牛頓的光學實驗

<背景>：       
        十七世紀正當望遠鏡和顯微鏡問世，伽利略用望遠鏡觀察實際天體，胡克用顯微鏡觀察微小物體。然而，當放大倍數增大時，這些儀器都會出現像差和色差。人們不了解，為什麼在圖像的邊緣總會出現顏色？這和彩虹有沒有共同之處？這類現象有什麼規律性？怎麼消除這一現象？

<西奧多里克(Theodoric)的實驗>
        西奧多里克曾在實驗中模仿天上的彩虹，他利用陽光照射裝滿水的大玻璃球殼，觀察到和空中一樣的彩虹，以此說明彩虹是由於空氣中水珠反射和折射陽光造成的現象。他認為各種顏色的產生，是由於光受到不同阻滯所引起。光有四種顏色：紅、黃、綠、藍。從表面區域折射回來的是紅色或黃色，從深部折射回來的是綠色或藍色。雨後天空充滿水珠，陽光進入水珠再折射回來，形成彩虹。

<笛卡兒的實驗>
        笛卡兒在他的＜方法論＞(1637年)中有篇附錄，專門討論彩虹，並且介紹自己做過的稜鏡實驗。他用三稜鏡將陽光投射在屏上，發現彩色的產生並不是由於進入介質深淺的不同所造成的。因為不論光照射在稜鏡的那一部位，折射後屏上的圖像都是一樣的。遺憾的是，由於笛卡兒的屏距離稜鏡只有幾釐米，他沒有觀察色散後的整個光譜，只注意到光帶的兩側分布呈藍色和紅色。

<馬爾西的實驗>
        1648年，布拉格的馬爾西用三稜鏡演示色散成功，不過，他的解釋仍有錯誤。他認為紅色是濃縮的光，藍色是稀釋了的光，之所以出現五顏六色，是由於光受到不同物質的作用。

<胡克和波義耳的分光實驗>
        胡克用了一個充滿水的燒瓶代替稜鏡，接收屏離開折射位置大約60公分。胡克曾描述肥皂泡的顏色變化，認為不同的顏色是光脈衝對視網膜留下的不同印象，紅色和藍色是原色，其他顏色都是由這兩種顏色合成和沖淡而成。
        波義耳則把稜鏡散射的光投射到1米高的天花板上。他認為光是由許多小粒子向人的視網膜上撞，撞的速度不同，看到的顏色也就不同。

<牛頓的實驗動機>
        牛頓有一位數學教授名叫巴羅(I.Barrow，1630-1677)，對光學很有研究。牛頓聽過他講光學，還幫他編過<光學講義>，牛頓本身很喜歡做光學實驗。牛頓曾親自動手磨製透鏡，想做出沒有色差的顯微鏡和望遠鏡。此願望激勵他對光和顏色的本性進行深入的探討。
        牛頓從笛卡兒等人的著作中得到啟示，注意到這些說法的合理成份，同時也提出許多疑問。由於不滿意前人(包括他的老師)對光現象的解釋，就自己動手做起一系列光學實驗。

<牛頓的色散實驗(一)>
        牛頓注意到不同顏色的光具有不同的折射能力，只有拉長距離才能解開不同折射角的光線。他將屏和折射位置的距離擴展至6-7米，讓陽光從室外經洞口進入室內，經三稜鏡後直接投射到對面的牆上。如此，他就得到完全展開的光譜，有別於前面實驗者(笛卡兒、胡克和波義耳)只看到兩側帶顏色的光斑。

<牛頓的色散實驗(二)>
        為了證明紅色和藍色的光確有不同的折射能力，牛頓在一張黑色紙上畫一條線opq，一半op為深藍色，一半pq為深紅色，經稜鏡觀看，只見這根線好像折斷似的，深藍色部分比深紅色部分更靠近稜鏡，可見藍色光比紅色光受到更大的折射。

<牛頓的色散實驗(三)>
        為了證明色散現象不是由於稜鏡和陽光的相互作用，而是由於顏色具有不同的折射性能，牛頓在實驗中加入凸透鏡和兩個稜鏡，三個稜鏡完全相似。牛頓想，如果顏色的分散是由於稜鏡的不平或其他偶然的不規則性，則第二個稜鏡和第三個稜鏡會增此一分散性。
        實驗結果發現，由第一個稜鏡分散的顏色，經凸透鏡和第二個稜鏡後又還原成白光，形狀和原來一樣。再經過第三個稜鏡，又分解成各種顏色。由此證明，稜鏡的作用是使白光分解為不同成分，又可使不同成分的光合成為白光。

<牛頓的色散實驗(四)>
        牛頓的科學結論（光的粒子說）和當時流傳的觀念（光的波動說）格格不入，為了證明白光確實是由折射性能不同的光組成，他做了一個"判決性實驗"。他利用兩個稜鏡和兩個開了孔的木板，當太陽產生的平行光射入時，手持第一個稜鏡，緩緩旋轉其軸，使各種顏色的光分別穿過第一個小孔，射入第二個小孔，經由第二個小孔後面的第二個稜鏡，使兩板間的光再折射一次到達牆壁。
        實驗結果發現，被第一個稜鏡折射最厲害的紫光，經第二個稜鏡後偏折的也最多。

<色散實驗的重要意義>

1. 證明了白光是由各種顏色的光按一定比例混合組成的，不同顏色的光具有不同的折射能力，正確解釋了彩虹形成和透鏡色差。
2. 對光的粒子說提供有力的證據。
3. 使顏色理論有了基礎，奠定了光譜學的發展。
4. 牛頓強調"不做虛假的假設（hypotheses non fingo）",用歸納法從實驗和觀察中得到普遍結論，為後人樹立了光輝的榜樣。