北京
在牛顿的全部著作中，有一本书格外特别——它不是更著名的《自然哲学之数学原理》，而是《光学》。这是牛顿唯一一部亲自操刀修订、亲笔批注、亲手张罗出版的著作。
1704年出版的《光学》第一版，现存于伦敦科学博物馆。
从初版到多次再版，他不断修改补充，甚至在自己的藏书上密密麻麻写下更正意见，力求每一个词语、每一条实验都精准无误。相比《原理》的抽象数理，《光学》更像是一部“实验札记”。
艾萨克·牛顿
《光学》第一版，1704年
它以清晰的语言讲述光的折射、反射、色散与“微粒说”，展现牛顿思维的另一面：严谨之中带着想象，演绎之外不乏探索。
今天，让我们一起走进这部牛顿最为亲近、最能代表他思想全貌的作品。
01
爱因斯坦作序推荐
你也能再现牛顿经历的奇妙事件
爱因斯坦在为1931年重印的《光学》所作的序言中，以极富诗意的语言描绘了牛顿早年科学探索的奇迹。
图｜爱因斯坦
他提到，牛顿是个幸运的人，他的科学童年充满宁静与创造。当我们阅读《光学》时，就仿佛亲历牛顿年轻时代的那一连串奇妙发现。
他眼中的自然世界是一部清晰可读的书，而他有着非凡的能力，能从经验和实验中“读出”深邃的科学规律。他不仅像一个小孩玩耍般安排实验，更用艺术家的笔触细致地记录它们。
1642年12月，牛顿出生于英格兰林肯郡伍尔索普。图｜牛顿出生的房子。
在这本书中，牛顿化身为实验家、理论家、工匠和艺术家。他描述了光的反射、折射、透镜成像，解开了色彩的秘密，发明了反射望远镜，还为彩虹现象提供了理论解释。他对薄膜颜色的研究甚至成为100多年后托马斯·杨波动理论的起点。
图｜剑桥大学植物园中的苹果树，通过嫁接技术繁殖自牛顿故乡的原版苹果树。
苹果公司（Apple Inc.）最早的标志是牛顿和他的苹果树。
牛顿的时代和争论已经过去，但这本《光学》如一座灯塔，依旧照亮我们认知自然的路径。读这本书，就是走进牛顿的思维世界，感受他创造的乐趣与力量。今天读《光学》，不是单纯地翻阅一部科学著作，更像是一次穿越时空的旅行，让我们得以亲历牛顿在青年时期的科学探险之旅。
02
从棱镜到望远镜
牛顿是怎样“看见”光的
牛顿对光的兴趣并非始于某种高深的哲学理念，而是源于一种朴素却强烈的好奇。他在剑桥大学求学时接触了许多关于视觉与光学的著作，比如开普勒关于屈光的研究、笛卡儿对颜色的猜想、以及胡克在《显微图志》中描述的薄膜颜色现象。这些作品点燃了他对光的关注，也为他后来的实验提供了理论触发点。
图/开普勒、笛卡儿、胡克
1666年，年仅23岁的牛顿在家乡避疫期间进行了一项如今广为人知的实验：他在一间暗室中开一个小孔，让太阳光射入，并用一块玻璃棱镜将光折射到墙上。
他看到一道被分解成彩虹色的长条光谱，这一观察让他产生了一个惊人的想法——白光并不是纯净的，而是由多种不同颜色的光组成。
进一步实验让他确定，不同颜色的光具有不同的折射性，而这一物理属性与颜色本身一一对应，不可互相转化。
牛顿发现，棱镜可将白光发散为彩色光谱
这项发现是革命性的。他不仅挑战了亚里士多德以来的“颜色是物体属性”的观念，也否定了颜色是由光在介质中“发生某种变化”所产生的主流解释。牛顿指出：颜色是光本身固有的特性，而不是通过与空气、水或玻璃发生“染色”而来。
他将这些实验成果写成论文，发表于1672年英国皇家学会的《哲学汇刊》。但正当他意气风发时，却遭遇了来自胡克等人的强烈质疑。这场争论让牛顿对公开发表科学研究感到深深的疲惫，甚至一度表示希望永远远离哲学事务。
不过，在那之前，他已不仅在理论上有所突破，在器械发明上也留下了重要成果。由于认识到透镜存在不可消除的色差，牛顿转而设计了一种新的反射望远镜。这种望远镜利用凹面反射镜代替透镜，从而避免了光在穿越玻璃时的色散。他亲手制作了样品，并将其送往皇家学会，获得了极高的评价。
牛顿1672年使用的6英寸反射望远镜复制品。
这一发明不但展示了牛顿超群的实验与工艺能力，也成为后世天文观测仪器发展的基础。
03
从被冷落到复兴
《光学》的命运与牛顿的“误判”
《光学》并不是牛顿最早被传诵的作品。一个世纪以前，人们谈论牛顿，首先想到的是他那部被奉为自然科学典范的《自然哲学之数学原理》。
在那里，他用万有引力和三大运动定律为世界描绘了一幅看似终极的力学图景，当时的物理学界往往将这部作品视为科学方法的顶峰，几乎可以解释自然界一切现象。
牛顿自用的《自然哲学的数学原理》副本，并带有为第2版所作的修正。
相比之下，《光学》反而显得不那么受待见。在19世纪的语境中，牛顿对光的‘微粒说’被看作是一种过时的观点，与当时已被广泛接受的‘波动说’形成对立。这使得他的光的微粒说理论一度被边缘化，成为只有科学史家愿意关注的旧物。那时的人们无法预料，这本书在20世纪会被重新挖掘出前所未有的价值。
真正的转机出现在20世纪初。当爱因斯坦在1905年提出“光量子”理论，用以解释光电效应时，人们惊讶地发现：光在某些实验中必须被视作具有粒子性的量子。这一观点的进一步实验支持来自康普顿效应，它清晰地表明当光子与电子碰撞时，其波长变化规律严格遵循动量-能量守恒，如同经典粒子间的碰撞。这意味着，光既可表现为波，也可表现为粒子——两种看似矛盾的特性，最终统一为现代物理的波粒二象性核心概念。
光的波粒二象性可以简单地理解为：从不同角度观察和观测光，可以看到两种迥然不同的图样。图｜光的波粒二象性和双缝干涉实验示意图。
这场科学的逆转，也改变了人们对牛顿《光学》的态度。过去被视为“落伍”的微粒说，如今被证明有其不可替代的解释力。而牛顿在《光学》中对波动与微粒的混合性思考，不再是错误的拼贴，而被重新理解为一种近乎“预言式”的天才直觉。
04
宇宙中的光，光中的哲学
一场未竟的思想探险
如果说《光学》的前半部分还停留在可观察、可验证的实验范围，那么书中后半部分，尤其是那些被称作“疑问”的段落，则向我们展示了一个思想家在已知与未知之间的踟蹰与飞跃。
牛顿曾尝试通过“以太”来解释光的传播与引力的机制。在他看来，这种无处不在但极度稀薄的物质，是连接光、热与化学作用的桥梁。他一度设想，光线在进入不同密度的以太层时，其轨迹就会发生偏折，仿佛在穿越看不见的弯曲介质。
他甚至还设想，物体相互趋近可能正是由于以太密度的梯度而产生的“推力”，这种想法后来被部分现代物理理论重新唤起，尽管在牛顿之后它曾一度被放弃。但牛顿本人终究没有将这些假设发展为完整的理论。
1881年-1884年，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验。
实验结果显示，不同方向上的光速没有差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，以太其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。
在晚年，牛顿愈发坚定地走向“微粒说”。他以一种近乎哲学化的语气，称光线为“坚实、不可穿透的小体”，并认为这些微粒在反射、折射中展现出实质性的行为，甚至尝试用微粒说解释衍射现象。
图｜威斯敏斯特教堂内的牛顿之墓
《光学》之所以如此珍贵，不仅因为其科学上的贡献，还因为它是牛顿唯一一本由他亲自编辑、修订并监督出版的自然哲学著作。它不是一套封闭完美的体系，而是一部开放的工作笔记，一场未竟的思想探险，留下许多问题等待后人继续解答。
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观点资料来源：《牛顿光学》
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