黄鹏辉的物理博客
物理本质:公理化、数学化和实验

黄鹏辉点评牛顿之十九

发表于 2009-06-16 09:39:26 类别:牛顿点评

13) 发现牛顿环

为了研究薄膜的颜色,牛顿曾经仔细研究过凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。他把曲率半径很大的凸透镜放在平玻璃板上,当用白光照射时,透镜与玻璃平板接触处会出现一组彩色的同心环状条纹。当用某一单色光照射时,则出现一组明暗相间的同心环条纹。

 牛顿环生成装置

 白光生成的牛顿环

 单色光生成的牛顿环

他发现,对于单色光形成的明暗相间的同心环,通过测量同心的半径就可算出凸透镜和平面玻璃板之间对应位置空气层的厚度:对应于亮环的空气层厚度与奇数1357等成比例,对应于暗环的空气层厚度与偶数0246等成比例。对于白光形成的彩色条纹牛顿环,则是颜色和空气层厚度之间存在一定的关系。后来这种现象就被称为牛顿环。

【黄氏点评:】胡克早在1665年就对薄膜彩色作出了波动性的解释,而牛顿则在10年后重新研究薄膜彩色现象,足见胡克对牛顿的影响。我们看到,胡克和牛顿至少有4个研究课题是重合的:天体引力、薄膜彩色、反射望远镜、光的波粒本性,从最后的结果看,胡克除了反射望远镜落后于牛顿外,其他三项都是领先于牛顿的。但是牛顿对每个问题的研究都要比胡克深入。

两人的研究课题高度重合,一方面说明这些问题可能是那个时代的最前沿课题,另一方面也说明牛顿在随时跟踪了解同行们的工作,以获得启发和灵感。

胡克坚持波动说,牛顿坚持粒子说,两人的立场却不同。牛顿研究薄膜彩色很可能是为粒子说寻求证据来反驳胡克的波动说,然而却意外发现“牛顿环”。这提醒我们,如果我们以不同的观点或立场去看待某个现象,哪怕是别人已经研究过的现象,我们也可能会得到不同的结果。

由于牛顿坚持光的微粒说,结果他一直未能对牛顿环作出正确的解释。直到十九世纪初,托马斯杨发展了光的波动说后才认识到牛顿环是一种等厚干涉现象,并利用光的干涉原理解释了这一现象,他还参考牛顿的测量结果计算了不同颜色的光波对应的波长和频率。

【黄氏点评:】光的干涉、衍射、偏振是光的波动性最典型的3种表现。既然牛顿环是一种光的干涉现象,那就应该具有干涉现象所有可能的应用,比如测量光波的波长,精确地测量长度、厚度和角度,检验试件表面的光洁度,研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等等。

终其一生,牛顿在那个时代所接触到的数学、力学问题,好象他都能够解决,似乎没有留下什么遗憾。他在科学上的遗憾主要是光学方面的,他无法在光学中建立象力学基本定律那样的公理体系,他在《光学》一书的最后不得不提出大量的疑问。原因是在光学方面没有一个巨人能够支撑起他,而他自己却因为光的微粒说反而成了一个挡住光学之门的巨人。

(未完待续)

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