关于光和色的新理论

关于光和色的新理论^[4]

为了履行我最近对您的诺言，我将免去客套立即让您知道，我在1666年初（那时我正在从事于磨制一些非球面形的光学透镜）做了一个三角形的玻璃棱镜，以便试验那些著名的颜色现象。为此，我弄暗我的房间，并在窗板上开了一个小孔，让适度的太阳光进入房内，然后我把我的棱镜置于光的入口处，使光由此折射到对面的墙上。起初我看到那里产生的那些鲜艳、浓烈的颜色，颇感有趣，但经过较周密地考察之后不久，我惊异地发现它们是长条形的，而根据公认的折射定律，我预期它们的形状应该是圆的。

在（上下）两边它们各以直线为界，但在其（左右）两端光亮逐渐减弱下来，以致很难确定它们是什么形状；不过它们好像是个半圆形。

比较这彩色光谱的长度和它的宽度，我发现前者大约要大5倍，这一比例失调的情况是如此之甚，以致引起我以不同寻常的好奇心去研究它起因何在。我很难设想，透镜玻璃的不同厚度，或者与其阴影或黑暗区域的界限，会影响到光而产生这样一种效果。但是我想，先去研究一下这些情况是不会错的，因此我就让光通过玻璃的不同厚度部分或不同大小的窗孔，或者将棱镜放在外边，使光在受到窗孔的限制以前先经过棱镜而被折射，来试验将发生什么样的结果。但是我发现上述这些情况没有一个有意义，颜色在所有这些情况中都是一个样子。

于是我怀疑，是否玻璃的不平或其他偶然的不规则性可能使这些颜色扩大到如此地步。为了检验这一点，我用另一个和前一个相似的棱镜，并且把它这样放置，使光在行经两个棱镜之后可以向相反方向折射，就是说，第二个棱镜把光从原为第一个棱镜所偏折的行程上返回到它偏转以前的行程上去。因为用这个办法，我认为第一个棱镜的正常效应可能被第二个棱镜所消除，但是那些不正常的效应将由于多次折射而更加增强。而事实是，被第一个棱镜扩散成长条形的光，又为第二个棱镜还原为圆形，而且其形状的端正，好像光根本未曾通过任何棱镜一样。因此，不管使光变长的原因是什么，这种原因绝不是任何偶然发生的不规则性。

然后我做了更为精细的考察，以研究来自太阳不同部分的光线，看其不同的入射方向会产生什么样的影响。为此目的，我量了有关像的几条直线和几只角度。从像到窗孔或棱镜的距离为22英尺。像的最大长度为英寸，宽度为英寸，窗孔的直径为英寸；射向像中心的一些光线和它们未被折射时前进的路线之间所成之角为44°56′。棱镜的顶角为63°12′。而在棱镜两面上的折射，亦即入射与出射光线的折射，我尽我所能安排得使它们相等，结果它们之间的夹角约等于54°4′。光线垂直射在墙上。从像的长度和宽度中减去窗孔的直径，这时所剩下的13英寸长和英寸宽，正是那些通过窗孔中心的光线所包含的范围。因此这宽度的整个张角约为31′，与太阳的直径相符，但长度的张角比这直径的张角大5倍还多，即2°49′。

作了这些观察之后，我先从这些观察中计算这块玻璃的折射率，找到它用角的正弦之比来量度时为20对31。然后我用这比值计算从太阳圆盘中相对部分发出的两条光线的折射，这两条光线的入射斜度相差31′，而计算所得射出的光线都应包含在一只约为31′的角内，正和它们在入射之前一样。

这个计算是根据入射角和折射角的正弦成比例这一假定进行的，虽然按照我的经验，我不能想象这一假设会错得如此之大，以致实际是2°49′的角变为31′，但是好奇心促使我再用我的棱镜进行一次试验。像以前一样，棱镜放在我窗上以后，我把它稍为绕其轴线来回转动，使光线对它的倾斜度变动4°或5°以上，这时我观察到，墙上颜色的位置并不因此而显著有所移动，因此，变化这样大小的入射方向并不能使折射的大小发生可觉察得到的改变。因此，根据这实验以及根据以前的计算，从太阳不同部分发出的光线，其入射方向的差别，显然不能使这些光线在交叉之后以比它们以前的会聚角明显大得多的角散开出去，而那个角至多约为31′或32′。所以应该还有某种其他足以使光线散开2°49′的原因有待于发现。

于是我开始怀疑，光线在行经棱镜以后是否会沿着曲线运动，并按这些曲线的曲率的或大或小射到墙上不同的地方。当我回忆起我曾时常看到网球为斜向的网球拍所击之后，总是沿着一条曲线行走的时候，我的怀疑就更增加了。因为网球拍的这一击除给球以前进运动之外，还给它一种旋转运动，球在两种运动一致的那边的各部分必然要比另一边更猛烈地挤压和打击邻近的空气，而这里所引起的空气阻力和反作用也相应地要较大，同样的道理，假如光线可能是球形的物体，并在从一个媒质出来进到另一媒质的斜向路程中获得一种旋转运动，那么在两种运动一致的那边，它们受到来自周围以太的阻力应该较大，因而将继续向另一边弯去。虽然这种怀疑似乎是合理的，但当我进行考察时，我看不到它们有这样的弯曲。此外，我观察到（这对我来说实际已经足够）像的长度与光线穿过的孔的直径之差，和它们之间的距离是成正比的。

这些怀疑的逐渐消除，终于把我引导到这样一个有判决性的实验上来：我用两块木板，将其中一块放在窗口处紧贴那棱镜的后面，使光能通过板上特制的一个小孔而射在另一块木板上，这后一块板放在12英寸远的地方，板上也有一个小孔，可让入射进来的一些光通过，然后我在这第二块木板后面放上第二个棱镜，使穿过两板的光也能通过它而在到达墙壁之前再被折射一次。这样安排好后，我把第一个棱镜拿在手里，缓慢地绕着它的轴来回转动，转动范围之大足以使投射在第二块板上的像的不同部分能相继穿过这块板上小孔，而我可以观察到第二个棱镜把它们折射到墙上的哪些位置上。从这些位置的变化中我看到，被第一个棱镜折射而射向像的一端的光，确实在第二个棱镜中比射向另一端的光经受了大得多的折射。这样就探察到了那个像之所以会变长的真正原因，不过是由于光是由折射率不同的光线组成所致，这些光线无论其入射方向有何不同，都是按照它们折射率的大小而被传送到墙的不同部分上去的。

当我懂得了这一点的时候，我就停止了我前面提到过的玻璃磨制工作，因为我认识到，望远镜的完善程度所以迄今受到限制的原因，主要不是由于缺乏那种其形状真正像光学专家们所规定的透镜（所有的人迄今都是这样想的），而是因为光本身是一种折射率不同的光线的复杂混合物。所以即使有一个透镜，其形状如此精确，能把任一种光线汇集到一点，但它却不能把那些以相同的入射方向射到同一种媒质而会受到不同折射的光线，也汇集到同一点上来。而且，鉴于折射率的差别可以像我所发现的那样之大，我倒怀疑应否把望远镜做到像现在这样精确的程度。因为，在测量了我一个棱镜的折射情况之后，我发现，假定射在它一个面上的光线的共同入射角的正弦是44单位，那么，从玻璃进入空气中的那些在红色一端最外面的光，其折射角的正弦为68单位，而在另一端最外面的光的折射角的正弦为69单位，所以它们之间的差数约为整个折射的或。因此，任何望远镜的物镜不能把来自物上一点的所有光线汇集起来，使它们聚合在它焦点地方小于这样一个圆形的空间范围之内，使它的直径等于物镜孔径的直径的1/50。这种不规则性比起在假设光是均匀的情况下，一个其截面像长望远镜的物镜那样小的圆形透镜，由于其形状的不适合而引起的不规则性，要大数百倍。

这就使我去考虑反射现象，而在我看到它是有规则的，一切光线的反射角都等于它们的入射角的时候，我理解到如以反射现象为媒介，而且只要能够找到一种反射材料，把它像玻璃那样磨得光洁，又能反射像玻璃所能透射的那样多的光，并且也能获得把它磨成抛物面形状的工艺，那么光学仪器可以做到任何可设想的完善程度。但是这好像有很大的困难，而且当我进一步考虑到，反射表面上每一个不规则地方使光线偏离它们应走的路程，要比折射面上同样的不规则地方大5或6倍的时候，我几乎认为这些困难是无法克服的。因此，这里与磨制折射透镜相比需要更大的精密性。

正在作这些考虑的时候，我由于当时发生的鼠疫被迫离开了剑桥，两年多以后才重新继续这项工作。那时我想到了一个适用于金属的精细的磨光方法，并且照我所想，这种方法或许也可以用来使金属最后达到正确的形状。于是我就开始试验，看用这方法可以达到什么样的效果，并在同时逐步改进了一个仪器（其主要部分和我送到伦敦去的那个相同），使我能用之以识别伴随木星的四个天体，而且我还多次让我的两位朋友看到了它们。我也能用之以识别金星的盈亏现象，只是看得还不够清楚，而且仪器的装置也还可以做得更加精致一些。

从那时起我的工作又被中断，直到去年秋天，我才做了另一个望远镜。因为这一个明显的比第一个好（尤其是对于白天观察来说），所以我并不怀疑，在您告诉我的那些在伦敦加工它的人们的努力下，它们的完善程度还可以大大提高。

有时我曾想到制造一个显微镜，它同样不用玻璃物镜而以一块能反射的金属来代替。并且我希望他们也会考虑到这件事。这种仪器看来同望远镜一样有改进的可能，或许还可以改进得更好一些，因为像您从附图中可以看到的那样，它只需要一块能反射的金属就已足够。图中AB代表那块用作物镜的金属，CD为目镜，F为它们的共同焦点，而O为金属物镜的另一个焦点，所要观察的物体就放在这里。

现在言归正传，我曾经告诉您说，光不是相似的或均匀的，而是由不同的光线组成的，而且其中有一些比另一些更能折射。所以同样入射到同一媒质上的那些光线，有的要比其他的折射得更利害些，这不是由任何玻璃的功能或其他外来原因所造成，而是由于每一条特殊的光线必须经受特殊程度的折射这样一种内在倾向所致。

现在我将让您知道存在于光线中的另一个更为异特的不一致性，而且在这里揭示出了颜色的起源。关于这个起源，我将先阐述我的学说，然后为了对它的检验，给您举出一两个实验作为其余实验的范例。

您在下面一些命题中将找到这学说的内容和说明：

1．正像光线在折射率的程度上有差别一样，它们在显示这种或那种特殊颜色的性格方面也不相同。颜色不像一般所认为的那样是从自然物体的折射或反射中所导出的光的性能，而是一种原始的、天生的、在不同光线中不同的性质。有些光线倾向于显示红色而不显示其他颜色，有些显示黄色而不显示其他，有些则不显示别的而显示绿色，其余也是如此。并不是只有那些较显著的颜色才有它们固有的特殊光线，而且甚至在它们中间的各种色调也都同样有它们固有的特殊光线。

2．对于同一大小的折射程度总是只有同样一种颜色，而对于同一种颜色也总是只有同一大小的折射程度。折射最小的光线都倾向于显示红色，而反过来凡倾向于显示红色的光线都是折射最小的；同样，折射最大的光线都倾向于显示深紫色，而反过来凡倾向于显示这种紫色的光线都是折射得最利害的。此外对于处于连续系列中的所有中间颜色，也有各种中间程度的折射率与之相配。颜色和折射率之间的这种类似关系是精确而严格的，两条光线总是或者在这两方面完全一致，或者都按一样的比例不相一致。

3．任何一条特殊光线所固有的颜色品种和折射程度，既不会为自然物体的折射或反射所改变，也不会为我迄今所能观察到的任何其他原因所改变。当任何一种光线从别种光线中很好地分离出来以后，尽管我尽最大努力想改变它的颜色，但是它还是顽强地保持它的颜色不变。我用棱镜使它折射，并用在日光中看来是别种颜色的物体把它反射；我曾用叠在一起的两块玻璃板之间一层彩色空气薄膜去挡住它，让它通过彩色的媒质和用不同颜色的光线照射的媒质，并用不同的方法限制它，但是从未能从它那里产生出任何新的颜色。把它收缩或扩张时，它将变得更鲜艳或更暗淡，并且在某些情形中由于光线损失过多而变得极其晦暗不清，但是我从未看到过它的品种因此而发生变化。

4．但是只要那里有不同种类的光线混合在一起，那里就能使颜色看起来好像起了变化。因为在这种混合光中，各组成光的颜色并不显现出来，但由于它们的相互抵消，便形成一种居间颜色。因此，假如由于折射或任何一种上述原因，隐藏在这样一种混合光中的不同光线被分了开来，那么就将出现许多不同于混合光的颜色。这些颜色不是新生出来，而只是在把它们分开来后才使它们显现出来的，因为如果把这些颜色重新完全混合起来，那么它们又将组合成它们分开以前的那种颜色。同样的道理，由不同颜色汇合而成的那种变化了的颜色也不是真正的颜色，因为当这些不同的光线再被分开时，它们就会显现出汇合以前它们所固有的那些颜色；正像你看到当蓝和黄的粉末细致地混合时，对肉眼看来是绿的，但是那些成分粒子的颜色并没有因为混合而真的发生了变化，只是混合了而已。因为当用一架好的显微镜去观察时，它们仍旧显现为相间散布的蓝色和黄色。

5．因此有两类颜色。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。

6．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起来，那么它们将合成一种颜色，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。

7．但是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。我时常以叹赏的心情观看从棱镜射出的所有颜色，在它们再被会聚而重新混合为入射到棱镜以前的那种光时，就产生完善的白光，这种白光同直接从太阳射来的白光丝毫没有差别，除非我所用的棱镜不够明澈，那么这时它们就会使它略为倾向于带有它们自己的颜色。

8．所以由此得出，白色是光的通常颜色，因为光线是从发光体的各部分杂乱地发射出来的，而光是由带有各种颜色的这些光线所形成的一种混乱的集合体。并且正如我说过的那样，如果各组成部分相互间具有一定的比例，那么从这样一种混乱的集合中就会产生出白色。但是如果有一种成分特别占着优势，那么光必定倾向于显现这种成分的颜色，例如硫磺火的蓝色，蜡烛光的黄色，以及恒星的各种不同颜色。

9．考虑了这些以后，棱镜如何产生颜色的方式问题就很清楚了。因为组成入射光的许多光线，既然因它们颜色不同而有按同样比例的不同折射率，那么，由于它们的不同折射，也就必然要被分开而散布在一个长条形内，形成一个有秩序的排列，从折射最小的深红一直到折射最大的紫色。并且由于同样的理由，通过一个棱镜去看各种物体时它们就显得是有颜色的。因为不同种类的光线由于它们的折射不同而分散到眼睛视网膜的不同部分，在那里造成彩色的物像，正像在以前情况中它们把太阳成像在墙上时所做的那样。又由于这种不同的折射，这些物像不仅成为彩色，而且变得极其模糊不清。

10．以这些为根据，在下落的雨滴中为什么会出现彩色的虹，也就很清楚了。因为有些水滴，它们把倾向于显示紫色的光最大限度地折射到观察者眼中，而对别种光线的折射则要少得多，以致它们只能从眼睛旁边溜过，这就是处在初级虹的内部和次级或外面一个虹的外部的那些水滴。同样，那些倾向于把最大数量的红色光线折射到观察者眼睛中去的水滴，把别种光线折射得如此利害，以致它们进不了观察者的眼睛，这就是在初级虹外部和次级虹内部的那些水滴。

11．根据这些理由，肾病木（lignum nephrilicum）浸液、金箔、颜色玻璃碎片以及某些其他透明有色物体，在一个位置上显现出一种颜色，在另一个位置上显现出另一种颜色的奇特现象，已不再是一个谜了。因为这是一些能反射一种光而使另一种光透射的物质。这可在暗室中用相似的或非混合的光照射它们来加以判明。因为这时它们只显示出用以照射它们的那种颜色，但是按照这些物体倾向于把入射光反射或透射的或多或少，在一种情况下要比另一种情况下显得更鲜艳而明亮。

12．胡克先生在他的《显微术》中某一个地方谈到的一个出乎意料之外的实验，其原因也就因此清楚了。这实验用两个楔形的透明容器，一个装满红色液体，一个装满蓝色液体，虽然它们单独是足够透明的，但是把两者放在一起，就变得不透明了。这是因为如果一个只能透过红光而另一个只能透过蓝光，那么就没有一种光线能够同时透过两个。

13．对于光的这种性质，我还可以举出更多的例子，但是我将用这样一个具有一般意义的例子来作结束，这就是，一切自然物体的颜色除了由于各种物体的反射性能不同而对某一种光可以反射得比另一种光更多而外，并没有其他原因。我曾在一个暗室中做过实验，用各种不是混合的彩色光照射这些物体，因为用这方法可以使任何一个物体呈现任何一种颜色。它们在那里没有专属于它们的一种颜色，而总是呈现那种照上去的光的颜色。但还是有这样一个差别，那就是用日光下它们所显示的那种颜色的光去照射时，它们显得最为鲜艳生动。铅丹在暗室中没有什么差别地呈现任何一种用以照射它的颜色，但在红光下显得最明亮；同样情况，一种用花绀青制造的暗蓝颜料对于任何颜色的光都显得没有什么差别，但在蓝光中最为明亮。因此，铅丹能反射任何颜色的光，但红光反射得最多。所以在日光的照射下，也就是用各种杂乱混合在一起的光线去照射时，具有红色性质的光线，在反射光中将最为丰富，于是因这种光占优势而使它呈现这种颜色。同样的道理，那种暗蓝颜料由于反射蓝光最多，所以这些光线在反射光中超过其他光线而将呈现蓝色；其他物体的情况也与此相似。至于这是物体呈现何种颜色的完全充足的理由，那是很明显的，因为物体没有改变任何一种入射光的颜色的能力，而只能被动地披上照射到它上面的所有颜色。事情既然这样，就没有必要再去争论黑暗地方是否有颜色，颜色是否是我们所看到的物体的性质，以及光是否可能是一种物体等问题。因为既然颜色是光的性质，并以光的许多光线作为颜色的全部而直接的主体，那么我们怎么能设想这些光线也是性质呢，除非一种性质可以是其他性质的主体并且可以承载它们，这就实际上应称之为实体。如果不是由于物体的那些可感知的性质，我们就不会知道它们是实体，而当现在由于别的什么东西而发现了这些可感知的性质的主体之后，我们就很有理由认为它也是一种实体。

此外，谁曾想到任何性质是一种不同质的集合，如同我们对于光所发现的那样（？）但要更确切地判定什么是光，它怎样折射，并且凭什么方式和作用它在我们头脑中产生颜色的感觉印象，这都不是那么容易的事。我不想把推测和已确凿的事实混淆起来。

回顾一下我以上所写的一切，我就看到这种议论本身将导致足以考验它的各种实验，因此我将不再打扰您而只想叙述一下我已经暗示过的那些实验中的一个。

在一个暗室里，从窗板上开一个小孔，直径以大约1/3英寸为合适，以便适量的太阳光得以射进来。就在这里放一个透明清澈而无色的棱镜，把射入的光折射到室内远处，像我前已说过的那样，光在那里将分散成一个长条形的彩色像。然后在离孔约4或5英尺的地方放一个半径约为3英寸的透镜（假定为3英尺望远镜的一个放大镜），所有那些彩色的光都能立刻通过它，并经过它折射后会聚在再相隔约10或12英尺的地方。如果您用一张白纸在那里挡住这会聚的光，那么您将看到那些颜色由于混合而又重新变为白色。但是必须把棱镜和透镜放得平稳，而且把挡光的白纸来回移动，因为用这种移动您不仅可以找到白色在哪个距离处最为完善，而且还可以看到这些颜色如何逐渐会聚而消失在白色之中，然后在它们混合成白色的地方彼此交叉而又重新离散乃至分开，并且保持它们混合以前的那种颜色，只是其排列反了过来。您还可以看到，如果一种颜色在透镜地方被挡掉，白色就会变成其他颜色。因此，要使白色合成得完善，就必须小心不让任何一种颜色落到透镜外面。在关于这实验的附图中，ABC表示放在贴近窗EC上小孔F的地方而底面对着视线的棱镜。它的顶角ABC可能以大约60°为合式；MN表示透镜。它的宽度为2．5英寸或3英寸。SF是由可以认为从太阳连续射来的不同光线所在的许多直线中的一条。FP和FR代表折射不相等的许多光线中的两条，它们经透镜会聚到Q点，而在这里交叉后又重新分开。HI表示各种颜色投射于其上的放在不同距离处的纸张，这些颜色在Q地方合成白色，而在R和r地方为红和黄色，在P和p地方则为蓝和紫色。

要改变任何一种不是组合而成的颜色是不可能的（这是我在第3和第13两个命题中作了断言的）。如果你想对这种不可能性进一步加以检验，就需要把房间弄得很暗，以免任何散射光与这种颜色混合起来，给以干扰和混杂，使它成为复合的东西，这是违背实验的目的的。还必须把各种颜色很好分开，分开得比之上述用单个棱镜折射的方法所能做到的还要完善，而怎样来做到这种进一步的分开，对于能考虑那些已发现的折射定律的人们，并不是什么困难的事。但是如果用没有完全分开的颜色来做试验，那就必须允许有和它混合程度成比例的变化发生。所以，假如混合的黄光落在暗蓝色的颜料上，这种颜料就不会呈现纯黄而多少带有绿色，因为在黄的混合色中有许多绿色光线，而绿色比黄色离开这颜料的普通蓝色较近，所以也被它反射得更多一些。

同样，为了要检验从透过棱镜的其他一些颜色中产生另一种颜色的不可能性，而有意地把任何一种从棱镜中出来的颜色比如说红色挡住，那么就必须或者在红光被挡住之前，把所有的颜色分开得很好，或者必须连同红色把其邻近的、潜藏着一些红色的颜色（这就是黄，也许还有绿）一起挡掉。要不然的话，就必须承认黄绿色中所以有那么多的红色，可能是由于它被发散和散射到这些黄绿色中而与之混合的缘故。假如这些事情都考虑到了，那么红色或任何一种被挡掉的颜色的重新产生将被证明是不可能的。

作为这一类实验的介绍，我想这已经是足够的了。假如皇家学会中哪一位对此感兴趣而来做这样的实验，我将非常高兴听到他的成功如何，但是如果有什么东西看来有缺点或是和我这报告相反，我或许要找另外机会来对这类实验作进一步的说明，并且如果我的确犯了什么错误，我就得承认它。

（王福山等译校）