科学的科普（22）光学的建立

张武昌 2025年10月1日星期三国庆节

科学是和数学紧密结合的学问，没有数学的学问是哲学思辨。

“以太”（Ether、Aether）一词，最初见于一则古代希腊的神话传说：暗神伊利波斯和夜神尼卡丝结合，生出一个精灵气旺的宙斯神——埃忒尔（Aether），这就是以太。在那个时候，以太表示精灵之气，弥漫于整个宇宙。埃忒尔是希腊神话里的三层大气（air）之一，是“以太”神，“光”和“光亮的高层大气”的神。

17世纪，R.笛卡尔最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在他看来，物体之间的所有作用力不存在任何超距作用，必须通过某种中间媒介物质来传递。

笛卡儿提出了引力传播的以太旋涡运动学说：以太是弥漫于空间的连绵体，在不停的运动中形成许多速度、密度不同的旋涡。旋涡间相互挤压传递作用．每个物体都是一个旋涡中心。重物体形成大旋涡，轻物体形成小旋涡。小旋涡总是靠近大旋涡。这种学说较好地解释了引力传播问题。

后来，以太又在很大程度上作为光波的荷载物与光的波动学说相联系。荷兰C.惠更斯和英国R.胡克提倡光的波动说，他们都假定以太是荷载光波的媒介物质，以太充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质之中。光是发光体产生的振动在“以太”中的传播过程，以球面波的形式连续传播。以此作为波动媒介。这时期的以太便称为“发光以太”或“光以太”。

以太是充满了整个空间的一种弹性粒子（现在已经证明以太不村子，以太波的传播形式不是以太粒子本身的移动，而是以振动的方式传播。1690年，惠更斯出版了《光论》一书，阐述了他的光波动原理：“光波向外辐射时，光的传播介质中的每一物质粒子不只是把运动传给前面的相邻粒子，而且还传给周围所有其他和自己接触并阻碍自己运动的粒子。因此，在每一粒子周围就产生以此粒子为中心的波。”

惠更斯在此原理基础上，推导出了光的反射和折射定律，解释了光速在光密介质中减小的原因，同时还解释了光进入冰洲石所产生的双折射现象（1669年，丹麦学者巴尔托林发现了此现象，透过它可以看到物体呈双重影像）。

惠更斯的波动学说虽然冠以“波动”一词，但他把错误的“以太”概念引入波动光学，对波动过程的基本特性也缺乏足够的说明。他认为光波是非周期性的，波长和频率的概念在他的理论中是不存在的，所以难以说明光的直线传播现象，也无法解释他发现的光的偏振现象。惠更斯的光学理论只是很不完备的波动理论。

除了作为光波的荷载物以外，惠更斯也用以太来说明引力现象 。

牛顿虽然不同意胡克的光波动学说，但他也像笛卡尔一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来，以太不一定是单一的物质，因而能传递各种作用，如产生电、磁和引力等不同的现象。

牛顿主张光的粒子说。他做过很多光学实验，其中就包括著名的三棱镜色散实验。其实这个实验在他之前就有人做过，不过做得不好，只获得了两侧带有颜色的光斑，而牛顿则获得了展开的光谱。而且他用各种不同的棱镜以及不同的组合方式严谨地研究了色散现象，所以不少人都认为色散现象是他最早发现的。

牛顿认为，既然光是沿直线传播的，那就应该是粒子，因为波会弥散在空间中，不会聚成一条直线。最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影。他在1675年12月9日送交英国皇家学会的信中指出：“我认为光既非以太也不是振动，而是从发光物体传播出的某种与此不同的东西……可以设想光是一群难以想象的微小而运动迅速的、大小不同的粒子，这些粒子从远处发光体那里一个接着一个地发射出来，但我们却感觉不到相继两个粒子之间的时间间隔，它们被一个运动本原所不断推向前进……”

牛顿在1704年发表的《光学》一书中论述了关于光的反射、折射、拐射以及颜色等问题的实验和讨论，也提到了对于光的衍射现象的一些观察实验。

虽然《光学》一书主要叙述了他的微粒说观点，但是他也不得不含糊地借用一些波动理论来解释一些实验现象。实际上，牛顿在后期的研究中精确地测量了各种颜色光的波长，但他并不将其称为波长，而且声明：“这是何种作用或属性，究竟它在于光线或媒质，还是别的某些东西的一种圆周运动或是振动，我在此不予探究……”

因此波动说和粒子说都停留在哲学思辨的水平，没有成为真正的科学。

需要确实的证据，如果是波，波长是多少，如果是粒子，大小是多少。这个光的本质的争论长期处于哲学思辨的状态，光学要成为科学需要一个切实的证据，而这个证据的得来经过了200年。

1610年，著名的意大利天文学家伽利略（Galileo）通过自制的望远镜，发现木星周围的四个天体，并观测到它们会忽然消失，转速和轨道都极有规律。

他推断这四个天体是木星的卫星。这是伽利略推翻“日心说”的有力证据，

这些卫星在围绕木星旋转的某些时刻，它们会藏到木星的背后。这个现象也被称为“行星掩星”，而其中最靠近木星的卫星一号（木卫一）的此种现象，被称为“木卫一蚀”。

1676 年，丹麦天文学家奥勒·罗默（Ole Rømer）

观测木卫一掩食现象的周期变化，木卫一绕木星公转的周期约为 42 小时 28 分，如果木卫一的轨道是完美稳定的，那它的食应该在同一个周期内稳定出现，几乎不会有大幅度的提前或延后。

然而罗默在实际观测中却发现，当地球和木星距离较近时，木卫一的食似乎提前出现，当地球与木星之间距离变得更远时，食则延后出现，而且这一延后与地球和木星的相对位置密切相关。

根据观测数据，罗默推断出光横跨地球轨道直径需要 22 分钟的时间，并根据当时的地球轨道数据估算出光速大约为 22 万公里/秒。

另外一种天文测量光速的方法为光行差法，英国天文学家詹姆斯·布拉德雷（James Bradley）于 18 世纪发现并描述这一现象。

光速是有限的，对于移动中的观测者来说，光源的位置会偏离其实际位置。

光行差现象：由于光速有限，来自远处的光会因望远镜的移动而产生视觉上位移。

地球绕太阳进行公转运动，在地球上观测恒星时，光行差现象会导致恒星的视位置来回移动。根据恒星在天球上位置的最大角度差，就可以推算出光速和地球公转速率之间的关系。

1729 年，布拉德雷利用光行差法测算出光速大约为 30.1 万公里/秒，这已经非常接近光速的准确值了。

罗默的光速有限观点在最开始的时候并未被普遍认可，但支持者中包括惠更斯和牛顿等人，而且他基于的开普勒行星运动模型也存在一定的争议，直到布拉德雷发现光行差现象后，人们才普遍接受了光速有限的观点，并且也有力的支持了开普勒的行星运动模型。

托马斯·扬（1801年的）的双缝实验第一次测出了可见光波长。但那个时候没有激光，蜡烛太弱，所以用的是太阳光：他是把房子只留一个小洞，然后洞口放了些镜子去引导光路，接着光路中间隔了一个纸板把光左右一分为二, 照射到房里对面墙上。

1802年他向皇家学会发了他的论文On the Theory of Light and Colours，

Young, T. (1802) On the Theory of Light and Colours. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 92, 12-48. https://doi.org/10.1098/rstl.1802.0004

论文中记载各色光的频率：

扬在论文中假设光速为500 000 000 000 feet每8.125分钟，约为500 000 000 000*0.3048米/（8.125*60）=0.3126*10^9 米/秒（真实光速为 c=299 792 458m/s）。

虽然频率的数据有偏差，但是对于光学的研究终于有了切实的实验证据，光学跨进了科学的门槛。此后光学进入了与数学的紧密结合时代，光学正式建立了。