西方古代对光学的认识和研究(一)牛顿在光学上的杰出成就，就可以使他成为科学界的头等人物，跻身于科学伟人的行列。
当牛顿只有21 岁的时候，他已开始了自己的研究工作，对光学问题的研究，又是牛顿全部科学研究、创造生活的开端。
1666年牛顿得到了用三棱镜把白光分成七种颜色的光的实验结果，并于1672年发表论文描述了这一色散实验；1704 年出版了《光学》一书，为光学的发展作出了贡献。
这本书和《自然哲学的数学原理》一书是牛顿的两部基本著作。
1666 年，牛顿正在磨制一些非球面形的光学透镜，同时做了一块三角形的玻璃棱镜，以便重复观察包括意大利物理学家格里马耳迪（F.M.Grimaldi，1618—1663）在内的所做的那些著名实验。
牛顿想办法把自己的房间弄暗，在窗板上开了一个小孔，让适度的太阳光进入室内，然后把他自已磨制的棱镜放在光的入口处，使光线由此折射到对面的墙上。
起初牛顿对墙上产生的那些鲜艳、浓烈的颜色，很感兴趣。
但是经过周密考虑后，他惊异地发现它们是长条形的，而根据公认的折射定律，它们的形状应该是圆形的。
为什么会这样？经过反复思考与实验，牛顿悟出了一个道理，并决心做一个判决性的实验。
牛顿取两块板，把其中的一块放在靠近窗户的棱镜的后面，板上开有一个小孔，光线可以通过这个小孔并落到另一块板上。
他把另一块板放在相距约12 英尺的地方，板上也开有一个小孔，并使光线的一部分通过它，然后再把第二块棱镜放在第二块板的后面。
当第一块棱镜绕它的轴转动时，落在第二块板上的像也跟着移动，同时使全部光线都相继通过板上的小孔，射到它后面的棱镜上，记下光线落在墙上的位置。
牛顿发现，在第一块棱镜上被折射得最厉害的蓝光，在第二个棱镜上受到的折射也最大，而红光在这两个棱镜上都被折射得很少。
牛顿便领悟到长条形的像形成的真实原因：光不是同类的和均匀的，它是由不同类型的光线组成的，其中一些比另一些更能被折射。
1672 年2 月6 日，牛顿向英国皇家学会提交了题为“关于光和色的新理论”的论文，详细地描述了上述实验，并提出了对颜色的新见解。
他认为，应该“有两类颜色。
一类是原始的、单纯的，另一类是由这些原始颜色组成的。
原始的或本原的颜色为红、黄、绿、蓝和紫绀，橙黄、靛青等等只是一大堆不确定的中间层颜色。
”并且指出：“和这些原始颜色同属一类的那些颜色，也可以用组合的方法使之产生，因为黄和蓝混合成绿；红和黄混合成橙；橙和黄绿混合成黄。
一般地说，如果在棱镜所产生的颜色系列中，两种彼此相距不太远的颜色混合成一种颜色，它在上述系列中处于这两种颜色之间。
但是那些相距太远的颜色并不如此。
橙黄和靛青不会产生其间的绿色，深红和绿也得不出其间的黄色。
”牛顿又明确指出，“最突出和最奇异的组合是白色，没有一种光线能够单独显示这种颜色。
它永远是组合成的，而且要组成它就必须用所有前面提到的原始颜色按一定比例混合起来。
”从而否定了过去认为白色和黑色是两种基本颜色的观念。
因此牛顿认为，以这些作为根据，就可以很1704 年，牛顿发表了《光学》（副标题为：关于光的反射、折射、弯曲和颜色的论文）一书，汇总了大部分很早以前完成的研究工作，但是为什么发表得这么晚呢？是有其历史原因的，对此，我们将在下一节中阐明。
《光学》一书的开头，牛顿就指出：“在这本书中我的意图不是用假说来解释光的性质，而是用讨论和实验来叙述和证实它们。
”为此，他就讲了8 个定义和8 条原理。
按照牛顿的说法，其中包括了“迄今为止，在光学中被谈论过的一切。
”但当时人们知道得并不多。
在8 条原理中，前5 条论述了反射和折射的基本规律，后3 条描述了光入射到平面、球面和透镜后，反射光或折射光光程的几何原理，并清楚地引入了聚焦这一概念，同时谈了一些眼睛里的光程知识。
“假设”部分包括了一系列假设、定理和习题。
定理都用实验证实。
在当时的条件下，这些实验是做得很出色的，说明牛顿高超的实验技艺。
假设Ⅰ（定理Ⅰ）的含义是这样的：“不同颜色的光，它们的折射率也不同。
”这一思想用了2 个实验作验证。
假设Ⅱ（定理Ⅱ）断定：“太阳光是由不同折射率的光所组成。
”这个定理用了8 个完全不同的实验来验证。
假设Ⅲ（定理Ⅲ）中，证明了“太阳光是由反射率不同的多种光线组成的，而且被折射得越强烈的光束，则被反射得也越多。
”在实验的说明中，牛顿叙述了对棱镜内部光的全反射所作的观察结果。
这里应该指出，光的全反射现象在较早的时候已被开普勒（J.Kepler，1571—1630）所发现。
假设IV 中，牛顿详细地阐述了怎样把“复杂的非均匀光束一一地分开”，用现代语言来说就是怎样用棱镜或透镜来获得单色光束。
假设V（定理IV）中，牛顿证实了“利用非均匀光照射到折射体上，由于不同类的光有不同的折射率，就会产生不清晰的物体图象。
”这就是色散像差的发现。
为了排除在透镜中的色散像差，牛顿研制了反射式望远镜。
假设VI（定理V）证实，对于不同颜色的光，入射角和折射角正弦的比值不同，但是这一比值仍然与入射角的大小无关。
《光学》一书中还描述和讨论了干涉现象，也就是我们现在所说的牛顿环的实验。
对薄膜彩色现象，前人作了不少研究，但牛顿对它做了细致的、定量的解释，并从现象上确定了它们的基本特性。
在这里，最重要的是牛顿发现了“光的周期性”。
在《光学》第三编的末尾总共提出了31 个“问题”，在这一系列闪耀着启发性光辉的“问题”中，牛顿的思想涉及到各个方面，例如，光的本性，重力和物质，探究自然的正确方法，上帝存在的证明以及关于上帝的可知的一切方面。
《光学》一书的结束语，介绍了许多纯方法论问题，它不但涉及到具体问题，而且创造了建立任何其他科学的普遍原则。
牛顿也自认为《光学》一书是他正确的哲学观点的最好证明。
而《光学》全书，始终是建立在分析法的基础上，它仅仅是从实验中取得资料，描述大自然的规律，而撇开了引起它们产生的理由。
【光的本性之争】光的本性是什么？对这个问题自古以来就有不同的回答。
到17 世纪，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。
微粒说是以牛顿为代表，波动说则是以胡克、惠更斯为代表。
1672 年2 月6 日，牛顿在送交皇家学会的“关于光和色的新理论”一文中表明了自己对光的物质性的见解，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的最早表述。
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。
但是这篇论文一经发表，就引起了激烈的争论，反对光的本性的微粒见解的人就是胡克。
胡克（Robert Hooke，1635.7.18—1703.3.3）是英国物理学家。
他对弹性力定律的发现和论证，一直保存到现在，称为胡克定律。
对光的本性问题，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子来证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。
当讨论光的直线传播和光速有限时，胡克认为，在一种均匀媒质中，这一运动在各个方面都必将成为一个球面。
这个球面将不断地扩大，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。
由此可见，胡克实际上已接触到了波前和波面的概念。
胡克与牛顿争论时，提出了不少问题，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，想办法完善自己的假设和理论。
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，在与胡克的争论过程中，便认为自己关于光的粒子结构的理论是正确的，但是他也表明没有绝对肯定这个结论，所以只能用“可能”两个字来表示。
进而认为这个结论在极端情况下，仅是自己学说的大概结果，而不是它的基本前提。
1675 年12 月9 日，牛顿向皇家学会又提交了一篇题为“涉及光和色的理论的假说”的论文，论文中提出了一个把光的微粒和以太的振动相结合的新假说。
认为“以太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少的。
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，那么当它们碰到任何一种折射或反射表面时，就必然要在以太中引起振动，正如石块被投到水中时要引起振动一样。
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。
”1675 年12 月21 日，牛顿在给皇家学会秘书奥尔登堡（H.Oldenburg）的信中谈到了自己和胡克看法的不同之处，牛顿认为，“除了假定以太是一种能振动的媒质以外，我和他没有什么共同之点。
然而我的这个假定有和他很不相同的看法：他认为能振动的以太就是光本身，而我则认为它不是。
”与此同时，牛顿在其他论文中又提出并确立了光的周期性。
他在研究光在薄板上的干涉和干涉后颜色随薄板的厚度而改变的现象时，发现了光的周期性，并测量出周期性变化的序列，实质上，他已成为第一个测量光波的波长的人。
当牛顿在皇家学会上宣读新的论文、阐述新的假说时，胡克却提出了优先权的要求。
于是，牛顿在愤慨之下，决定不发表光学著作。
牛顿的多年来的关于光学方面的研究成果，都是在胡克死后的一年——1704 年发表在他的《光学》著作中。
这就是《光学》为什么这么晚才发表的缘由。
这一偶然事件，影响了光学的发展。
综上所述，可以看出，对光的本性的理解，牛顿基本上倾向微粒说，他认为“光线是否是发光物质发射出来的很小的物体？因为这样的一些物体能直线穿过均匀媒质而不会弯到影子区域里去，这正是光线的本性。
”“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，这些振动比光跑得更快，连续不断地赶上光线，并激动它们，乃至轮流地增加或减小它的速度，从而使它们处于这种一阵一阵的猝发状态之中。
”但是在牛顿的学说中，后来也加进了以太的振动。
坚持光的波动说，并想法建立理论来解释它们的，则是荷兰物理学家惠更斯（ChristianHuygens，1629.4.14—1695.6.8）。
1678 年，惠更斯向法国科学院提交了著作——《光论》。
在书中，惠更斯把光波假设为一纵波，推导和解释了光的直线传播、反射和折射定律，书中并未提到关于光谱分解为各种颜色的问题。
惠更斯的光的波动理论是研究碰撞现象的一个直接结果，他认为光是一种冲量，它类似于球与球之间的冲量的传递，这一研究代表了光学研究中物理观念和数学观念的联合。
《光论》全书正文分成5 章，分别为“论光线沿直线的传播”、“论反射”、“论折射”、“论空气中的折射”、“论冰洲石中的奇异折射”。
最后再加一章，“论用于折射与反射的透明体的图形”。
《光论》的英译本直到1912 年6 月才出版，译者汤普生（SilvanusP.Thompson）认为，惠更斯的著作之所以晚200 年才有英译本，可能是与牛顿的观点相抵触的所有想法，都被其门徒一概排斥的缘故。