为什么牛顿做了牛顿环实验，还是反对波动说？

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作者 | 施郁

光的微粒说和波动说

1675年，牛顿提出，不同的颜色来自不同的粒子激发以太的不同振动模式。这时牛顿的观点结合了光的波动说和微粒说。但是，牛顿后来越来越倾向于微粒说，认为光是一束粒子流，这与直线传播明显一致。

▲图源网络。

前面提过，1665年，胡克提出光的波动说。1678年，惠更斯在一次会议上提交论文《Treaties on Light（论光）》，也提出光的波动说，认为以太由粒子组成，光就是这些粒子振动的传播，子波导致波的传播。他还推导出直线传播、反射和折射这些性质，并首次提出，光在媒质中的速度变慢。而且他还在波动理论框架中考察了罗默（Ole Rømer）发现的木卫一绕木星的周期变化现象（当木星向地球靠近时，周期变短；当木星离地球远去时，周期变长），也就是后来所谓的多普勒效应。他研究方解石时，发现了偏振（polarization,也翻译为极化，所以中文中两个同义词共存）现象，将双折射解释为两种折射波。

衍射和干涉是波的特征现象。衍射是光绕过障碍物或者透过孔隙时发生的偏离直线传播的现象，干涉是光从两个或多个孔隙透过后发生叠加。它们都会导致明暗图纹。

牛顿略加修改地重复了格里马尔迪的衍射实验，坚持用微粒说解释。1675年，为了考察胡克提出的薄膜干涉，他还做了一种薄膜干涉实验，即所谓的牛顿环，将一个凸透镜放在一块玻璃平板上，单色光照射透镜，从透镜反射和从平板上反射的两束光发生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，导致圆环状的干涉图纹，称为等厚干涉。牛顿知道波动说对干涉和衍射的解释，但是他对波动说对直线传播的解释不满意，因此坚持微粒说，压制了波动说。牛顿也知道偏振现象的，将它总结为“每条光线有两个不同侧面”，也就是横向不对称，但是没有从光的本性做任何解释。

正如下面将谈到的，量子理论告诉我们，光由光子组成，但是在宏观现象中，光子非常多，光现象显示出光是波，而不是由粒子组成。所以，在宏观尺度上，光确实是波，虽然以太并不存在。当尺度远大于光波波长时，从波动光学就得到几何光学。

牛顿的光学工作曾经有一部分发表在1672年的皇家学会杂志上，后来1704年出版了《Opticks（光学）》，全面介绍了他的光学工作。在这本书里，他也讨论了羽毛，特别是孔雀尾的羽毛，指出颜色随着眼睛位置而变，与薄片的行为一样，因此羽毛的颜色也是因为透明部分很薄。

到了19世纪初，英国的托马斯•杨(Thomas Young)和法国菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）复兴了光的波动说。1801年，杨提出干涉原理，也就是波可以叠加。初步的思想已经出现在胡克的《显微术》中。杨用干涉原理清楚解释了衍射现象。1815年开始，菲涅尔发表一系列论文，用直接来自光源的光，通过平面镜反射，实现了干涉。他提出的干涉原理基于惠更斯的子波原理：任一点的光波振动是同一时刻传到那一点的光的振动之和，因此初波的传播来自它激发出一系列次波并互相叠加。

▲ 杨的双缝干涉实验。图源：维基百科

这个时期，马吕斯（Étienne-Louis Malus）发现光的偏振是光的一个普遍性质，并得到所谓马吕斯定律，即偏振光透过偏振片后，光的强度与原来强度之比等于偏振方向和透光方向的夹角的余弦的平方。在此之前，惠更斯和牛顿都以为偏振只是与双折射相关的现象。布儒斯特发现当自然光的以所谓布儒斯特角入射到界面时，发射光是线偏振光。他还研究了压缩所致双折射，并发现了光弹性效应，杨和菲涅耳都在波动光学框架中，解释了偏振现象，即光媒介振动的方向就是偏振方向，与光传播的方向垂直。

1892年，动物学家Frank Evers Beddard的《Animal Coloration(动物颜色)》指出动物颜色要么来自色素，要么是结构色，来自结构导致的光的散射、衍射和反射，很多鸟的羽毛就是如此。顺便提一下，这个问题一直至今都在研究。例如，孔雀羽毛绚丽多彩的一个重要因素是，羽枝表皮下有个周期结构，使得某个波长的光不能在此结构中传播，只能被强烈反射，不同颜色对应不同周期，也与入射光角度有关，而周期大小和个数都可以调节[6]。很多动物表面有周期结构，形成天然的光晶体，在结构色机制中扮演重要角色[7]。

▲ 孔雀羽毛。图源网络。

虽然波动说获得了成功，但还有很多未解之谜，例如光波的媒介是什么？在这个问题得到解答之前，关于光波的认识还得到了电磁学的“神助攻”。牛顿的色散实验发现了太阳光的组成，那么来自其他光源的光的情况如何？研究混合光中各种单色光组成的领域叫做光谱学。这些领域的发展后来汇聚成20世纪初的物理学革命，打开了相对论和量子力学的大门。我们将在下篇继续这个旅程。

【参考文献】

[6]J.Zi et al., Coloration strategies in peacock feathers, Proc. Natl. Acad. Sci. 100 (22),12576–12578 (2003).

[7] P. Vukusic and J. R. Sambles, Photonic structures in biology, Nature 424, 852-680 (2004).

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