西方古代和中世纪的光学成就简述

光学的发展

西方古代和中世纪的光学成就简述

古代人对于光现象的记载和研究是和日常生活、观察天象、占星问卜等同时开始的，因此历史上的光学几乎与力学、数学等一起成为人们探索自然奥秘的最早部门．但由于光的物理本性不象力的本性那样比较容易为人们认识，因此古代光学基本上停留在对几何光学现象的描述与总结上，作为一门科学，发展比较缓慢．从光学器具看，中国的青铜镜早就应用，而玻璃和珐琅在埃及、希腊、罗马发现较早．柏拉图学园（428—348 B．C．）的教学内容中就已有光的直进和

反射角与人射角相等的内容（反射定律的发明者已不可考）．

欧几里德（Euclid，约330—275 B．C．）在《光学）｝一书中说：“我们假想光是直线进行的，在线与线之间还留出一些空隙米，光线自物体到人眼成为一个锥体，锥顶就在人眼，锥底在物体．只有被光线碰到的东西，才能为我们看见．”这就是“流出论”的根据．但原子论者则主张一切感觉都是从物体发出的物质流引起的．亚里士多德介于二者之间，主张“视觉是在很睛和可见物体之间的中介者运动的结果”．

公元二世纪时托勒密（70—147）写了《光学》一书．他用如图6—1装置第一次得出折射的数据

（见下表）．

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图为 托勒密实验 由空气射入水中的折射

托勒密的结论并不准确，他认为折射角与入射角成正比。

中世纪阿拉伯人阿尔加桑（ Al －hazen ， 965--1038）也写了一本《光学》，他通过解则知识正确指出眼的视觉功能，改进了托氏仪器，指出入射线、折射线与法线在一平面内，他还提出了有名的“阿尔加桑问题”。从物点发出的光是如何汇集到限内成像的？他还通过晚霞的持续时间，计算出当时太阳处于地平线下10°，估算出大气层高度为52000步，后来开普勒指出这个计算结果不对，但物理思想是可贵的，阿尔加桑《光学》的拉丁文译本在十三世纪曾激励波兰数学家维特洛（Vitello ）去研究光学．

折射定律的建立

望远镜出现后，为了改善天文、航海与战争中这一必备的利器，需要不断改善已有的光学元件的制备和提高望远镜的倍数，这就不能没有正确的理论研究．

开普勒在1604年发表了对维特洛光学论文的注释，1611年发表了《屈光学》，他认为折射角厂由两部分组成，一部分正比于入射角i ，另一部分正比于人射角的正割sect ．只有在小于30°时，托勒密的正比例定律才适用．在光近乎垂直入射时，i ：r ＝3：2，他还得出玻璃的折射角不会超过42°．根据光路的可逆性，他得出存在有全反射现象的结论．在这些工作的基础上，他求出了曲率相等的双凸透镜的焦距和平面透镜的焦距，并设计了他的望远镜． 荷兰数学家斯涅耳（ Willebroad Snel1， 1591－1626）在大约1621年发现了折射定律，如图，水中－点F 从空气中看好象在C 点，斯涅耳发现，对于任意人射角，

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csc csc sin sin 常量 这一定律是斯涅耳1626年去世后在他的遗稿中找到的，而第一个利用粒子（“网球”）模型推证这一定律使其具有现代形式的正是笛卡儿，他把余割之比换成了正弦之比．

光的本性

在自然界里，光是人们日常生活中最熟悉的一种现象，光能使世界上一切物体呈现出它们的形状和颜色我们赖以生存的氧气和食物的产生，也是以植物的光合作用为基础的。总之，人类的生活离不开光．多少世纪以来，科学家们为探索光的本性作了大量的实验，提出了许多理论，但是至今还没有能得出最终的、根本性的回答。

人们根据实验很早就已经了解了一些基本光学现象：光沿直线传播；光从镜面反射的角度等

于它射向镜面的角度（反射）；光束从空气进入玻璃、水或者其他透明物体时，会发生偏折（折射）；各束光可以彼此交叉通过而不相互干扰。虽然这些规律早为人们确定，但是它们所包含的深刻内容还远远没有为人们认识清楚。究竟光是什么？即关于光的本性这个问题的认识，在不同的历史发展阶段，是不断变化着的，甚至在同一历史时期，也存在两种截然相反的观点。

十七世纪，为了解释这些基本规律，形成了两大学派：一派是牛顿主张的“微粒说”，另一派是由惠更斯倡议的“波动说”。

光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。科学发展到十七世纪，就形成了一场关于光的本性的争论，也就是微粒说和波动说之争。这场争论，是科学（特别是光学）发展的产物，同时又成为科学新发展的动力之一。微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。

1666年，英国科学家牛顿做了探讨光本性的第一个重要实验：他让太阳光通过一块三角棱镜，经棱镜射出的光束是一条按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫顺序排列的彩色光带。这种光带就称为“光谱”。白光就是由这几种光混合而成的。为了解释这些光学现象，牛顿提出了光的微粒说；他认为：光是由弹性微粒流组成，由光源发出，以高速作直线运动。牛顿以此为论据。阐明了光沿直线传播的性质及反射定律，也解释了光的折射现象。他认为光的传播速度决定于煤质的密度，煤质的密度越大，光在其中传播的速度也越大。根据他的假设，光在水、玻璃中的速度大于空气中的速度。但以后的实验结果与此恰恰相反，证明牛顿的这一结论是谬误的。

1672年2月6日牛顿送交皇家学会的一封信“关于光和色的新理论”一文，牛顿说出了自己关于光的物质性的见解，认为“光线可能是球形的物体”，这就是我们通常所说的光的微粒说。牛顿用这种观念。很容易解释光的直线传播，同时也能解释光的反射和折射。但是这篇著作却引起了激烈的论战。在这场论战中，反对牛顿对于光的本

性的微粒见解的人是胡克。

胡克主张光是一种振动。他举出金刚石受到摩擦、打击或加热时，在黑暗中会发光的例证来说明光必定是一种振动。同时他还以金刚石的坚硬特性，提出这种振动必定是短促的。当讨论了光的直线传播和光速有限之后，胡克认为，在一种均匀煤质中，这一运动在各个方面都以相等的速度在传播，于是发光体的每一个脉动或振动都必将成一个球面。这个球面将不断地扩大，就如同把一石块投入水中后，在水面一点周围的环状波膨胀为越来越大的圆圈那样（尽管肯定要快得多）。由此可知，在均匀煤质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线交成直角。由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念了。

胡克与牛顿争论时，提出不少问题，特别是微粒说所不能解释的一些事例。为了回答胡克提出的问题，牛顿又进一步研究，想办法如何来完善自己的假说和理论。由于牛顿对振动和波动过程有一个严格的了解并有一个严整的数学原理，所以他在与胡克争论过程中，认为在自己的关于光的粒子结构的理论中，作出的结论是正确的，但是他也表明作出这个结论并没有绝对肯定，所以只能用两个字来表示：“可能”。进而认为这个结论在极端的情况下，仅是自己学说的大概的结果，而不是它的基本前提。

1675年12月9日，牛顿在送交皇家学会的一篇论文——“涉及光和色的理论的假说”——中，提出了一个把光的微粒和以大的振动相结合的新假说。论文中写道：“以大的振动在这一假说和那一假说中都是一样有用的和不可缺的。因为假定光线是从发光物质向各方面发射出去的小的微粒的话，那末当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以大中引起振动，正象石块被投到水中时要引起振动～样。我还假定，这些振动将按照激发它们的上述颗粒性光线的大小和速度不同而有不同的深度和厚度。”“只有这样它才能如此普遍而无所不包，以致把其他的假说也都包罗在内，而不需要创造什么新的假说”。

除此之外，牛顿在1675年12月21日写信给奥尔登堡（Henry Oldenbu，当时皇家学会的秘书）的信中在谈到他和胡克看法不同之处，牛顿认为，“除了假定以大是一种能振动的媒质以外，我和他没有什么共同之点。然而我对这个假定有和他很不相同的用法：他认为能振动的以大就是