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      好“色”之徒牛頓

      2016-05-30 10:48:04羅會仟
      初中生學習·低 2016年11期
      關(guān)鍵詞:三棱鏡棱鏡大廈

      羅會仟

      物理學在牛頓之前確實處于一種混亂和黑暗的狀態(tài),自從有了牛頓,一切仿佛見到了光明。牛頓在物理學上的貢獻,奠定了經(jīng)典物理大廈的基礎(chǔ)。這座大廈在后來人的不斷努力下,終于在19世紀“完美落成”,只是大廈頂上有“兩朵烏云”遮住了一部分陽光而已。牛頓給物理學帶來的第一束光明,正是他對光的實驗和理解。

      古往今來,光就是一種既神秘而又莫測的東西?!吧系壅f:‘要有光,于是就有了光。”盡管我們天天都在用光(燭光、火光、太陽光等等),可是光究竟是什么,我們從未了解過。我們曾經(jīng)研究過光,比如阿基米德的凹面鏡海戰(zhàn)和伽利略的望遠鏡,但這都是對光簡單性質(zhì)的利用。我們也知道,小孔成像、日食和海市蜃樓都是光的傳播造成的:光的直線傳播和光的折射。通過這些現(xiàn)象可以了解光有什么特性,可是,光究竟是什么?或者說光是由什么組成的?這個問題一直都是人們好奇卻又難以解釋的。

      難以解釋的光現(xiàn)象還有很多,比如彩虹。一道斑斕繽紛的橋,橫跨天際,壯觀而又美麗。智慧的中國人民把它想象成了鵲橋——象征吉祥的喜鵲搭建出了這跨越天河的橋,讓相思的牛郎織女七夕相會。夢境里,彩虹就像一仙女,雍容華麗又不失婀娜雅致;現(xiàn)實中,雨后的彩虹給天空上了一點顏色。彩虹是色之影,更是光之翼。

      牛頓就是好“色”之徒、彩虹上的天使。他第一次在實驗室里獲得了彩虹。這便是著名的“牛頓分光實驗”。牛頓用一個三棱鏡,在黑暗的屋子里引入一道白光(太陽光),然后讓它通過三棱鏡,在白色的接收屏上,他得到了“彩虹”——由紅橙黃綠藍靛紫七種顏色組成的彩色光斑。實際上,他并不是用棱鏡分光的第一人,在他之前有位捷克的醫(yī)生也用棱鏡把光分成七色,并且他還發(fā)現(xiàn)若再加一個棱鏡在七種顏色中的某種顏色的光的后面,這種光的顏色透過第二個棱鏡后將不會改變。而牛頓則嘗試過把另一個三棱鏡放在前一棱鏡后面,然后他發(fā)現(xiàn)“彩虹”消失了。原來,白色的太陽光不是單純的一種光,而是由多種光組成的“混合光”。這便是牛頓的認識。同時他還解釋了為什么:因為組成不同顏色的光的“微粒”質(zhì)量不一樣,所以在通過棱鏡的時候分開了。盡管牛頓這個認識是錯誤的,并且他堅持這個錯誤到人生的終點,而且后人發(fā)揚了這個錯誤若干年,但令人們驚喜的是——色之奧秘終于解開了。要獲得不同顏色,只要取這七種顏色中代表性的三種:紅、綠、藍,就可以調(diào)出任何你所希望的顏色,這是畫家的秘密。同學們可能會問,那黑色是什么?實際上,黑色就是沒有顏色!(白色不是沒有,而是混雜顏色。)所謂黑色就是物體把光都吸收掉了,沒有光反射到人眼中,所以是黑的。這就是黑咕隆咚、黑燈瞎火、黑洞等概念的直覺來源,沒有光,就是兩眼一抹黑……

      牛頓的實驗是成功的,他的解釋也是成功的,至少在當時看來是的。遺憾的是,牛頓始終跳不出他那個時代的框框,他始終認為光是由“微?!苯M成的。也難怪,在他領(lǐng)銜的經(jīng)典力學里,到處都是理想化的質(zhì)點和小球,習慣了,誰也不想改。這個錯誤延續(xù)了很久,即便他后來還做了著名的牛頓環(huán)實驗——這是個典型的表現(xiàn)光波動性的實驗。后來在惠更斯等人的思考下,光的另一個特性——波動性被提出,并為托馬斯·楊的雙縫干涉實驗所證實,物理史上最長久的一次爭論之一便由此開始。直到天才的愛因斯坦,使光的粒子概念和光的波動理論完美地融合形成了光子說,由此引發(fā)了量子力學——描述微觀世界運動的新理論。物理學大廈上風云變幻最為激烈的年代在19世紀初開始了。

      最后,讓我們提及牛頓在光學上的另一個貢獻:他也發(fā)明了新型望遠鏡——牛頓望遠鏡。伽利略、開普勒等人的望遠鏡存在一個致命的問題,就是如果把望遠鏡對著遠處黯淡的星體的時候,將無法分辨,因為光線實在太少了。除非增大望遠鏡的直徑,然而,組成望遠鏡的凸透鏡和凹透鏡都是玻璃制品,要打磨如此精確的又如此大的玻璃塊是非常困難的。這就使得普通望遠鏡大大局限于某些亮一些的天體觀測。而聰明的牛頓則綜合阿基米德和伽利略的智慧,他將一個凹面鏡放在望遠鏡里面用來聚遠處的光,這些光可以反射到望遠鏡上的透鏡上,這樣即使在光線很微弱的情況下看到的圖像也非常清晰了。現(xiàn)代天文望遠鏡都還基于牛頓望遠鏡的原理,讓我們看到宇宙更深更古老處的秘密。(注:望遠鏡看到的光線其實來自過去!因為光傳播到地球需要一定的時間。)

      牛頓的好“色”揭開了光的面紗、顏色的奧秘。好奇心就是物理學家研究的最原初動力!好奇心推動著人類認識和認知的進步,也推動著人類社會的進步。所以,無論何時,都不要輕易丟棄你的好奇心,“好奇害死貓”的情形除外。

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