世界近代中期科技史-第5章
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式的望远镜的发明，牛顿在1672年1月11日被选为皇家学会会员。
在物理光学中，牛顿着重研究了光的颜色问题和光的本性问题。通过色
散实验和“牛顿环”实验，他认为，各种单色光之所以有不同的颜色，白光
经过三棱镜折射后之所以分解为有序的光谱，是因为不同的单色光具有不同
的折射率。在各种单色光中，紫色光的折射率最大，而红光的折射率最小，
因此它们分居光谱的两端。在经过近六年的理论探索之后，牛顿把他的这一
关于光的颜色理论在1672年2月6日写成论文：《关于光和色的新理论》，
2月8日，他在皇家学会的周会上宣读了这篇论文，以作为对皇家学会把他
吸收为会员的答谢。同月19日，这篇论文发表于由皇家学会秘书欧登堡（1615
—1677年）主办的《皇家学会会报》。
牛顿的光色决定于折射率的理论，能比较成功地解释光的色散现象，并
进而建立起了最初的光谱理论。可是，对于“牛顿环”中的明暗相间的彩色
或单色的同心光圈，牛顿却无法用他的光色理论作出成功的解释。牛顿在其
光学实验中发现了“牛顿环”，但却未能从理论上解开“牛顿环”。
通过光的色散实验和“牛顿环”实验，牛顿对光的本性问题也进行了探
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讨。胡克曾较为明确地提出：光是以太的一种纵向波。但牛顿认为光是一种
粒子流。后来，牛顿从他的质点力学理论出发，进一步发展了他的光的微粒
理论，提出光是一种由极小的微粒形成的粒子流。本来，笛卡尔早在 1637
年也曾提出过光是一种以太粒子流的假说，可是笛卡尔没有把微粒说系统地
用于光的直射、反射、折射的理论解释。而牛顿则运用微粒说，对这些光现
象进行了较为成功的理论解释。这样，牛顿也就成了关于光的本性的微粒说
的代表人物。
光的微粒说虽然能解释直射、反射、折射这些主要的光现象，可是它在
理论上也遇到了困难。如“牛顿环”中的明暗相间的彩色或单色同心光圈、
格里马第实验中的光的干涉现象，运用微粒说均无法解释。由于微粒说并不
能完全解释当时已知的光现象，这就导致了1678年前后惠更斯的波动说与牛
顿的微粒说的论争。
（4）惠更斯及其波动说
惠更斯是荷兰著名天文学家、物理学家和数学家，他也是通过天文学而
接触光学的。当巴黎科学院在1666年创立时，即以重要职位和待遇聘任惠更
斯为巴黎科学院院士。
在光学中，惠更斯早年在研制望远镜等光学仪器时，已比较系统地研究
过几何光学。来巴黎后，他的光学研究逐渐从几何光学转到物理光学方面。
后来，他去英国旅行，在剑桥大学会见了牛顿，他们互相介绍了自己对于光
的本性的初步看法，那时，虽然惠更斯尚未建立起系统的光波系统学说，但
已倾向于格里马第和胡克等人的观点，认为光是一种波。这样，在光的本性
问题上，惠更斯与牛顿明显地发生了分歧。返回巴黎后，惠更斯重复了牛顿
的一些光学实验，通过这些光学实验，特别是“牛顿环”实验与格里马第实
验，惠更斯进一步认定，这些实验事实用微粒说无法解释。他还以生活中的
光现象为例进行了分析，他说，如果光线是微粒组成的，那未光线在彼此交
叉时，它们就会互相碰撞，互相碰撞就会改变方向，但生活中并未见到这样
的光线现象。在研究“牛顿环”实验与格里马第实验基础上，惠更斯提出了
它的一种比较系统的的光波学说。
惠更斯认为，光是一种机械波，这种机械波是由光波的振动而发出的。
可是，这随即产生了另一个问题，即如果光是一种机械波，那么它必然有相
应的载体。水波的载体是水，声波的载体是空气，光波的载体是什么呢？为
此，惠更斯提出了他的光波学说的第二个要点，即光波是一种靠物体载体来
传播的纵向波，传播它的物体载体是“以太”。
在提出上述两个要点之后，惠更斯还就光波本身的传播规律进行了研
究。他认为，波面上的各点，本身就是引起媒质振动的波源。他把由波源振
动发出的波称为子波；而把发出于波的波称为原波。子波由原波发出后，形
成新的波面，新的波面形成后即成为原波，原波又发出子波，如此持续传播
下去。这就是他用以解释光的传播规律的著名的惠更斯原理。
根据上述原理，惠更斯较好地解释了波在媒质中的传播规律。运用这一
原理，可以推导出光的反射定律和折射定律，可以解释光在晶体媒质中的双
折射现象，可以解释光的衍射现象，也可以解释实为光的干涉的“牛顿环”
现象。
这样，一个由上述三个理论要点为基本内容的光波学说，就由惠更斯基
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本上建立起来了。光的波动说虽然不是惠更斯最先提出来的，但却是由他最
先给予理论总结的。所以，从此惠更斯就成了光的波动说的代表人物。
1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著《光论》。同年，他
还以光的波动论为基本内容，在巴黎科学院年会上作了反驳牛顿的光的微粒
说的著名讲演，这样，波动说与微粒说的第二次论争，便在惠更斯与牛顿之
间爆发了。
（5）牛顿及其微粒说
惠更斯于 1678年在巴黎科学院所作的反驳微粒说的讲演内容不久以后
即传到英国，《光论》一书在1690年出版后也传到了英国。针对惠更斯的观
点，牛顿以他的光的色散实验为基础，进一步发展了他的微粒说。与此同时，
牛顿开始修改和充实他在1675年前后动手写作的主要光学著作《光学》。
在《光学》中，牛顿反驳了惠更斯的波动说，对他的微粒说进行了系统
的理论解释。在反驳惠更斯对冰洲石（亦称方解石，但它实际上是方解石CaCO
3
的无色透明的亚种）的双折射现象所作的波动说的解释时，牛顿说：“就我
所知，到目前为止还只有惠更斯一人，试图用挤压或运动的传播来说明冰洲
晶石中的非常折射，为此他假设在这种晶体中有两种不同的振动媒质。”他
对惠更斯的这一假说进行反驳后接着说：“对我来说，假如光仅仅是在以太
中传播的挤压或运动，那末这似乎也是解释不通的。”
在《光学》中，牛顿主要以光的反射和折射现象为基础，坚持了他对光
的本性所作的微粒说的解释。他说：“光线是否是发光物质发射出来的很小
的物体？因为这样一些物体能直线穿过均匀媒质而不会弯到影子区域里去，
这正是光的本性”，“为了说明光线一阵容易反射、一阵容易透射的猝发现
象，我们并不需要别的，而只要把光线看作是微小的物体，这些微粒用它们
的吸引力或某种其他的力在它们对之作用的物质中激起振动，这些振动比光
跑得快，连续不断地赶上光线，并激动它们，乃至轮流地增加或减少它们的
速度，从而使它们处在一阵一阵的猝发状态之中。”
在《光学》中，牛顿不仅以微粒说作为他的光的本性问题的理论基础，
而且把他的物质微粒观念推广到所有自然现象之中，并因此与他的整个质点
力学体系融为一体。他在推论物质微粒的种种特性后说：“所有物质的东西
似乎都是由上述这些坚硬的固体粒子所组成，都是依照一个智慧者的意愿在
①
第一次创世时通过这些粒子的不同组合造出来的。”这样，牛顿就把他的光
的微粒说与他的整个机械自然观也融为一体了。
牛顿的《光学》共分三编。第一编主要论述光的传播问题，第二编主要
论述光的颜色问题：第三编主要以格里马第实验为基础，论述光的折射现象。
最后以一系列的问题为结尾，论述了他的以物质微粒观念为基础的机械自然
观。 《光学》一书，表明牛顿在论述他的微粒说时，也曾吸收波动说的某些
观念，并试图解决微粒说与波动说的论争，最终把两种理论统一起来。
牛顿的微粒说尽管有其局限性的一面，但在探索光的本性的认识道路
上，它与波动说同样是一个重要的里程碑。因为关于光的本性的波动性与粒
子性的认识，人们直到二十世纪初才得以在波粒二象性的基础上统一起来。
可能为了避免与英国的波动说的代表人物胡克再度引起论争，牛顿的《光
① 《牛顿自然哲学著作选》。
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学》完成后一直未出版，直到胡克在1703年去世之后，牛顿的《光学》才在
1704年公开出版。在《光学》公开出版之前，波动说主要代表人物惠更斯早
已于1695年去世。惠更斯和胡克相继去世之后，波动说的一方无人能与牛顿
进行论争，同时由于牛顿本人的科学声誉越来越高，牛顿的微粒说也就因此
成为处于支配地位的学说。作为光学的早期经典著作之一的《光学》影响了
长达两个多世纪的光学进展。直到本世纪初，当牛顿的《光学》再版时，爱
因斯坦（1879—1955年）在为该书作序时还说：“谁要有闲暇和宁静来读这
本书，就会重新生活于伟大的牛顿在他的青年时代所经历的那些奇妙的事件
当中。对于他，自然界是一本打开的书。”爱因斯坦的这一评述，除了在一
定程度上揭示了牛顿在光学中所遵循的方法之外，也在一定程度上说明了牛
顿的《光学》在出版后所产生的深远影响。在整个18世纪，除了瑞士数学家
约翰·贝努利和欧拉等人坚持光的波动说之外，绝大多数人都成了牛顿的微
粒说的信徒。
以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说之争，是一场影响深
远的科学论争，正是由于这场论争，在近代光学史上正式揭开了波粒之争的
序幕。
（6）杨氏及其波动说
到了18世纪末，随着以天体演化学说为旗帜的科学思想的进一步解冻，
光学开始慢慢地恢复一些生机。到了19世纪初，使人们意想不到的是，以惠
更斯为代表的光的波动说在沉寂了一个多世纪之后，又奇迹般地复兴起来，
这个在新的世纪中复兴光的波动说的开拓者，是英国著名物理学家托玛斯·杨
氏（1773—1829年）。
杨氏是一位类同于法国百科全书派式的学者。1795年，杨氏在哥庭根大
学获医学博士学位。在德国自然哲学思潮的影响下，杨氏对牛顿的光学理论
产生了最初的怀疑和动摇。他根据自己的一些初步的实验事实，在 1800年写
成了一篇题为《关于光和声的实验和问题》的论文，表示对惠更斯的光的波
动说表示赞同，对牛顿的微粒说表示怀疑。他说：“尽管我仰慕牛顿的大名，
但我并不因此非得认为他是万无一失的。我……遗憾地看到他也会弄错。而
①
他的权威也许有时甚至阻碍了科学的进步。”在当时牛顿的理论尚居于权威
地位的情况下，他能对牛顿作出如此大胆的议论，确实是需要一些胆略与气
魄的。
在文中，杨氏对光现象与声现象进行了类比分析，他从所观察到的声波
在重迭时有加强或减弱这种现象出发，认为光也有这种类似的特性，并进而
认为光也是一种波。这是在光的波动说沉寂一百年之后，人们首次提到光的
波动说。
1801—1804年间，杨氏出任英国皇家学院物理学教授，讲授数学物理方
程。在这一时间内，他完成了对光的干涉现象和干涉理论的研究。
杨氏虽在1800年重提光的波动说，但当时他尚缺乏实验证据。因此，他
决定设计出一种实验，以证实光的波动说。他从对声波的干涉现象的研究出
发，认为干涉是波所特有的性质。他设想，要切实证明光是一种波，就必须
证实光是否也发生干涉现象。
① ＇英＇梅森： 《自然科学史》，上海译文出版社1980年版，第412— 413页。
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1801年，杨氏进行了一个观察光的干涉现象的实验。他把一个点光源放
在一块不透明的屏后，当点光源发射出的光线通过屏上的两个邻近的狭缝
时，即在另一块屏上产生明暗交替的黑白条纹。这说明，当两束光线相干时，
光线既可能加强，也可能相互抵消。很显然，这是一种类似于声波和水波的
波的干涉现象。波在传播时，当两列波的波峰与波峰重叠、波谷与波谷重叠
时，两列波相互加强；而当两列波的波峰与波谷、波谷与波峰重叠时，两列
波相互抵消。屏上所以出现明暗相间的黑白条纹，正说明光也发生了波的干
涉现象，并由此说明光是一种波。
由于光的波动说自己成功地解释了光的这种干涉现象，而光的微粒说则
对此无能为力。这样，杨氏就以光的干涉现象这一判决性的实验事实，对光
的波动说作出了有力的证实。
在光的干涉现象的实验基础上，杨氏于同年在英国皇家学会的《哲学会
刊》上发表论文，一方面介绍了他所进行的光的干涉现象的实验，另一方面
也对他所进行的光的干涉实验与牛顿所进行过的“牛顿环”实验进行了理论
解释。在这篇论文中，杨氏首次提出了光波的干涉概念，并同时提出了光的
干涉定律：来自同一光源的两束光线，当其方向平行或接近平行，且其路程
差等于波长的整数倍时，光线互相加强；在其相干部分的中间态上，光线最
强。在文中，杨氏还指出了相干光与不相干光的区别，公布了他首次近似测
得的光线的波长，指出了不同色光的波长各不相同，并以光的波动说为基础，
提出了人的视觉理论。
此后，杨氏又对光的波动说进行了一些新的实验和理论研究。1803年，
他又写了一篇题为《物理光学的实验和计算》的论文，依据他的光的干涉定
律，对光的衍射现象作了进一步的理论解释，认为衍射实际上是直接通过衍
射缝的光波和边界波的干涉。这篇论文于1804年发表于英国皇家学会的《哲
学会刊》上，尽管杨氏在文中对光的衍射现象所作的理论解释尚不十分成功，
但他却以此进一步扩大了光的波动说的理论影响。
由于杨氏在英国复兴了原来形
