牛顿的三棱镜与三问眼

Newton\'s Prism Experiment& three questions about the human eye

-----讨论饶毅谈“色”一文（1）

都世民（Du Shimin）

摘要：本文讨论科学家牛顿的光色散实验与牛顿对眼睛提出的三个问题有什么关联？牛顿的研究思维为什么符合我们祖先的“天人合一”的思维模式？牛顿为什么不能解释人眼的色感机理？兼评饶毅谈“色”一文的相关问题。

关键词：光，三棱镜实验，人眼，牛顿，天人合一，饶毅

问题的提出

2018年4月19日 ，百度百科发布新词条“光的色散”_，词条标签是科学和学科。[1 ]具有一定的权威性。笔者对这一词条提点问题，本是想讨论北大教授饶毅谈“色”一文[2]，查询相关资料时发现此新词条，于是一起讨论一下。

词条指出：光的色散（dispersion of light）是指复色光分解为单色光的现象；复色光通过棱镜分解成单色光的现象；光纤中由光源光谱成分中不同波长的不同群速度所引起的光脉冲展宽的现象。

1666年，牛顿最先用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带（光谱）。这里”最先”二字应该考证，是否确切，有迹象表明不是他最先，而是他有话语权，最先发表文章。

饶毅谈“色”一文指出：”中文一个“色”字，有多种意思。英文的“color”，有多学科的解读。”

关于汉字”色”的讨论，笔者在前面博文中已作了专题讨论，它与英文的关系，在”金山词霸”网頁也作过搜索，仍然受专业限制，很难有满意的互译。

饶毅谈“色”一文还指出：

“从物理学角度，大家熟知牛顿（1642～1727）于1672年用三棱镜实验研究颜色的光学特征。从生物学角度，色觉是神经系统对外界的反应，牛顿曾于1704年提出人如何感知颜色的想法：光振荡以不同比例作用于视神经，传入大脑而导致人对颜色的感觉不同。可以说，牛顿在感觉神经生物学方面有先驱的想法。”

饶教授这一段文字以牛顿为主题，阐述他的贡献，一是光学；二是生物学。本文先讨论牛顿的光学贡献中的三棱镜实验。而生物学贡献在另文讨论。

牛顿（1642～1727）

一问：牛顿的三棱镜实验中光是什么？

光的色散当然还要有光波。光波都有一定的频率，光的颜色是由光波的频率决定的。三百五十年前，牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，并会因加速通过光密介质而折射。1704年，牛顿著作《光学》，系统阐述他在光学方面的研究成果，其中他详述了光的粒子理论。他认为光是由非常微小的微粒组成的，而普通物质是由较粗微粒组成，并推测如果通过某种炼金术的转化“难道物质和光不能互相转变吗？”

词条作者为什么不将光看成粒子来解释光的色散和光的颜色？是我们不能理解三棱镜实验的机理？或是不理解牛顿的初衷呢？还是这一实验不能用粒子说来解释呢？[3 ]

牛顿的三棱镜实验

我们讲科学道理不应脱离时代背景，牛顿本人当时不认为光是波，他与惠更斯争论，是波还是粒子？如今词条”强加”波的概念于牛顿，这就有问题了！尽管百度网诸多词条对牛顿三棱镜实验，几乎都认为是色散实验，笔者不同意这一解读。因为当时不认为光是电磁波，没有无线电频谱，也无光谱说法，那来的色散概念啊？！

二问：牛顿之前为什么没有人发现分光现象？[4-6]

中国《科学报》曾刊文“牛顿的三棱镜实验”，作者：记者 韩天琪。[3]文中指出：到古希腊为止，已经出现了形形色色的用于解释视觉、光和颜色现象的初步系统化的理论。

笔者认为这一说法根据不充分。这“初步系统化理论”如何体现？如果不是记者本人看法，提供这一看法的人应有充分证据才是。

牛顿之前，为什么没有人发现光的色谱现象呢？

请看西方名家对光的属性的研究：

•亚里士多德认为，颜色不是物体客观的性质，而是人们主观的感觉，一切颜色的形成都是光明与黑暗、白与黑按比例混合的结果。

•开普勒曾研究光的折射，试图找到其中的规律，他曾发表光学著作；

•笛卡儿就一直关注着透镜理论；并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率以及磨制透镜的研究。1637年，在创立了坐标系后，成功地创立了解析几何学。他用几何光学的概念分析计算了光在两种媒质分界面上的反射、折射和全反射，从而首次在假定平行于界面的速度分量不变的条件下导出折射定律；不过他的假定条件是错误的，他的推证得出了光由光疏媒质进入光密媒质时速度增大的错误结论。笛卡尔使用玻璃球制造人工彩虹，从而对彩虹的机理给出了解释；另外，他曾使用三棱镜验证其对日光的投影是椭圆。笛卡尔与洛克等人明确拒斥亚里士多德关于真假颜色两分的论断，将颜色问题真正纳入到了光学的范畴。笛卡儿坚信光是“即时”传播的。

•波义耳亲自做过大量的实验，并著有《关于颜色的实验和思考》（1664）。波义耳认为物体的颜色并不是属于物体的本身所具有的性质，而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的。能完全反射光线的物体呈白色，完全吸收光线的物体呈黑色；

•加桑迪及波义耳的微粒说物质观也对牛顿产生了深远的影响。

•虎克在其《显微学》一书中探讨了薄膜的颜色，推翻了笛卡尔有关同类型的两次折射不能产生颜色的论断，并采用新的修正理论对这一现象进行了解释；

•虎克也曾使用三棱镜（装满水的玻璃球）做过色散实验，但是他的棱镜与投影的距离太近，因而只观察到微弱的红色和蓝色在光斑两端的出现，从而错过了全色谱的发现。

•1652～1653年，惠更斯曾用玻璃棒做过彩虹颜色的实验，他成功观察到了色光的变化，并且测量了红光的折射角。惠更斯在1678年给巴黎科学院的信和1690年发表的《光论》一书中，都阐述了光波动原理．惠更斯认为任何一种波，从波源发射的子波中，其波面上的任何一点都可以作为子波的波源，各个子波波源波面的包络面就是下一个新的波面。 他认为每个发光体的微粒把脉冲传给邻近一种弥漫媒质（“以太”）微粒，每个受激微粒都变成一个球形子波的中心．他从弹性碰撞理论出发，认为这样一群微粒本身并不前进，但能同时向四面八方传播，相交光束彼此互不影响。

应当指出的是：牛顿之前不是没有人用棱镜作过实验，外国有人做过，中国也有古人做过。对这分光的解读存在分岐。另外这分光试验与棱镜离光源的距离有关，天上彩虹和水滴均有分光现象，但认为是光波，是电磁波，是波的色散，是一百年前的事，不是三百年前人类认知，这一理论的创立人是麦克斯韦不是牛顿！不能张冠李戴。更不能认为：三棱镜实验是光的色散证明了光具有波动性。

三问：光的传播速度会超光速吗？

词条“光的色散”指出：复色光分解为单色光的现象叫光的色散。牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带（光谱）。色散现象说明光在介质中的速度v（或光的色散折射率n=c/v）随光的频率f而变。[1]

V=C/n

式中c是光在真空中传播的速度，约等于3.0×10^ 8  m/s。

空气的折射率n为1。如果n小于1，光的传播速度会大于c。这就是人们争论的能不能超过光速？有没有n小于1的物质？笔者曾在材料期刊综述文章中见到自然界有n小于1的物质。这类物质能否传播光就不清楚了。如果用n小于1的物质制成光纤，就会使光的传播速度超过光速。

人工电磁材料早已问世，国内外很多单位都在研究。它的折射率为負值。[7,8]中科院电子所研究生论文曾重复D R Smith的实验，测得的折射率n是負值。笔者关心的是折射率n从正值向负值转换时，必须通过零，在数学上是奇点，在物理学上，有人用幻想光学变换处理这奇点，有人将这变换用孫悟空七十二变来说明，似乎这一变换无约束，想怎么变就怎么变。可是实验却不能给出实测n小于1的值，直至零。这种研究是跟踪，如果导师想到为什么没有n小于1的值?若找到n小于1的物质就会出现超光速传输。

四问：牛顿色感关键在棱镜还是人眼？

英国科学家胡克（Robert Hooke，1635～1703，弹性定律的提出者）于1665年提出：光照到视网膜的角度不同导致不同的颜色。光的入射角导致！牛顿研究光的颜色时，也想到人眼，对人眼提出三个问题，但不是肯定人眼色感的结论性看法。从光到物质与人眼的色觉又是光进入眼球，是怎样形成色觉？

眼睛的色觉细胞接收到不同频率的可见光时，感觉到的颜色不同，颜色是不同频率的光对色觉细胞的刺激而产生的。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

不难看出色觉问题是多学科问题，也是天人合一问题。我们祖先的思路不比西方古人落后，如果一个色盲人是看不出五颜六色的。研究大宇宙问题不要忽略甚至排斥小宇宙问题。

郭光灿院士的一篇文章：光究竟是什么？启发我学习了不少光学知识，引发我诸多思考。

参考文献

[1 ]“光的色散”_百度百科.2018年4月19日 。

https://baike.baidu.com/item/%E5%85%89%E7%9A%84%E8%89%B2%E6%95%A3/2161205

[2]饶毅谈色，来源：逸心茶舍 ，2015-04-02

http://www.360doc.com/content/15/0402/17/506102_460116759.shtml

[3]艾萨克·牛顿，来源：百度百科。

https://baike.baidu.com/item/%E8%89%BE%E8%90%A8%E5%85%8B%C2%B7%E7%89%9B%E9%A1%BF/1119240?fromtitle=%E7%89%9B%E9%A1%BF&fromid=5463&fr=aladdin

[4]“牛顿的三棱镜实验”，作者：记者 韩天琪，来源：中国科学报。2015年01月16日。

 http://www.qstheory.cn/science/2015-01/16/c_1114020170.htm

[5]“牛顿色散实验”，来源：百度百科词条。https://baike.baidu.com/item/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E8%89%B2%E6%95%A3%E5%AE%9E%E9%AA%8C/2991009

[6]姚立澄，牛顿与三棱镜实验，来源：©今晚报， 2017年06月07日。http://epaper.jwb.com.cn/jwb/html/2017-06/07/content_12_9.htm

[7]Smith D.R,et el.,  Phys. Rev.Lett., 2000.84: 4184-4187.

[8] Shelby R.A, Smith D R, Schultz s,  Science, 2001,292:77-79.