《人类科学技术史-213》十六、十七世纪光学

十六、十七世纪光学
1.光学原理的探讨

（1）莫洛利克

莫洛利克(1494-1575年）生于意大利的墨西拿，曾当过牧师和数学教师，同时也是物理学家和天文学家。他在物理学方面的主要研究工作集中于光学，如光的直线传播，光在平面镜、球面镜、柱面镜和锥面镜上的反射和光的折射等问题。他指出，凸透镜是会聚的，而凹透镜是发散的；光线在通过具有平面平行界面的透明板时，其方向不变，仅平行于其本身有一位移。他还研究了虹，最先指出虹有7种颜色。而在此之前，人们普遍认为虹只有3种颜色。在视觉理论方面，他指出，光线在眼睛的晶状体中折射，就象在透镜中折射一样，并在视网膜上引起视觉。他最早说明了眼睛近视和远视的原因，认为这分别是由于晶状体的曲率过大或不足造成的。

莫洛利克在1567年写了一本书，名为《论光》，但当时未能出版，直到他逝世后30多年，才于1611年问世。

（2）开普勒

开普勒也是当时主要的光学家。在1604年，他凭直觉、但又是最先明确地提出了光度学的基本定律，即照度与离光源的距离的平方成反比。他还通过几何构造正确解释了以前的光学家们曾讨论过的一个问题：为什么太阳光从一个小孔进入暗室时，不论这个孔的形状如何，在屏上形成的图像总是圆的。他以一本书代表发光体，在书和墙之间放置一个中间有一角孔的屏，然后在书的一角系上一根线，再将线穿过角孔拉直至墙壁，线端系一支粉笔。拉直这根线并沿角孔边沿绕转时，粉笔在墙上画出了一个与角孔相似的图形。再将线的另一端依次系在书的其他位置并重复上述过程，结果在墙上画出了许多部分重叠的角孔图形，这些图形构成了一个总的轮廓，呈现出这本书的形状。此外，开普勒还论述了光的折射和视觉理论。

在1611年出版的《屈光学》中，他描述了望远镜的原理，介绍了具有凸透镜目镜的望远镜的结构，提出了近似的折射定律和透镜公式。他对眼睛功能的解释比前人更为准确，如认为视网膜是眼睛接受晶状体所形成的图像的部位，视力是对刺激视网膜的感觉等。

（3）斯涅耳

在开普勒之后，荷兰莱顿大学的数学教授斯涅耳(1591-1626年）取得了一个进展。约在1621年，他通过实验发现了光穿过两种互相接触的媒质的界面时，其穿行路程与两种媒质的折射率之间的关系。但斯涅耳的这一发现当时没有公布。后来，著名荷兰物理学家惠更斯可能看到了斯涅耳的手稿。他在1703年出版的《光的折射》中，提到了斯涅耳的发现。于是，光的折射定律被称为斯涅耳定律。

（4）笛卡尔

1637年，笛卡尔的《屈光学》一书出版。笛卡尔论述了光的传播、反射和折射定律。他认为，光是一种作用或压力，它从发光体经过媒质传到人的眼睛；光是"即时"传播的。他力图从力学上证明反射和折射定律，假定光的本性是一种由发光体产生的推力或运动倾向，它同一个实际运动的物体遵循同样的力学定律，如同一个被击出的小球一样，在碰到坚硬平滑的表面而反射时，其入射角必定等于反射角。他提出，光由媒质中的运动构成，因此，它碰撞在柔软松散的空气微粒上比碰撞在较坚硬紧密的水或玻璃的微粒上更容易减弱，就象一个球在地毯上不如在光滑的桌面上容易滚动一样。在一系列研究的基础上，笛卡尔最先在数学上导出了光的折射定律，这条定律在实验上已由斯涅耳在1621年左右确立。

（5）格里马尔迪

意大利博洛尼亚的格里马尔迪(1618-1663年）是耶稣会学校的教师，讲授哲学和数学，但光学是他的主要研究对象。他发现了光的衍射现象，并对其作了系统的研究，提出衍射的某些规律。

格里马尔迪在做实验时注意到，让日光从一块有划痕的金属板反射到一个屏上，能产生色带。这一发现成为发明反射光栅的先声。根据有划痕的金属板对光的作用，他在一定程度上解释了鸟类羽毛、昆虫翼的闪光颜色的产生。他认为，颜色就是"光的变态"，这种变态也许就在于光的运动类型和速度的变化。当眼睛受到速度不同的光振动的刺激时，就出现了不同的颜色。格里马尔迪还用棱镜得到了太阳的光谱。

格里马尔迪对光所作的实验和思考的成果，在他的主要著作《关于光、色和虹的物理数学研究》中得到了表述。这本书是在他逝世两年后的1665年出版的。

2.光学仪器的发明和改进 （1）望远镜

最早利用透镜的光学性能，是同改善视力的目的联系在一起的。大约在14世纪前，就已有了使用眼镜的记录。14世纪初，威尼斯的眼镜制作业大概已有一定规模。那时，为了防止眼镜制作者用玻璃代替水晶欺骗顾客，还制订了专门的法律。14世纪中叶，戴眼镜已成为上层人士的一种时尚，不少人甚至在请人绘制肖像时都要求画成戴眼镜的。但从使用眼镜到发明望远镜，经过了大约300年的时间。

16世纪后期，意大利学者波塔(1535-1615年）讨论了有关望远镜的原理。在1558年出版的《大自然的魔术》一书中，他提出可以把凸透镜和凹透镜结合起来使用以观察远处和近处的物体。据说，意大利在1590年就已有了望远镜，它由一个凸面物镜和一个凹面目镜组成，但当时可能没有受到特别的注意。

关于望远镜的最早发明者，有种种不同的说法。其中较为普遍的看法是：17世纪初，荷兰制镜工匠汉斯.利帕希偶然地把目光穿过两个透镜观看远处教堂顶上的风标，他惊奇地发现，风标被放大了。于是，他开始制作"远距离观望仪器"。他最初制成的望远镜比较简单，由一个双凸透镜作为物镜和一个双凹透镜作为目镜。1608年10月，荷兰议会审议了利帕希的专利申请。

根据议会的决议，成立了一个专门委员会与利帕希商谈，并探讨是否可将这种仪器改进为可用双眼同时观察。利帕希得到了一笔经费，两个月后制成了一个双筒望远镜。但他未能获得专利权，因为当时还有其他人试图获得这项专利。正是在这时，望远镜在欧洲各国传开了。1609年，在巴黎、法兰克福、米兰、威尼斯和伦敦，都已能买到这种可用来观看远处景物的仪器。

伽利略在1609年听到了有关荷兰人制造出了一种观察远处的物体就象近在眼前一样清楚的仪器的消息。作为杰出的科学家，他敏锐地意识到了这一发明所具有的科学可能性。依靠自己精深的光学知识，他独立地制成了由一个平凸透镜和一个平凹透镜组成的望远镜。这种望远镜本质上是与荷兰望远镜相同的，但比荷兰工匠制作的更好。

望远镜一出现，首先被认为对于军事和航海具有重大意义。但当伽利略用它进行天文观察并获得重大发现之后，望远镜就成了人们认识自然、发展科学的新工具了。

不久，开普勒在1611年出版的《屈光学》中，解释了荷兰望远镜或伽利略望远镜的光学原理，并进一步提出了使用两个双凸透镜的望远镜结构，即后来所称的"开普勒望远镜"。这种望远镜可以获得比荷兰望远镜更宽阔的视野，镜筒也可以更短。他还证明，一个凹透镜和一个凸透镜在适当距离上的组合，能够得到比单用一个凸透镜时更大的图像。这一见解后来导致了远距离照像透镜组合的发明。

开普勒在望远镜光学原理方面很有研究，但他自己没有制作望远镜。第一架被称为"开普勒望远镜"的天文望远镜，大约是在1613-1617年间由耶稣会教士沙伊纳制成的。沙伊纳还发明了在用望远镜作天文观察的时候保护眼睛的方法，即把有色玻璃片安装在透镜前面以减低光的强度。

在此后的时间里，望远镜的结构和性能不断获得改进，尤其是牛顿在1668年超越了折射式望远镜的框框，制成了第一架反射式望远镜。

（2）显微镜

显微镜大约和望远镜产生于同一时期，而且，究竟是谁最先发明了显微镜也是不明确的。很可能显微镜最早也出现于荷兰，是米德尔堡一个名叫扎哈里亚.詹森(1580-1638年）的眼镜工匠制成的。他的显微镜由一个作为物镜的双凸透镜和一个作为目镜的双凹透镜所组成，镜筒长约18英寸(约45厘米），直径约2英寸(约5厘米）。而最先把显微镜用于科学研究的大概也是伽利略。约在1610年，他用显微镜研究了昆虫的运动器官和感觉器官。1614年，他详细描述了显微镜下的苍蝇。

17世纪中叶，英国物理学家罗伯特.胡克(1635-1703)制成了以一个半球形单透镜作为物镜和一个平凸透镜作为目镜的显微镜。这个显微镜有一拉筒，可调节距离。镜筒安装在一个支架上，可以变化角度。为了增加被观察物体的亮度，还使用了一个带球形聚光镜的照明灯。胡克后来出版了一本名为《微观画集》的书，具体地介绍了显微镜及其用途，并描述了自己在显微镜中看到的世界。他画出了雪片的晶体结构、苍蝇的眼睛、蜜蜂的螫刺器官、羽毛的结构、霉菌的形状等许多人们前所不知的东西。他还第一次使用"细胞"这个词来称呼软木的蜂窝状结构。胡克的工作使显微镜迅速流行，促进了人们对微观世界的认识。