《人類科學技術史-213》十六、十七世紀光學

十六、十七世紀光學
1.光學原理的探討

（1）莫洛利克

莫洛利克(1494-1575年）生于意大利的墨西拿，曾當過牧師和數學教師，同時也是物理學家和天文學家。他在物理學方面的主要研究工作集中于光學，如光的直線傳播，光在平面鏡、球面鏡、柱面鏡和錐面鏡上的反射和光的折射等問題。他指出，凸透鏡是會聚的，而凹透鏡是發散的；光線在通過具有平面平行界面的透明板時，其方向不變，僅平行于其本身有一位移。他還研究了虹，最先指出虹有7種顏色。而在此之前，人們普遍認為虹只有3種顏色。在視覺理論方面，他指出，光線在眼睛的晶狀體中折射，就象在透鏡中折射一樣，并在視網膜上引起視覺。他最早說明了眼睛近視和遠視的原因，認為這分別是由于晶狀體的曲率過大或不足造成的。

莫洛利克在1567年寫了一本書，名為《論光》，但當時未能出版，直到他逝世后30多年，才于1611年問世。

（2）開普勒

開普勒也是當時主要的光學家。在1604年，他憑直覺、但又是最先明確地提出了光度學的基本定律，即照度與離光源的距離的平方成反比。他還通過幾何構造正確解釋了以前的光學家們曾討論過的一個問題：為什么太陽光從一個小孔進入暗室時，不論這個孔的形狀如何，在屏上形成的圖像總是圓的。他以一本書代表發光體，在書和墻之間放置一個中間有一角孔的屏，然后在書的一角系上一根線，再將線穿過角孔拉直至墻壁，線端系一支粉筆。拉直這根線并沿角孔邊沿繞轉時，粉筆在墻上畫出了一個與角孔相似的圖形。再將線的另一端依次系在書的其他位置并重復上述過程，結果在墻上畫出了許多部分重疊的角孔圖形，這些圖形構成了一個總的輪廓，呈現出這本書的形狀。此外，開普勒還論述了光的折射和視覺理論。

在1611年出版的《屈光學》中，他描述了望遠鏡的原理，介紹了具有凸透鏡目鏡的望遠鏡的結構，提出了近似的折射定律和透鏡公式。他對眼睛功能的解釋比前人更為準確，如認為視網膜是眼睛接受晶狀體所形成的圖像的部位，視力是對刺激視網膜的感覺等。

（3）斯涅耳

在開普勒之后，荷蘭萊頓大學的數學教授斯涅耳(1591-1626年）取得了一個進展。約在1621年，他通過實驗發現了光穿過兩種互相接觸的媒質的界面時，其穿行路程與兩種媒質的折射率之間的關系。但斯涅耳的這一發現當時沒有公布。后來，著名荷蘭物理學家惠更斯可能看到了斯涅耳的手稿。他在1703年出版的《光的折射》中，提到了斯涅耳的發現。于是，光的折射定律被稱為斯涅耳定律。

（4）笛卡爾

1637年，笛卡爾的《屈光學》一書出版。笛卡爾論述了光的傳播、反射和折射定律。他認為，光是一種作用或壓力，它從發光體經過媒質傳到人的眼睛；光是"即時"傳播的。他力圖從力學上證明反射和折射定律，假定光的本性是一種由發光體產生的推力或運動傾向，它同一個實際運動的物體遵循同樣的力學定律，如同一個被擊出的小球一樣，在碰到堅硬平滑的表面而反射時，其入射角必定等于反射角。他提出，光由媒質中的運動構成，因此，它碰撞在柔軟松散的空氣微粒上比碰撞在較堅硬緊密的水或玻璃的微粒上更容易減弱，就象一個球在地毯上不如在光滑的桌面上容易滾動一樣。在一系列研究的基礎上，笛卡爾最先在數學上導出了光的折射定律，這條定律在實驗上已由斯涅耳在1621年左右確立。

（5）格里馬爾迪

意大利博洛尼亞的格里馬爾迪(1618-1663年）是耶穌會學校的教師，講授哲學和數學，但光學是他的主要研究對象。他發現了光的衍射現象，并對其作了系統的研究，提出衍射的某些規律。

格里馬爾迪在做實驗時注意到，讓日光從一塊有劃痕的金屬板反射到一個屏上，能產生色帶。這一發現成為發明反射光柵的先聲。根據有劃痕的金屬板對光的作用，他在一定程度上解釋了鳥類羽毛、昆蟲翼的閃光顏色的產生。他認為，顏色就是"光的變態"，這種變態也許就在于光的運動類型和速度的變化。當眼睛受到速度不同的光振動的刺激時，就出現了不同的顏色。格里馬爾迪還用棱鏡得到了太陽的光譜。

格里馬爾迪對光所作的實驗和思考的成果，在他的主要著作《關于光、色和虹的物理數學研究》中得到了表述。這本書是在他逝世兩年后的1665年出版的。

2.光學儀器的發明和改進 （1）望遠鏡

最早利用透鏡的光學性能，是同改善視力的目的聯系在一起的。大約在14世紀前，就已有了使用眼鏡的記錄。14世紀初，威尼斯的眼鏡制作業大概已有一定規模。那時，為了防止眼鏡制作者用玻璃代替水晶欺騙顧客，還制訂了專門的法律。14世紀中葉，戴眼鏡已成為上層人士的一種時尚，不少人甚至在請人繪制肖像時都要求畫成戴眼鏡的。但從使用眼鏡到發明望遠鏡，經過了大約300年的時間。

16世紀后期，意大利學者波塔(1535-1615年）討論了有關望遠鏡的原理。在1558年出版的《大自然的魔術》一書中，他提出可以把凸透鏡和凹透鏡結合起來使用以觀察遠處和近處的物體。據說，意大利在1590年就已有了望遠鏡，它由一個凸面物鏡和一個凹面目鏡組成，但當時可能沒有受到特別的注意。

關于望遠鏡的最早發明者，有種種不同的說法。其中較為普遍的看法是：17世紀初，荷蘭制鏡工匠漢斯.利帕希偶然地把目光穿過兩個透鏡觀看遠處教堂頂上的風標，他驚奇地發現，風標被放大了。于是，他開始制作"遠距離觀望儀器"。他最初制成的望遠鏡比較簡單，由一個雙凸透鏡作為物鏡和一個雙凹透鏡作為目鏡。1608年10月，荷蘭議會審議了利帕希的專利申請。

根據議會的決議，成立了一個專門委員會與利帕希商談，并探討是否可將這種儀器改進為可用雙眼同時觀察。利帕希得到了一筆經費，兩個月后制成了一個雙筒望遠鏡。但他未能獲得專利權，因為當時還有其他人試圖獲得這項專利。正是在這時，望遠鏡在歐洲各國傳開了。1609年，在巴黎、法蘭克福、米蘭、威尼斯和倫敦，都已能買到這種可用來觀看遠處景物的儀器。

伽利略在1609年聽到了有關荷蘭人制造出了一種觀察遠處的物體就象近在眼前一樣清楚的儀器的消息。作為杰出的科學家，他敏銳地意識到了這一發明所具有的科學可能性。依靠自己精深的光學知識，他獨立地制成了由一個平凸透鏡和一個平凹透鏡組成的望遠鏡。這種望遠鏡本質上是與荷蘭望遠鏡相同的，但比荷蘭工匠制作的更好。

望遠鏡一出現，首先被認為對于軍事和航海具有重大意義。但當伽利略用它進行天文觀察并獲得重大發現之后，望遠鏡就成了人們認識自然、發展科學的新工具了。

不久，開普勒在1611年出版的《屈光學》中，解釋了荷蘭望遠鏡或伽利略望遠鏡的光學原理，并進一步提出了使用兩個雙凸透鏡的望遠鏡結構，即后來所稱的"開普勒望遠鏡"。這種望遠鏡可以獲得比荷蘭望遠鏡更寬闊的視野，鏡筒也可以更短。他還證明，一個凹透鏡和一個凸透鏡在適當距離上的組合，能夠得到比單用一個凸透鏡時更大的圖像。這一見解后來導致了遠距離照像透鏡組合的發明。

開普勒在望遠鏡光學原理方面很有研究，但他自己沒有制作望遠鏡。第一架被稱為"開普勒望遠鏡"的天文望遠鏡，大約是在1613-1617年間由耶穌會教士沙伊納制成的。沙伊納還發明了在用望遠鏡作天文觀察的時候保護眼睛的方法，即把有色玻璃片安裝在透鏡前面以減低光的強度。

在此后的時間里，望遠鏡的結構和性能不斷獲得改進，尤其是牛頓在1668年超越了折射式望遠鏡的框框，制成了第一架反射式望遠鏡。

（2）顯微鏡

顯微鏡大約和望遠鏡產生于同一時期，而且，究竟是誰最先發明了顯微鏡也是不明確的。很可能顯微鏡最早也出現于荷蘭，是米德爾堡一個名叫扎哈里亞.詹森(1580-1638年）的眼鏡工匠制成的。他的顯微鏡由一個作為物鏡的雙凸透鏡和一個作為目鏡的雙凹透鏡所組成，鏡筒長約18英寸(約45厘米），直徑約2英寸(約5厘米）。而最先把顯微鏡用于科學研究的大概也是伽利略。約在1610年，他用顯微鏡研究了昆蟲的運動器官和感覺器官。1614年，他詳細描述了顯微鏡下的蒼蠅。

17世紀中葉，英國物理學家羅伯特.胡克(1635-1703)制成了以一個半球形單透鏡作為物鏡和一個平凸透鏡作為目鏡的顯微鏡。這個顯微鏡有一拉筒，可調節距離。鏡筒安裝在一個支架上，可以變化角度。為了增加被觀察物體的亮度，還使用了一個帶球形聚光鏡的照明燈。胡克后來出版了一本名為《微觀畫集》的書，具體地介紹了顯微鏡及其用途，并描述了自己在顯微鏡中看到的世界。他畫出了雪片的晶體結構、蒼蠅的眼睛、蜜蜂的螫刺器官、羽毛的結構、霉菌的形狀等許多人們前所不知的東西。他還第一次使用"細胞"這個詞來稱呼軟木的蜂窩狀結構。胡克的工作使顯微鏡迅速流行，促進了人們對微觀世界的認識。