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[水煮物理]之:好“色”之徒
澳门新萄京官方网站:2010-09-19文章来源:

作者:罗会仟  新萄京科学院物理研究所

(你是好色之徒吗?)

   开始之前请让我们来个小测试,如上图。请问你看到的是一个老人的在喝水还是三个裸女在洗澡?如果回答是后者,那么你通过了“好色鉴定”,你就是个大色狼,hoho!如果是前者(又如果你没说谎的话),那么你或许可以做物理研究了。(这个老头好像是爱因斯坦!)

   以上内容权当玩笑。诸位请放心,《水煮物理》系列虽然属于大众科普,但还不至于走入俗套。所以,本篇要讲的,不是段誉、也不是韦小宝、更不是段誉他老爹段正淳。而依然是我们伟大的牛顿同学。

  “自然与自然定律隐藏在黑暗之中。上帝说:‘让牛顿来吧!’于是,一切化为光明。”——Alexander Pope

(牛顿——经典物理之奠基人)

   物理学在牛顿之前确实处于一种混乱和黑暗的时代,自从有了牛顿,一切仿佛见到了光明。牛顿在物理学上的贡献,奠定了经典物理大厦的基础。这座大厦在后来人的不断努力下,终于在十九世纪“完美落成”,只是大厦顶上有“两朵乌云”遮住了一部分阳光而已。这样一直到1905年,被另外一个叫做爱因斯坦的家伙带来了魔鬼,让物理学天空再次蒙上黑暗的乌云。此为后话。牛顿给物理学带来的第一束光明,正是他对光的实验和理解。

(光——神秘而又莫测)

  古往今来,光就是一种既神秘而又莫测的东西。“上帝说:‘要有光’,于是就有了光。”尽管我们天天都在用光(烛光、火光、太阳光等等),可是光究竟是什么,我们从未了解过。我们曾经研究过光,比如阿基米德的凹面镜海战和伽利略的望远镜,但这都是对光简单性质研究。我们也知道,小孔成像、日食和海市蜃楼都是光的传播造成的:光的直线传播和光的折射。这些现象可以了解光有什么特性,可是,光究竟是什么?或者说光是由什么组成的?这个问题一直都是人们好奇却又难以解释的。

    

(南极日食和中国的海市蜃楼)

  难以解释的光现象还有很多,比如彩虹。一道斑斓缤纷的桥,横跨天际,壮观而又美丽。智慧的中国人民把它想象成了鹊桥——象征吉祥的彩色喜鹊搭建出了这桥跨越了天河,让相思的牛郎织女七夕相会。梦境里,彩虹就像一仙女,雍容华丽又不失婀娜雅致,现实中,雨后的彩虹给天空上了一点颜色。彩虹是色之影,更是光之翼。


 

(梦幻彩虹与现实彩虹——色之影、光之翼)

  牛顿就是光的好“色”之徒、彩虹上的天使。他第一次在实验室里,获得了彩虹。这便是著名的“牛顿分光实验”。牛顿用一个三棱镜,在黑暗的屋子里引入一道白光(太阳光),然后让它通过三棱镜,在白色的接收屏上,他得到了“彩虹”——由红橙黄绿蓝靛紫七种颜色组成的彩色光斑。实际上,他并不是用棱镜分光的第一人,在他之前有位捷克的医生也用棱镜把光分成七色,并且他还发现若再加一个棱镜在七种某种颜色的光的后面,这种光的颜色透过第二个棱镜后将不会改变。而牛顿则尝试过把一类似棱镜放在前一棱镜后面,然后他发现“彩虹”消失了。原来,白色的太阳光不不是单纯的一种光,而是由多种光组成的“混合光”。这便是牛顿的认识。同时他还解释了为什么:因为组成不同颜色的光的“微粒”质量不一样,所以在通过棱镜时候分开了。尽管牛顿这个认识是错误的,并且他坚持这个错误到人生的终点,而且后人发扬了这个错误若干年,令人们惊喜的是——色之奥秘终于解开了。要获得不同颜色,只要取这七种颜色中代表性的三种:红、绿、蓝就可以调出任何你所希望的颜色,这是画家的秘密。读者可能会问,那黑色是什么?实际上,黑色就是没有颜色!(白色不是没有,而是混杂颜色)所谓黑色就是物体把光都吸收掉了,没有反射到人眼中,所以是黑的。这就是黑咕隆咚、黑灯瞎火、黑洞等概念的直觉来源,没有光,就是两眼一抹黑……


 

(棱镜分光与牛顿的实验)





(三原色)

   牛顿的实验是成功,他的解释也是成功,至少在当时看来是的。遗憾的是,牛顿始终跳不出他那个时代的框框,他始终认为光是由“微粒”组成的。也难怪,在他领衔的经典力学里,到处都是理想化的质点和小球,习惯了,谁也不想改。这个错误延续了很久,即便他后来还做了著名牛顿环实验——这是个典型的光波动性表现。后来在惠更斯等人的思考下,光的另一个特性——波动性被提出,并为托马斯.杨的双缝干涉实验所证实,物理史上最长久的一次争论之一便由此开始。直到天才的爱因斯坦,用光的粒子概念和光的波动理论完美地融合形成了光子说,由此引发了量子力学——描述微观世界运动的新理论。物理学大厦上风云变幻最为激烈的年代在十九世纪初开始了。关于这个问题,非常复杂,我们将会在后续的章节陆续提到并逐步解释。在这里,我只想告诉大家——别被课本上的那些绕口令绕晕了: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……你只要记住,那些话除了唬人就一无是处就行。因为这些话都是错误的!要知道正确答案,请关注《水煮物理

(牛顿环实验原理和结果)

   最后,让我们提及牛顿在光学上的另一个贡献:他也发明了新型望远镜——牛顿望远镜。伽利略、开普勒等人的望远镜存在一个致命的问题,就是如果把望远镜对着远处黯淡的星体的时候,将无法分辨,因为光线实在太少了。除非你增大望远镜的直径,然而,组成望眼镜的凸透镜和凹透镜都是玻璃,要打磨如此精确的又如此大的玻璃块是非常之困难的。这就使得普通望远镜大大局限于某些亮一些的天体观测。而聪明的牛顿则综合阿基米德和伽利略的智慧,他用一个凹面镜放在望远镜里面用来聚远处的光,然后再反射到望远镜上的透镜上,这样即使在光线很微弱的情况下看到的图像也非常清晰了。现代天文望远镜甚至都还基于牛顿望远镜的原理,让我们看到宇宙更深更古老处的秘密。(注:望远镜看到的光线其实来自过去!因为光传播到这里需要一定的时间。)





(牛顿的反射式望远镜)

   牛顿的“好色”揭开了光的面纱、颜色的奥秘,也正是源于自古以来人们对光的好奇心。好奇心,就是物理学家研究的最原初动力!好奇心推动着人类认识和认知的进步,也推动着人类社会的进步。所以,无论何时,都不要轻易丢弃你的好奇心,“好奇害死猫”的情形除外。


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