牛頓和惠更斯的對(duì)話

胡紫霞

同學(xué)們，你們都聽說過牛頓吧？他的全名叫艾薩克·牛頓，爵士，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，世界級(jí)著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、自然哲學(xué)家、神學(xué)家……縱觀古今中外，能集如此眾多的“家”于一身的，古往今來可能只有牛頓一人。可以說，牛頓是百科全書式的“全才”。那么，牛頓在自然科學(xué)方面到底有哪些貢獻(xiàn)呢？那真可以用“多如牛毛”來比喻，但我們今天不說他提出的著名的牛頓運(yùn)動(dòng)三定律，不說他發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律，也不說他創(chuàng)立的微積分等，我們就重點(diǎn)來聊聊牛頓關(guān)于光學(xué)的一些主要觀點(diǎn)吧。接下來，讓我們一起穿越回牛頓的那個(gè)時(shí)代，看看他怎么說——

牛頓：

看到大家用這么多華麗的辭藻來形容我，還真是有些不好意思。本人在光學(xué)方面的確是有些研究。根據(jù)光的直線傳播規(guī)律、光的色散現(xiàn)象，我認(rèn)為，光是由一顆顆像小彈丸一樣的機(jī)械微粒所組成的粒子流。發(fā)光物體接連不斷地向周圍空間發(fā)射高速直線飛行的光粒子流，一旦這些光粒子進(jìn)入人的眼睛，沖擊視網(wǎng)膜，就引起了視覺神經(jīng)的反應(yīng)。簡(jiǎn)單點(diǎn)兒說，光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻媒質(zhì)中以一定的速度傳播。這就是“光的微粒說”。

牛頓：

我們都知道，如果用彈性小球撞擊平面，小球會(huì)發(fā)生反彈現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象能很好地解釋光的反射現(xiàn)象。而當(dāng)光從空氣進(jìn)入透明介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)對(duì)光微粒的吸引，使它們的速度發(fā)生變化，即造成了光的折射現(xiàn)象。

按照牛頓的這種解釋，應(yīng)該假設(shè)介質(zhì)中的光速大于真空中的光速。當(dāng)時(shí)，人們不能用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出光速，并且由于“微粒說”通俗易懂，又能解釋常見的一些光學(xué)現(xiàn)象，所以很快獲得了人們的承認(rèn)和支持。但是“微粒說”并不是“萬能”的，比如，為什么幾束在空間交叉的光線能彼此互不干擾地獨(dú)立前進(jìn)？為什么光線并不是永遠(yuǎn)走直線，而是可以繞過障礙物的邊緣拐彎傳播？對(duì)這些現(xiàn)象，“微粒說”在解釋時(shí)就遇到很大的困難。

為了解釋這些現(xiàn)象，和牛頓同時(shí)代還有一位物理學(xué)家叫惠更斯，荷蘭人，他提出了與“微粒說”相對(duì)立的“波動(dòng)說”。我們一起來聽聽他的觀點(diǎn)。

惠更斯：

大家好！能和偉大的牛頓先生對(duì)話，對(duì)我來說是一種榮幸。我個(gè)人認(rèn)為，光與聲具有某些相似性，光是一種機(jī)械波，由發(fā)光物體的振動(dòng)引起，依靠一種特殊的叫做“以太”的彈性媒質(zhì)來傳播。你可能要問我“以太”是什么？三兩句話說不清楚，你只要記住：它是一種假想的彈性介質(zhì)，充滿整個(gè)宇宙空間。

牛頓：

你確定你的觀點(diǎn)是正確的？

惠更斯：

是的，牛頓先生。按照我的學(xué)說，可以很好地解釋幾束光線在空間相遇不發(fā)生干擾而獨(dú)立傳播，并且我還成功地推導(dǎo)出了光的反射和折射定律。

在解釋折射現(xiàn)象時(shí)，惠更斯假設(shè)光在水中的速度小于在空氣中的速度，這與牛頓的解釋正好相反。盡管“波動(dòng)說”可以解釋不少光學(xué)現(xiàn)象，但由于它很不完善，解釋不了人們最熟悉的光的直進(jìn)和顏色的起源等問題，所以沒有得到廣泛的支持。再加上當(dāng)時(shí)受實(shí)驗(yàn)條件的限制，還無法測(cè)出水中的光速，便無法判斷牛頓和惠更斯關(guān)于折射現(xiàn)象的假設(shè)誰對(duì)誰錯(cuò)。尤其是牛頓在學(xué)術(shù)界久負(fù)盛名，他的擁護(hù)者對(duì)“波動(dòng)說”橫加指責(zé)，全盤否定，終于把“波動(dòng)說”壓了下去。而“微粒說”盛極一時(shí)，居然在光學(xué)界稱雄了整個(gè)18世紀(jì)。誰是誰非，拉開了近代科學(xué)史上關(guān)于光究竟是粒子還是波動(dòng)的激烈爭(zhēng)論的序幕。