解开光谱的奥秘

1665年，由于伦敦发生大规模传染疾病，当时在牛津大学的牛顿也不得不离校回家，就是那一段时间里牛顿发现了光谱的奥秘。后来他做了著名的“判决性实验”，对光谱的形成作出了科学合理的解释，发现“白光是由各种色光混合而成的”这一真理。这项重大的发现，随即被广泛应用于一系列重要的领域中，加速了光学物理研究的发展。

自古以来，人们不断找寻这斑斓世界的绚丽色彩。希腊学者亚里士多德认为，各种不同颜色是由于照射到物体上的亮光和暗光按照不同的比例混合而成的。显然，这种解释并不能让人满意。后来，随着显微镜的发明，人们对光的研究逐渐加深，各种新式的光学元件都被用于观察五花八门的光学现象。凸透镜能将细小的物体放大，凹透镜则可以将大的东西缩小，而三棱镜就更奇妙了，它能将一束阳光折射成一条色带，按照红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列，后来人们称之为“光谱”。

为什么白色的阳光透过三棱镜后会变成七彩色带？当时比较流行的一种说法是，从太阳表面不同点发出的光进入棱镜时的角度各不相同，结果造成三棱镜对这些光线折射的不同，从而形成不同的颜色。

在光学上颇有造诣的科学家牛顿对此深感怀疑。为了判定太阳光谱的形成，他于1665年亲手制作了两个质量很好的光学三棱镜，并精心设计了一个“判决性实验”。

首先，牛顿将房间的百页窗放下，房内顿时暗了下来。百页窗上有一个事先挖好的小洞，外面的阳光透过这个小孔投射在三棱镜上，透过棱镜后，色散成一条彩带投射在牛顿设置的屏幕上。屏幕中间开有一条垂直的的狭缝，牛顿随后将棱镜不断转动，使光谱的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七条色带，依次投射在狭缝上。在屏幕的后面，牛顿又设置了一道三棱镜。这样，七色光依次透过第一道屏幕狭缝，再经过第二道三棱镜，最后投射在第二道屏幕上。这时奇异的现象出现了，第二道屏幕上只出现单一的色光，而不再出现七色光谱。

显然，那种关于光谱形成是由于光在入射时角度不同，而导致棱镜对它的折射不同的说法站不住脚。因为要真是那样的话，各色光从狭缝入射到第二个棱镜时的入射角也不相同，理应由于折射的不同而再一次造成色散形成新的光谱。但实验的结果与此不符。那么，如何正确解释太阳光（白光）通过三棱镜后形成光谱的现象呢？经过一番思考，牛顿得出以下结论：白光是由折射能力各不相同的色光混合而成的。当白光透过棱镜时，由于各种色光的折射能力不同，于是“各奔前程”，造成这些色光彼此远离而形成一条七彩色带，而对于其中一种色光而言，由于它已经是单一成分了，即使再透过棱镜也不会造成色散，而依然“保持本色”，只不过折射得更厉害一些而已。

牛顿的这一发现宣判了旧光学理论的“死刑”。然而，他并没有因此止步，而是回到实验室，又设计了一个“支持性实验”，迎来了新理论的“诞生”。牛顿在这次实验中用一只很大的凸透镜代替了第二个棱镜。结果，经过第一个棱镜色散后的光谱投射到凸透镜上，所有七种颜色的光会聚成一束白光！这个实验雄辩地证实，白光是由这些色光混合而成的。

牛顿终于揭开了光谱的奥秘。在提出白光形成的新理论后，他马上将这一理论运用到望远镜的改进工作上，成功地研制了一种由凹凸透镜组合而成的望远镜，一举消除了当时严重影响观测准确性的色差。牛顿的成功，奠定了现代大型光学天文望远镜的研制基础。