好“色”之徒牛頓

羅會仟

物理學在牛頓之前確實處于一種混亂和黑暗的狀態，自從有了牛頓，一切仿佛見到了光明。牛頓在物理學上的貢獻，奠定了經典物理大廈的基礎。這座大廈在后來人的不斷努力下，終于在19世紀“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。牛頓給物理學帶來的第一束光明，正是他對光的實驗和理解。

古往今來，光就是一種既神秘而又莫測的東西。“上帝說：‘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。我們曾經研究過光，比如阿基米德的凹面鏡海戰和伽利略的望遠鏡，但這都是對光簡單性質的利用。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。通過這些現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。

難以解釋的光現象還有很多，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——象征吉祥的喜鵲搭建出了這跨越天河的橋，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；現實中，雨后的彩虹給天空上了一點顏色。彩虹是色之影，更是光之翼。

牛頓就是好“色”之徒、彩虹上的天使。他第一次在實驗室里獲得了彩虹。這便是著名的“牛頓分光實驗”。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”——由紅橙黃綠藍靛紫七種顏色組成的彩色光斑。實際上，他并不是用棱鏡分光的第一人，在他之前有位捷克的醫生也用棱鏡把光分成七色，并且他還發現若再加一個棱鏡在七種顏色中的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。而牛頓則嘗試過把另一個三棱鏡放在前一棱鏡后面，然后他發現“彩虹”消失了。原來，白色的太陽光不是單純的一種光，而是由多種光組成的“混合光”。這便是牛頓的認識。同時他還解釋了為什么：因為組成不同顏色的光的“微粒”質量不一樣，所以在通過棱鏡的時候分開了。盡管牛頓這個認識是錯誤的，并且他堅持這個錯誤到人生的終點，而且后人發揚了這個錯誤若干年，但令人們驚喜的是——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，就可以調出任何你所希望的顏色，這是畫家的秘密。同學們可能會問，那黑色是什么？實際上，黑色就是沒有顏色！（白色不是沒有，而是混雜顏色。）所謂黑色就是物體把光都吸收掉了，沒有光反射到人眼中，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……

牛頓的實驗是成功的，他的解釋也是成功的，至少在當時看來是的。遺憾的是，牛頓始終跳不出他那個時代的框框，他始終認為光是由“微粒”組成的。也難怪，在他領銜的經典力學里，到處都是理想化的質點和小球，習慣了，誰也不想改。這個錯誤延續了很久，即便他后來還做了著名的牛頓環實驗——這是個典型的表現光波動性的實驗。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·楊的雙縫干涉實驗所證實，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，使光的粒子概念和光的波動理論完美地融合形成了光子說，由此引發了量子力學——描述微觀世界運動的新理論。物理學大廈上風云變幻最為激烈的年代在19世紀初開始了。

最后，讓我們提及牛頓在光學上的另一個貢獻：他也發明了新型望遠鏡——牛頓望遠鏡。伽利略、開普勒等人的望遠鏡存在一個致命的問題，就是如果把望遠鏡對著遠處黯淡的星體的時候，將無法分辨，因為光線實在太少了。除非增大望遠鏡的直徑，然而，組成望遠鏡的凸透鏡和凹透鏡都是玻璃制品，要打磨如此精確的又如此大的玻璃塊是非常困難的。這就使得普通望遠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，他將一個凹面鏡放在望遠鏡里面用來聚遠處的光，這些光可以反射到望遠鏡上的透鏡上，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。現代天文望遠鏡都還基于牛頓望遠鏡的原理，讓我們看到宇宙更深更古老處的秘密。（注：望遠鏡看到的光線其實來自過去！因為光傳播到地球需要一定的時間。）

牛頓的好“色”揭開了光的面紗、顏色的奧秘。好奇心就是物理學家研究的最原初動力！好奇心推動著人類認識和認知的進步，也推動著人類社會的進步。所以，無論何時，都不要輕易丟棄你的好奇心，“好奇害死貓”的情形除外。