三、光学上的巨大贡献

1667 年初，在英国各地流行的鼠疫已经基本稳定，剑桥大学也复课，牛顿便又回到了三一学院。不久，他得到了选修课研究员的职务。他探索问题的天才头脑，已经在沃尔斯索普的 18 个月里磨炼得更加敏锐。正是这一年半的时间，他为自己以后的毕生工作打下了基础，他未来的成就只是在这基础上修建起的伟大而辉煌的殿宇。

从这时开始，牛顿为他的主要科学研究课题——光学、万有引力、流数术，各花费了大约 10 年功夫。从他回到剑桥到 1678 年期间，他主要从事光

学研究；从 1678 年到 1688 年，他致力于万有引力理论的钻研；从 1688 年到

1700 年，他进一步发展了自己在天文学方面的研究，并完善了他的数学发明

——特别是在微积分学方面。

牛顿回到剑桥之后，如他一贯所为，没有向任何人提起他在家中的发明与发现。他渴望的是更多的工作、更多的研究和实验。在这期间，牛顿表现出他具有的对科学极为认真负责的治学态度和探索精神。他认为，把自己还没有把握的东西公布出来，是不符合科学精神的。

然而，这位青年的才能已经受到了三一学院领导者的赏识。在获得选修课研究员资格后不久，他又被提升为主修课研究员。这样，他就在学院有了自己的一所房子可以专心研究问题；他的薪水也够他的日常生活费用，这样他也不必为经济困难担心了。于是，牛顿开始向更深的科学殿堂前进。

他忙着购置了罗盘、磁铁、棱镜、玻璃以及琢磨玻璃和切割金属的一切工具。不久，他又到伦敦采购了许多必需的设备，尤其是做光学实验的器材。他准备落实自己在家时所考虑的计划，制造一具实用的反射望远镜。

当时的折射望远镜的基本原理是这样的：物体所折射的光线经过透镜（物镜）成像，这个像被第二个小透镜（目镜）放大，人们的眼睛便在目镜后面观测。如果望远镜确实非常完善，那么物镜一定能聚集从被观察物体发出来的光线而使之聚焦，形成清晰的物像。但由于折射望远镜的入射线与镜轴间的角度过大，所以会使成像模糊不清，造成了“球面像差”。这使得早期的折射望远镜上的物镜成像后，被观测物周围就会出现有颜色的花纹，使得观测者感到吃力，严重地影响了观测效果。

牛顿知道，在任何镜面上的反射则不会产生彩色条纹，于是他决定不搞折射望远镜，而根据反射原理制造一架反射望远镜。实际上，牛顿并不是产生这个想法的第一个人。在几年以前，苏格兰人格里高利就装置过制造反射望远镜，但他没有亲自动手制做，而且他也不知道这种反射望远镜的主要优点——没有彩色条纹干扰。

在自己的寓所里，牛顿动手为他的反射望远镜琢磨一个金属的凹面镜。经过许多天的努力，他才磨成了理想中的如调羹那样向内凹的曲面镜。制造这个镜面的材料是牛顿自己用铜、锡和砷混炼而成的合金。他热情地工作着，但最后制成的第一台反射望远镜尺寸却很小，只有 6 英寸长，镜口的直径只

有 1 英寸，然而它却能放大物像 40 倍，它的放大能力可与一架 6 英尺长的折射望远镜相媲美。

牛顿在制造反射望远镜时遇到了一个新问题，那就是目镜的位置应该在何处。格里高利曾建议用两块面对面的凹面镜组装成反射望远镜。这样，从被观测物发出的光线就会由第一块凹镜反射到另一块凹面镜前的焦点上。但

除非观测者的头伸进望远镜的镜筒内，否则是无法看到物体的影像的。按格里高利的意见，可使第二块镜子再次反射光线，并在第一块凹镜上开一个洞，使被反射的光线通过此洞到达焦点上。将目镜安置于此，观测者便能看到影像了。

牛顿认为，这种设想既笨拙而又难于制造，所以他想出了另一个办法：在镜筒旁边钻一个洞，并在镜筒内焦聚处装一个平面镜，使它的位置与入射光线成 45 度角，从而把影像反射出来。于是观测者就能在镜旁光线射出处的目镜去作观测，牛顿是使用这种装置的第一个人。

牛顿制造的反射望远镜虽然还比较粗糙，然而设计思想却是崭新的。在制成望远镜的当天夜晚——一个没有月亮的晴朗夜晚，牛顿就用它去观测天象，结果使他无比激动：他在小小的目镜里看见了耀眼的木星与它的四颗卫星。经过多次观测，他更看见了金星的盈亏现象。尤其令他高兴的是，所有的影像都是清晰明亮的，一点没有受到彩色条纹的干扰。

这台反射望远镜是牛顿在 1668 年制造成功的。后来在 1671 年，他又造

了一台。反射望远镜的发明，使牛顿开始闻名全欧洲。英国皇家学会也于 1672

年 1 月选举牛顿为该会会员。此时，牛顿还不满 30 岁，就已成了知名人士；然而，这在他科学研究的漫长旅程里，仅仅是个开始。

一个月后，牛顿将自己的第一篇正式科学论文《关于光和色的新理论》，提交给皇家学会讨论审查。这篇论文总结了他以往在光学方面的实验和理论，突出了他所发现的光谱现象。这对以后的科学领域产生了巨大的影响，对于物理学、天文学、化学的发展起到了积极地推动作用。正是因为牛顿在光谱学上的开拓性工作，为从 19 世纪后期到现代的原子物理学家认识物质的结构奠定了坚实的基础。

牛顿不仅制造了反射望远镜，而且改进了显微镜，并且提出运用单色光进行观测，这种技术已经被广泛运用到现代的实验室中。

牛顿还对薄膜的透明物质上的颜色（如云母片或肥皂泡上的颜色）作了极为重要的理论研究。他把略微弯曲的凸透镜放在平玻璃板上，发现以这两块玻璃的接触点为圆心的多重同心圆的色圈出现在眼前。这种现象科学上称之为“牛顿环”，它对现代实验室的研究工作仍有着重要的意义。而牛顿用来计算这些光环的方法，至今仍然为科学家们所沿用。

这类现象促使了牛顿对光的本质进行了深入的研究。他提出了光的本质是微粒的见解。关于光的本质是什么这个问题，在牛顿之前，笛卡尔也主张微粒说（但也只是提出了假说，并非以实验为根据），而与牛顿同时代的英国科学家胡克，以及荷兰科学家惠更斯则主张波动说。“微粒说”与“波动说”长时间争论不休。以后的物理学家们又提出了更为完善的“电磁说”与“量子说”。以现代科学的眼光来评价，微粒说确实不很完善；但与现代用量子论解释光的本质，也有着相似之处——都认为光的结构基本上是原子的。同时，牛顿也从来没有自认自己的“微粒说”就是完全正确的，他始终认为，由于实验做得还不够充分，所以自己只不过是对光的本质提出了一些问题，他说过：“我将留给那些认为值得努力去进一步探求的人们自己去思考。”

1704 年，牛顿把自己研究了 30 多年的光学写成了一本关于光学的巨著

《光学或光的反射、折射、弯曲与颜色的论述》。这本书共分三章。第一章，首先列举“公理”与“定义”，然后讨论了一般的折射与反射，太阳光谱与

反射望远镜；第二章，研究了薄膜的颜色，自然界里物体的颜色，光的性质；第三章，介绍了衍射现象，论述了晶体内的双折射，解答了一些一般的自然科学常识问题。

在这本书中，牛顿不仅总结了自己的研究体会，而且讨论到偏振光、电现象等远远超出他所处时代的科学现象；他已经预见到了未来世纪的科学家们以电力解释原子作用的正确途径。所以，一位著名的英国学者说过：“单凭他在光学上的成就，牛顿就已经可以成为科学上的头等人物。”