關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國科學(xué)院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之：好“色”之徒
羅會仟
2010年10月27日
作者：羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所
以上內(nèi)容權(quán)當(dāng)玩笑。諸位請放心，《水煮物理》系列雖然屬于大眾科普，但還不至于走入俗套。所以，本篇要講的，不是段譽(yù)、也不是韋小寶、更不是段譽(yù)他老爹段正淳。而依然是我們偉大的牛頓同學(xué)。
“自然與自然定律隱藏在黑暗之中。上帝說：‘讓牛頓來吧！’于是，一切化為光明?！薄狝lexander Pope
（你是好色之徒嗎？）
開始之前請讓我們來個小測試，如上圖。請問你看到的是一個老人的在喝水還是三個裸女在洗澡？如果回答是后者，那么你通過了“好色鑒定”，你就是個大色狼，hoho！如果是前者（又如果你沒說謊的話），那么你或許可以做物理研究了。（這個老頭好像是愛因斯坦?。?/span>以上內(nèi)容權(quán)當(dāng)玩笑。諸位請放心，《水煮物理》系列雖然屬于大眾科普，但還不至于走入俗套。所以，本篇要講的，不是段譽(yù)、也不是韋小寶、更不是段譽(yù)他老爹段正淳。而依然是我們偉大的牛頓同學(xué)。
“自然與自然定律隱藏在黑暗之中。上帝說：‘讓牛頓來吧！’于是，一切化為光明?！薄狝lexander Pope
（牛頓——經(jīng)典物理之奠基人）
物理學(xué)在牛頓之前確實(shí)處于一種混亂和黑暗的時代，自從有了牛頓，一切仿佛見到了光明。牛頓在物理學(xué)上的貢獻(xiàn)，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，終于在十九世紀(jì)“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。這樣一直到1905年，被另外一個叫做愛因斯坦的家伙帶來了魔鬼，讓物理學(xué)天空再次蒙上黑暗的烏云。此為后話。牛頓給物理學(xué)帶來的第一束光明，正是他對光的實(shí)驗(yàn)和理解。
（光——神秘而又莫測）
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(yuǎn)鏡，但這都是對光簡單性質(zhì)研究。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。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。
（南極日食和中國的海市蜃樓）
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——象征吉祥的彩色喜鵲搭建出了這橋跨越了天河，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(shí)中，雨后的彩虹給天空上了一點(diǎn)顏色。彩虹是色之影，更是光之翼。
（夢幻彩虹與現(xiàn)實(shí)彩虹——色之影、光之翼）
牛頓就是光的好“色”之徒、彩虹上的天使。他第一次在實(shí)驗(yàn)室里，獲得了彩虹。這便是著名的“牛頓分光實(shí)驗(yàn)”。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(lán)靛紫七種顏色組成的彩色光斑。實(shí)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。而牛頓則嘗試過把一類似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(rèn)識。同時他還解釋了為什么：因?yàn)榻M成不同顏色的光的“微?！辟|(zhì)量不一樣，所以在通過棱鏡時候分開了。盡管牛頓這個認(rèn)識是錯誤的，并且他堅持這個錯誤到人生的終點(diǎn)，而且后人發(fā)揚(yáng)了這個錯誤若干年，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(lán)就可以調(diào)出任何你所希望的顏色，這是畫家的秘密。讀者可能會問，那黑色是什么？實(shí)際上，黑色就是沒有顏色?。ò咨皇菦]有，而是混雜顏色）所謂黑色就是物體把光都吸收掉了，沒有反射到人眼中，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……
（棱鏡分光與牛頓的實(shí)驗(yàn)）
（三原色）
牛頓的實(shí)驗(yàn)是成功，他的解釋也是成功，至少在當(dāng)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(rèn)為光是由“微?！苯M成的。也難怪，在他領(lǐng)銜的經(jīng)典力學(xué)里，到處都是理想化的質(zhì)點(diǎn)和小球，習(xí)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牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)——這是個典型的光波動性表現(xiàn)。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(shí)驗(yàn)所證實(shí)，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，用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(xué)——描述微觀世界運(yùn)動的新理論。物理學(xué)大廈上風(fēng)云變幻最為激烈的年代在十九世紀(jì)初開始了。關(guān)于這個問題，非常復(fù)雜，我們將會在后續(xù)的章節(jié)陸續(xù)提到并逐步解釋。在這里，我只想告訴大家——別被課本上的那些繞口令繞暈了：光既是粒子也是波、既不是粒子也不是波、可能是粒子也可能是波……你只要記住，那些話除了唬人就一無是處就行。因?yàn)檫@些話都是錯誤的！要知道正確答案，請關(guān)注《水煮物理》
（牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)果）
最后，讓我們提及牛頓在光學(xué)上的另一個貢獻(xiàn)：他也發(fā)明了新型望遠(yuǎn)鏡——牛頓望遠(yuǎn)鏡。伽利略、開普勒等人的望遠(yuǎn)鏡存在一個致命的問題，就是如果把望遠(yuǎn)鏡對著遠(yuǎn)處黯淡的星體的時候，將無法分辨，因?yàn)楣饩€實(shí)在太少了。除非你增大望遠(yuǎn)鏡的直徑，然而，組成望眼鏡的凸透鏡和凹透鏡都是玻璃，要打磨如此精確的又如此大的玻璃塊是非常之困難的。這就使得普通望遠(yuǎn)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，他用一個凹面鏡放在望遠(yuǎn)鏡里面用來聚遠(yuǎn)處的光，然后再反射到望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡甚至都還基于牛頓望遠(yuǎn)鏡的原理，讓我們看到宇宙更深更古老處的秘密。（注：望遠(yuǎn)鏡看到的光線其實(shí)來自過去！因?yàn)楣鈧鞑サ竭@里需要一定的時間。）
（牛頓的反射式望遠(yuǎn)鏡）