1669年，当牛顿继巴罗成为卢卡斯讲座教授时，他已经完成了三棱镜分光实验，第一架反射望远镜样机也已经制成，具备了相当多的光学知识。于是他也开始讲授光学课，不过听讲的学生似乎不多，他关于光学的早期讲稿保留在剑桥大学档案中。到1672年，当他把三棱镜分光实验和色散理论等内容总结成论文，送交皇家学会发表时，遭到了当时的两大物理权威惠更斯和胡克的强烈反对。牛顿在生气和失望之余，决定暂时不再发表他的任何研究成果。虽然后来在哈雷的劝说下出版了关于力学的《原理》，但是他的光学成就一直没有再发表。
为了避免和胡克等当时的学术权威发生争执，牛顿一直等到在胡克去世1年之后，即1704年才出版《光学》第一版。牛顿去世后，1730年出版了经他生前校订过的《光学》第四版，现在流行的1931年版本就是根据第四版重印的。
牛顿在《光学》中论述了他多年来在光学方面的重要发现和成就，以及他对许多光学现象的看法和疑惑，是光学发展史上的一个阶段性总结。因此，它和《原理》一样成为物理学和科学界的经典著作。但是与《原理》不同，牛顿的《光学》还不能形成完整的科学体系，它还处在创造过程中，这从牛顿在《光学》中列出的大量问题以及后来波动说的发展可以表现出来。
【黄氏点评：】我们可以看到一个多面的牛顿：在科学上执着和坚忍不拔，在人际关系上忍让和怯懦。这种状态确实有可能导致他日后对胡克打击报复。
牛顿的宏观治学方法值得借鉴：在数学和物理方面积累了相当多的知识后，就以一本《自然哲学的数学原理》来做出全面总结。同样，在光学方面积累了相当多的知识后，就以一本《光学》来做出全面总结。这两本书汇集了他在数学、物理和光学三个方面的主要成就。
我这里提到的宏观治学方法，是要与后面牛顿所采用的系统的科研方法做比较，那些方法我称之为微观研究方法。无论是微观研究方法，还是宏观治学方法，牛顿无疑都是后来学者模仿的典范。
爱因斯坦在为《光学》1931年重印本所作的序中说：“幸运的牛顿，快乐的科学童年。有空闲时间和安静条件的人可以通过阅读本书重温伟大牛顿在青年时代经历过的奇妙事件。自然界对他来说是一本公开的书，书上的文字他可以不费力地阅读。他用来使他的经验材料有秩序的那些概念好象是从经验本身自动流出的，这经验就是他象玩具一样排列得整整齐齐的美丽的实验，他并且深情地和详细地描述了这些实验。他把实验家、理论家和机械师兼于一身，并在相当程度上有展览中的艺术家的成分。站在我们面前的他是刚强、坚定和孤独的，他在创造中的乐趣和他的精细入微从每一句话和每一个图形中明显地表现出来。”
“牛顿的时代早已被淡忘了……牛顿的各种发现已进入公认的知识宝库，尽管如此，他的光学著作的这个新版本还是应当受到我们怀着衷心感激的心情去欢迎的，因为只有这本书才能使我们有幸看到这位伟大人物本人的活动。”
【黄氏点评：】爱因斯坦为我们描述了一位优秀物理学家的典型形象：实验家、理论家和机械师兼于一身，刚强、坚定和孤独，以创造为乐，精细入微。这其实也是对爱因斯坦自身的恰当描述，不过与牛顿相比，爱因斯坦在实验家和机械师方面可能略微逊色。
虽然《光学》的地位可能不及《原理》，因为它还没有形成合理的公理体系。但是《光学》也公认为是科学界的经典著作，因为它记录了牛顿在光学方面的几个重大成就，这些成就是后来光学发展的重要基础。比如，三棱镜分光实验是后来夫琅和费、基尔霍夫、本生发展光谱分析学的基础；反射望远镜是现代大型光学天文望远镜的基础；薄膜颜色和牛顿环是后来托马斯杨和菲涅耳等人建立光的波动理论的基础。光的微粒说是后来爱因斯坦建立光量子理论的基础。一本著作能够成为如此之多科学发展的基础，它能不伟大？
与《原理》类似，牛顿在《光学》中也是以8个定义和8个公理开始，然后按顺序阐述他关于光和颜色的主要发现和理论，包括光的反射、折射、透镜成像、眼的作用方式、光谱分解和重新合成、反射望远镜的发明、颜色理论、虹的理论，薄膜颜色的观察，等等。全书也分为三卷。
牛顿在《光学》一开始就宣称：“我这本书的计划不是通过假设来解释光的特性，而是通过推理和实验来提出并证明这些特性。”牛顿虽然说反对假设，但他自己却多次作出假设，比如光的微粒性假设，甚至是光的“猝发”这样难以理解的假设。然而，他要求实验事实必须与假设不矛盾，而且假设是可以被证实的，如果一个假设经不起实验检验，这个假设就要被怀疑。
与《原理》不同的是，实验在《光学》中占有更重要的地位，牛顿在书中描述了对各种光学现象和实验所作的细致观察，以及对观察结果所作的深入分析，他试图建立起一个光学理论，但显然不太成功。他得出的结论还不十分可靠，因为对于光学，他就象是在没有航标的海中航行，没有什么先行者可以学习，他不能站到巨人的肩膀上去。他虽然有很强的分析能力和批判意识，能够认识到什么是可以包括到一个理论中去的，什么是包括不进去的，但是他对所观察到的某些东西也感到为难。比如他偶尔认识到光与波之间有相似之处，但是因为他主张微粒说，结果没有走到光的波动说这条路上来。
牛顿在《光学》中没有提到不同玻璃具有不同折射率，也没有做消去色差的实验，这或许是由于他当时还没有获得不同质玻璃的三棱镜的缘故。
【黄氏点评：】牛顿的光学理论虽然不太成功，但是他在《光学》中所采用的很多光学概念、方法和实验技巧却流传下来了。
与《原理》更加不同的是，牛顿在《光学》书末提出了31个问题（第一版只提出16个问题）。这些问题涉及光的折射、反射，光与真空、重力、天体的关系，太阳光与物质的相互作用，还在多处谈到了光的波动。这些问题涉及物理学的诸多方面，富有启发性，例如：如果光是脉冲，为什么不像声音那样在传播中偏离直线？为什么弱的脉冲比强的脉冲运动快？为什么水比水蒸汽更清晰？为什么煤是黑的，煤烧成的灰反而是白的？
这些问题反映了牛顿具有广博的知识和很强的观察能力，也能够使我们大致了解他的原始思想和工作方法。有人评价这些问题是《光学》中的精华部分。不过这些问题也说明了牛顿光学知识的局限性，他还不能解决这些问题，光学还有待更进一步发展。然而在100多年里，人们盲目迷信牛顿的权威，好象一直没有人去质疑这一点。
【黄氏点评：】数学史上最著名的“希尔伯特23个数学问题”看来是受到了“牛顿光学问题”的启发。这种由一流科学家总结其所在领域“未来发展问题”的方法看来是牛顿首创的，而且也是一种值得任何一个科学研究领域借鉴的方法，比如在物理学、化学、生物医学、社会科学、经济学、教育学、历史学、地理地质学、石油化工、航空航天等等，都可以总结出在某个阶段的“未来发展问题”。而且某个人针对自己的个人规划也可以提出这样的问题清单。例如数学家丘成桐就提出了著名的几何公开问题集，这些问题很有影响，也引起更多其他学者的研究兴趣。
我觉得奇怪的是，“希尔伯特23个数学问题”左右和影响了一个世纪数学的发展方向，但是“牛顿光学问题”却阻碍了一个世纪光学的发展，这种巨大的反差足以令我们醒悟：盲目的崇拜和不道德的学术权威将会付出相应的代价。
(未完待续)
hph2008
欢迎您！黄鹏辉，湖南岳阳人，1991年毕业于上海同济大学物理专业，现住北京。QQ和邮箱644537151@qq.com，QQ群48833545、145324031。业余时间长期坚持研究物理，努力从物理专业的角度分析物理本质，追求客观公正，舍弃情绪化，依靠直觉研究，基于物理学史，用数学、实验和现象说话，重视论文交流。寻找深入交流的同道。先进的科学思想才是国家强盛的基础。
