進行了驗證，通過改變透鏡的形狀，力圖減小顏色的變化。他第一個區(qū)分了光譜中不同顏色的光，并命名了7種顏色(他有意選擇了7種顏色，因為7是一個帶有某種神秘意義的素數，如果你發(fā)現在彩虹中在藍色和紫色之間難以區(qū)分單獨的靛色，你絕對不屬于少數了)。
　　但是牛頓這次進行的最重要的一個實驗只不過是在第一個棱鏡后面放了第二個棱鏡，只不過放的方式不同，第一個棱鏡尖朝上放，將一束光譜展開成彩色的光譜，第二個棱鏡尖朝下放，將展開的彩色光譜變回了一束白光。雖然光經過了更厚的玻璃，但它并沒有變得更混亂，而是回到了原來的純凈狀態(tài)。
　　牛頓認為，這說明白光一點也不“純凈”，而是由彩虹中所有顏色的光混合成的，不同顏色的光在折射時彎曲程度不同，但是在原來的白光中包含所有顏色的光。這是一個革命性的觀點，因為它不僅推翻了亞里士多德哲學的一項基礎，而且還是建立在可信的實驗基礎之上。但牛頓并不急于向世界宣布他的發(fā)現，他在1665年所獲得的對光本性的認識使他致力于一種新型望遠鏡的研究。
　　用大透鏡做成的望遠鏡(折射望遠鏡)存在一個問題，因為透鏡同樣會把白光分解成有色的光譜。這樣所觀察的物體的圖像上會產生彩色條紋，使圖像模糊不清，使我們在觀察星星時非常不便，這種現象稱之為“色散”。牛頓發(fā)現要做出一個沒有色散的透鏡系統(tǒng)很困難(但并非不可能，如所謂的消色差透鏡系統(tǒng)，是利用兩片或多片折射性質不同的玻璃來制作望遠鏡，它不會產生色散)，因此，牛頓設計并制作了用曲面鏡而不是大透鏡的望遠鏡——反射望遠鏡。
　　牛頓的反射器想法很簡單，用望遠鏡后部的一片大曲面鏡把光反射到一個斜度45角放置的平面鏡上，使光改變方向穿過鏡壁上的一個小孔射出來，觀察者可以通過這個小孔來觀察，而不必擔心頭部會擋住星光。這個想法十分卓越，因為它非常簡單，但用現有的材料制作一面精確的鏡子是一項實驗工作，作為一個專業(yè)的工匠，牛頓自己動手完成了鏡子。最后他做成了一臺長約20厘米(6英寸)的儀器，這臺儀器產生的圖像比用四倍長的反射器產生的圖像大九倍，而且沒有色散。
　　這時，瘟疫已經漸漸過去，大學重新開學，牛頓回到了劍橋。他在1667年當選為三一學院的研究員。同年，英國和荷蘭爆發(fā)了戰(zhàn)爭，荷蘭艦隊在泰晤士成功地襲擊了英國人，劍橋也聽到了槍炮聲，大家都知道是怎么回事;牛頓斷言荷蘭取得了勝利(事實果然如此)，這給他的同事留下了深刻的印象。他的理由是，槍炮聲越來越大，這說明戰(zhàn)場越來越近，英軍正在撤退。
　　到1669年，由于他在數學上的工作，牛頓的聲望漸漸超出了劍橋的范圍。同年，第一位盧卡斯數學教授，艾薩克巴羅(于1663年任職)退休，實際上是為了牛頓。巴羅雖然是一位有成就的數學家，但他卻有另外的雄心。他很快成了國王的第一牧師，然后是三一學院院長。他對亨利盧卡斯——是他設立的盧卡斯教職——的遺囑執(zhí)行人有足夠的影響，使得他的繼任者也是一個三一學院人，并作為一個知名的數學家開始留下足跡。
　　這項任命保證了牛頓在劍橋的地位，但同時要求他作定期演講。他第一期演講的題目并不是數學而是光學和顏色理論，其中特別提到了透鏡的色散問題。同時他自豪地向劍橋及周圍的同事展示了他的新望遠鏡。實際上，現存的牛頓最早的信(寫給一個不知名者)寫于1669年，主要內容就是描述望遠鏡。
　　1671年底，皇家學會(1662年正式建立，實際上已于1645年非正式成立)得知了這項非凡儀器的消息。皇家學會秘書，亨利奧登堡要求看一下這臺望遠鏡，巴羅代替牛頓把它交給了在倫敦的學會。1672年1月奧登堡給牛頓寫了一封過分恭維的信，表達了學會對他這項發(fā)明的贊美，并告訴他，關于望遠鏡的消息已經通知了當時在巴黎的惠更斯。作為新式望遠鏡的發(fā)明者，牛頓逐漸開始享譽歐洲大陸。由于這項發(fā)明，他于1672年1月11日當選為皇家學會會員，并于數周后發(fā)表了他的第一篇物理學論文，形式上是給奧登堡的一封信，信中牛頓闡述了他的顏色理論。這篇論文于1672年2月19日發(fā)表在學會的“哲學會刊”上，并導致了牛頓第一次著名的學術爭論。
　　羅伯特胡克，生于1635年，死于1703年，當時是皇家學會的實驗館館長。他在科學上已經久負盛名，并對光和顏色有自己的觀點(他自己的光波動論發(fā)表于1665年，但沒有惠更斯完善)，他總希望自己的任何工作都能搶到優(yōu)先權。在一封給牛頓的回信中以居高臨下的措辭，他首先否定了光是由微粒構成的概念，并認為牛頓的顏色理論與粒子假設無關，并不值得如此夸贊，胡克用詞尖刻，暗指牛頓理論中原創(chuàng)的東西是錯的，而對的東西不是原創(chuàng)的。
　　爭論的結果有兩個：第一，它使牛頓從學術界躲避出來，把自己關在劍橋，很長時間里拒絕發(fā)表更多的東西(他把自己完善的光學理論留在手中，直到胡克死后，確信不會發(fā)生問題時才全部發(fā)表);第二是牛頓的那句名言——“如果我看得更遠，那是因為我站在巨人的肩上”，尖刻地諷刺了胡克矮小的個子，同時暗指胡克才智不佳。（此句話與牛頓引力論無關，而是出自1675年他寫給胡克的一封信，距他的《原理》一書發(fā)表有12年。關于牛頓與胡克爭論的詳情，參見格里賓的《尋找時間的邊緣》第一章。）
　　另一項批評則使牛頓提出了對自己工作方法的認識——什么是科學的方法。法國天主教耶穌會教士讓加斯東帕拉第斯從巴黎給牛頓寫了一封信，質疑了牛頓理論中幾點牛頓認為恰當的方法。牛頓并沒有把帕拉第斯當成傻瓜對待，而是回信詳述了自己的觀點，他寫道：
　　“哲學最好和最安全的方法似乎應該是，首先努力探索事物的性質，然后用實驗來驗證這些性質，接著逐漸提出假設來解釋這些性質。假設只能被用來解釋事物的性質，而不是決定它們，它只是實驗的奴仆�！保ㄒ�自維斯弗《永不停息》，242頁。）
　　這就是科學之全部。無論你的理論多么完美，如果它與實驗不符，那它就不是正確的。例如，牛頓的光的理論(可能應稱之為“假設”，當胡克用這個詞來定性牛頓的思想時，牛頓很不高興)，它將折射歸因于光從一種媒質進入另一種媒質時的速度變化，但與惠更斯的理論不同，微粒說要求光在稠密的媒質中運動得更快。這就有了一種很明確的方法來區(qū)分這兩種思想;如果牛頓在有生之年能看到實驗顯示光在稠密的媒質中運動的更慢時，他肯定會接受光是以波的形式傳播的觀點。
　　牛頓不僅建立了考察世界的科學方法，他(和惠更斯等同時代的人一起)還提出了第一個客觀世界的模型，它表明宇宙遵守確定的規(guī)律(或定律)，不同的現象，大到行星繞太陽的運動，小至光束的彎曲，都可以用這些規(guī)律來解釋，而不必借助于反復無常的神的一時興致。
　　17世紀的巨匠留給我們的圖景常被十分準確的稱為“時鐘宇宙”，遵從永世不變的定律。但這里的時鐘并不是現在的鐘或手表的樣子，一秒一秒地走過，實際上我們應該想象一下17世紀教堂里的那種大鐘，按照惠更斯的設計，由一個巨大的鐘擺驅動，包括很多連在一起的大小齒輪，不僅驅動了時間嘀嗒的流逝，同時還驅動了一個復雜的系統(tǒng)，能讓舞臺上的圣人像跳舞，能撞擊鈴鐺，在特定的時間產生特定的運動。17世紀的科學認為，與此類似的鐘表系統(tǒng)支撐著行星繞太陽的運轉以及其他自然現象。
　　在牛頓留給我們的思想遺產中，第一點是宇宙中任何事物的行為都是可以預測的，正如教堂的大鐘在舞臺上人像的運動是可以預測的;第二點是用人腦可以理解的簡單定律就可以理解宇宙是如何運作的。因此，盡管對光本性的進一步理解似乎表明牛頓的微粒說是錯的，但與取得的成就相比，這似乎顯得無關緊要，當然這仍然是很重要的一步。