世界近代中期科技史-第6章

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　　　　　笛卡尔的关于光的本性的两种假说提出之后，主要以他的微粒说对当时　

已知的光的反射和折射现象进行了解释。他认为，光线可以发生反射，是因　

为光微粒碰到反射面之后，遵循一定的力学定律被弹射回来，这样就发生了　

反射。而光线所以发生反射，是因为光微粒在由一种介质进入另一种介质之　

后，由于两种介质的不同密度的影响，光微粒再受到另一种密度较大的介质　

的阻力作用之后，粒子运动相应减速，因此发生了折射。他的光的微粒说提　

出以后，曾经比他的那种朦胧的波动说产生过更大的影响，而他的那种朦胧　

的波动说也被一些后继者所重视。　

　　　　　因此，以斯涅尔和笛卡尔两人的光学成果为代表，几何光学和物理光学　

在17世纪初期均已奠定初步的基础。　



　　　　　（3）波动说与微粒说　

　　　　　到了17世纪中期，随着实验光学的发展，几何光学和物理光学都有了进　

一步的发展。在这一时期，最先推动物理光学发展的是意大利波仑亚大学的　

数学教授格里马第　（1618—1663年）。　

　　　　　1655年，格里马第对物体在光线传播方向上的物影进行了观测。他发　

现，物影总比假定光线直线传播时应有的大小还要大一些，而且物影的边缘　

总是模糊的。他由此推想，光可能是一种与水波类似的流体。为了证实这一　

推想，他进行了一个光学实验，他让一束光穿过一个小孔，然后让穿过小孔　

的光线照射到暗室的一个屏幕上。结果发现，穿过小孔的光线的光影明显地　

增宽了。他认为，这种光现象用笛卡尔的微粒说是解释不了的。他把这种光　

的传播现象与水波的传播现象进一步作了类比，认为它与水波穿过小孔后的　

衍射现象极为相似。因此，他把他的实验称为衍射实验，并在1660年进一步　

提出了他的光的波动说，认为光是一种作波浪式传播的流体。　

　　　　　此后不久，英国物理学家胡克重复了格里马第实验，并进行了肥皂泡膜　

上的颜色观察。他认为，不论是格里马第实验，还是肥皂泡膜上的颜色，都　

是微粒论无法解释的。因此，他在1665年出版的《显微术》一书中，综合了　

笛卡尔和格里马第两人的一些看法，提出了光是以太的一种纵向波的假说。　

运用这种假说，胡克对光的颜色作了解释，认为光的颜色是由光波振动时的　

不同频率来决定的。　

　　　　　到了60年代中期，牛顿也在光学领域里进行了一些实验。牛顿所进行的　

第一个著名的实践是三棱镜实验，即光的色散实验。1666年1月，牛顿在家　

里进行了这一著名的实验，为了进行这一实验，他磨制了一台三棱镜。他把　


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这台三棱镜置于暗室的窗板上的一条细缝的入口处，暗室外的日光即成一束　

平行的光线通过三棱镜。当日光透过三棱镜被折射后，牛顿惊异地发现，窗　

户对面的墙上出现了一条按赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列的色彩　

绚丽的光谱。此后不久，牛顿又买了一台三棱镜，当他把第二台三棱镜放在　

第一台三棱镜折射出的各种单色光的通路上时，各种单色光经第二台棱镜折　

射之后，又重新聚合在一起，复合成白光折射到屏幕上。为了证实单色光是　

否还能继续分解，牛顿在屏幕上开了一条窄缝，让被分解后的单色光透过窄　

缝射到第二台棱镜上，结果证实，这束单色光只发生方向的偏移，而不能继　

续分解。光的色散实验使牛顿认识到，白光是原来由各种单色光组成的复合　

光；复合光能分解为单色光，单色光能组合为复合光；单色光不能再继续分　

解；复合光被分解成单色光之后，形成有序的单色光光谱。牛顿通过光的色　

散实验提出的这些新的光色理论，是当时在光的颜色理论上的重大进步。　

　　　　　牛顿所进行的第二个著名的光学实验是“牛顿环”实验。他认为胡克的　

肥皂泡实验的精确度不高，而且泡膜转瞬即逝，不便于观察，于是他又设计　

了一个被后人称为“牛顿环”的实验。他将一个半球面透镜放在一块平板玻　

璃上，让其曲面接触平板玻璃，而其平面向上，然后，他让一束光从透镜的　

平面上方直射下来。这时，他发现，在透镜的曲面与平板玻璃的接触点上，　

形成了一个很大的暗点，而在暗点的周围，则出现了以这个暗点为圆心的明　

暗相间的彩色同心圆。在发现这一现象后，他运用白光和色光进行了对比实　

验。他发现，在白光照射下出现的是明暗相间的彩色同心圆；而色光照射下　

出现的明暗相间的单色同心圆，这就是“牛顿环”现象的最初发现。　

　　　　　此外，牛顿还进行过其他一些重要的光学实验，如衍射实验、折射实验　

以及在各种光学实验中的分析对比实验等。牛顿进行大量的光学实验的目　

的，主要是为了从理论上探索光的各种几何性质和物理性质。　

　　　　　在几何光学中，牛顿通过对光的几何性质的研究，发现有可能研制出一　

种反射型望远镜并于1668年制出。由于比较粗糙，因此其观测效果尚不如折　

射型望远镜。后来，他又进一步改革，特别是在磨制出光洁度较好的反射镜　

之后，终于在1671年研制出了第二台反射望远镜。牛顿即向皇家学会呈交了　

这台反射型望远镜，并被送到国王查理二世那里，受到了赞许。由于这种新　

式的望远镜的发明，牛顿在1672年1月11日被选为皇家学会会员。　

　　　　　在物理光学中，牛顿着重研究了光的颜色问题和光的本性问题。通过色　

散实验和“牛顿环”实验，他认为，各种单色光之所以有不同的颜色，白光　

经过三棱镜折射后之所以分解为有序的光谱，是因为不同的单色光具有不同　

的折射率。在各种单色光中，紫色光的折射率最大，而红光的折射率最小，　

因此它们分居光谱的两端。在经过近六年的理论探索之后，牛顿把他的这一　

关于光的颜色理论在1672年2月6日写成论文：《关于光和色的新理论》，　

2月8日，他在皇家学会的周会上宣读了这篇论文，以作为对皇家学会把他　

吸收为会员的答谢。同月19日，这篇论文发表于由皇家学会秘书欧登堡（1615　

—1677年）主办的《皇家学会会报》。　

　　　　　牛顿的光色决定于折射率的理论，能比较成功地解释光的色散现象，并　

进而建立起了最初的光谱理论。可是，对于“牛顿环”中的明暗相间的彩色　

或单色的同心光圈，牛顿却无法用他的光色理论作出成功的解释。牛顿在其　

光学实验中发现了“牛顿环”，但却未能从理论上解开“牛顿环”。　

　　　　　通过光的色散实验和“牛顿环”实验，牛顿对光的本性问题也进行了探　


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讨。胡克曾较为明确地提出：光是以太的一种纵向波。但牛顿认为光是一种　

粒子流。后来，牛顿从他的质点力学理论出发，进一步发展了他的光的微粒　

理论，提出光是一种由极小的微粒形成的粒子流。本来，笛卡尔早在　1637　

年也曾提出过光是一种以太粒子流的假说，可是笛卡尔没有把微粒说系统地　

用于光的直射、反射、折射的理论解释。而牛顿则运用微粒说，对这些光现　

象进行了较为成功的理论解释。这样，牛顿也就成了关于光的本性的微粒说　

的代表人物。　

　　　　　光的微粒说虽然能解释直射、反射、折射这些主要的光现象，可是它在　

理论上也遇到了困难。如“牛顿环”中的明暗相间的彩色或单色同心光圈、　

格里马第实验中的光的干涉现象，运用微粒说均无法解释。由于微粒说并不　

能完全解释当时已知的光现象，这就导致了1678年前后惠更斯的波动说与牛　

顿的微粒说的论争。　



　　　　　（4）惠更斯及其波动说　

　　　　　惠更斯是荷兰著名天文学家、物理学家和数学家，他也是通过天文学而　

接触光学的。当巴黎科学院在1666年创立时，即以重要职位和待遇聘任惠更　

斯为巴黎科学院院士。　

　　　　在光学中，惠更斯早年在研制望远镜等光学仪器时，已比较系统地研究　

过几何光学。来巴黎后，他的光学研究逐渐从几何光学转到物理光学方面。　

后来，他去英国旅行，在剑桥大学会见了牛顿，他们互相介绍了自己对于光　

的本性的初步看法，那时，虽然惠更斯尚未建立起系统的光波系统学说，但　

已倾向于格里马第和胡克等人的观点，认为光是一种波。这样，在光的本性　

问题上，惠更斯与牛顿明显地发生了分歧。返回巴黎后，惠更斯重复了牛顿　

的一些光学实验，通过这些光学实验，特别是“牛顿环”实验与格里马第实　

验，惠更斯进一步认定，这些实验事实用微粒说无法解释。他还以生活中的　

光现象为例进行了分析，他说，如果光线是微粒组成的，那未光线在彼此交　

叉时，它们就会互相碰撞，互相碰撞就会改变方向，但生活中并未见到这样　

的光线现象。在研究“牛顿环”实验与格里马第实验基础上，惠更斯提出了　

它的一种比较系统的的光波学说。　

　　　　　惠更斯认为，光是一种机械波，这种机械波是由光波的振动而发出的。　

可是，这随即产生了另一个问题，即如果光是一种机械波，那么它必然有相　

应的载体。水波的载体是水，声波的载体是空气，光波的载体是什么呢？为　

此，惠更斯提出了他的光波学说的第二个要点，即光波是一种靠物体载体来　

传播的纵向波，传播它的物体载体是“以太”。　

　　　　在提出上述两个要点之后，惠更斯还就光波本身的传播规律进行了研　

究。他认为，波面上的各点，本身就是引起媒质振动的波源。他把由波源振　

动发出的波称为子波；而把发出于波的波称为原波。子波由原波发出后，形　

成新的波面，新的波面形成后即成为原波，原波又发出子波，如此持续传播　

下去。这就是他用以解释光的传播规律的著名的惠更斯原理。　

　　　　根据上述原理，惠更斯较好地解释了波在媒质中的传播规律。运用这一　

原理，可以推导出光的反射定律和折射定律，可以解释光在晶体媒质中的双　

折射现象，可以解释光的衍射现象，也可以解释实为光的干涉的“牛顿环”　

现象。　

　　　　这样，一个由上述三个理论要点为基本内容的光波学说，就由惠更斯基　


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　　本上建立起来了。光的波动说虽然不是惠更斯最先提出来的，但却是由他最　

　　先给予理论总结的。所以，从此惠更斯就成了光的波动说的代表人物。　

　　　　　　　1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著《光论》。同年，他　

　　还以光的波动论为基本内容，在巴黎科学院年会上作了反驳牛顿的光的微粒　

　　说的著名讲演，这样，波动说与微粒说的第二次论争，便在惠更斯与牛顿之　

　　间爆发了。