浙江大学沈元壤教授:今天讲的是光的故事。光,大家都很熟悉,它照亮了我们的世界,让地球有了温暖,维持着我们的生命。人跟动物的区别,就是人会思考,思考得很深,所以一般人就不会简单满足于看到光,而是想怎么样去利用光,这是一个充满了传奇的故事。
几千年前,人们相信眼睛会“放光”
3000多年前,古希腊出现自然哲学,只要你大胆假设,能够自圆其说,不需要求证就能让人相信。当时,人们认为世界由四种元素构成,它们分别是:火、空气、土和水。基于这种认知,以毕达哥拉斯(Pythagorus 582-504 BC)为代表的哲学家们认为,视觉的产生是由于人眼发射出的火焰遇到了物体,反射得到的。几何学鼻祖欧几里得则提出,光一定是走直线的。他在著作《Optica》中阐明了几何光学的基本原理。在此之后的一些哲学家则认为,光是由微小的颗粒组成,并具有无限大的传输速度。
此后,长达十几个世纪中,包括随之而来的中世界的欧洲文化 “黑暗时代”(5-14世纪), 光学没有太多进展。期间,最引人注目的工作来自于一位阿拉伯哲学家与科学家,Ibn Al-Haytham (965-1040 AD)。他提出人能够看到物体,是因为光进入了人眼;光是由一系列微小颗粒构成;光的折射是由于光在不同介质中传输速度不同造成的。他也是实验科学的先驱者。他通过实验发现了小孔成像——(通过一个小孔,在孔一侧的物体可以在另一侧的显示屏上成倒像)。所以他是小孔照相机的发明者。
从自然哲学到自然科学
文艺复兴(1450-1630 AD)的到来终结了黑暗的中世纪。在随后的两个世纪(15-16世纪)中,失落的知识被逐渐恢复;而在17世纪,开始有大量的实验观测与理论推导,科学就此蓬勃发展。在这一时期,人们不再满足于大胆假设,而是要求必须小心求证。自然哲学开始转移成自然科学。光学作为自然科学的前沿学科带动了自然科学的发展。
开普勒天体运动三定理大家都听到过、学到过,其实开普勒对光学的贡献也很大。开普勒提出,我们的眼睛是个凸透镜,我们看到的景象其实是倒影,而不是原来的景象。他也解释了为什么会有远视和近视,但没有试验证明。一直等到笛卡尔(Descartes)把牛的眼睛挖出来当成凸透镜做实验,才证明了这个假说。
伽利略大家也都听说过,他向别人学习制作了一台天文望远镜,因此看到了木星有四个卫星,这是人类天文学实验的开始。伽利略提倡科学要依赖于实验的结果,因此被尊为实验科学的鼻祖。
之后,在光学的研究上,科学家们通过实验得出了折射定理。当时,大家认为白光是最纯的光,如果白光受了污染就会出现颜色。比如白光经过棱镜会折射出很多颜色。但是白光经过小孔或者狭缝的时候,也会看到透射颜色出现,这个大家都不能解释。1676年,罗默(Romer)第一次通过天文观察测出了光的速度,证明了光的速度是有限的,而不是无穷大。这些都是自然哲学迈向自然科学的起点。(节选)在职研究生网