为什么牛顿做了牛顿环实验，还是反对波动说？
为什么牛顿做了牛顿环实验，还是反对波动说？
牛顿是物理学史上的巨匠，他提出了万有引力定律和三大运动定律，奠定了经典力学的基础。然而，在光的本性问题上，牛顿却坚持微粒说，反对波动说。这似乎与他所做的牛顿环实验相矛盾，因为这个实验正是波动说的重要证据之一。那么，为什么牛顿做了牛顿环实验，还是反对波动说呢？
光的微粒说和波动说
1675年，牛顿提出，不同的颜色来自不同的粒子激发以太的不同振动模式。这时牛顿的观点结合了光的波动说和微粒说。但是，牛顿后来越来越倾向于微粒说，认为光是一束粒子流，这与直线传播明显一致。
图源网络
衍射和干涉是波的特征现象
衍射是光绕过障碍物或者透过孔隙时发生的偏离直线传播的现象，干涉是光从两个或多个孔隙透过后发生叠加。它们都会导致明暗图纹。
牛顿略加修改地重复了格里马尔迪的衍射实验，坚持用微粒说解释。1675年，为了考察胡克提出的薄膜干涉，他还做了一种薄膜干涉实验，即所谓的牛顿环，将一个凸透镜放在一块玻璃平板上，单色光照射透镜，从透镜反射和从平板上反射的两束光发生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，导致圆环状的干涉图纹，称为等厚干涉。牛顿知道波动说对干涉和衍射的解释，但是他对波动说对直线传播的解释不满意，因此坚持微粒说，压制了波动说。牛顿也知道偏振现象的，将它总结为“每条光线有两个不同侧面”，也就是横向不对称，但是没有从光的本性做任何解释。
19世纪初光的波动说的复兴
到了19世纪初，英国的托马斯•杨(Thomas Young)和法国菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）复兴了光的波动说。1801年，杨提出干涉原理，也就是波可以叠加。初步的思想已经出现在胡克的《显微术》中。杨用干涉原理清楚解释了衍射现象。1815年开始，菲涅尔发表一系列论文，用直接来自光源的光，通过平面镜反射，实现了干涉。他提出的干涉原理基于惠更斯的子波原理：任一点的光波振动是同一时刻传到那一点的光的振动之和，因此初波的传播来自它激发出一系列次波并互相叠加。
杨的双缝干涉实验。图源：维基百科
这个时期，马吕斯（Étienne-Louis Malus）发现光的偏振是光的一个普遍性质，并得到所谓马吕斯定律，即偏振光透过偏振片后，光的强度与原来强度之比等于偏振方向和透光方向的夹角的余弦的平方。在此之前，惠更斯和牛顿都以为偏振只是与双折射相关的现象。布儒斯特发现当自然光的以所谓布儒斯特角入射到界面时，发射光是线偏振光。他还研究了压缩所致双折射，并发现了光弹性效应， 杨和菲涅耳都在波动光学框架中，解释了偏振现象，即光媒介振动的方向就是偏振方向，与光传播的方向垂直。
牛顿的矛盾之处
牛顿的光学工作曾经有一部分发表在1672年的皇家学会杂志上，后来1704年出版了《Opticks（光学）》，全面介绍了他的光学工作。在这本书里，他也讨论了羽毛，特别是孔雀尾的羽毛，指出颜色随着眼睛位置而变，与薄片的行为一样，因此羽毛的颜色也是因为透明部分很薄。
牛顿做了牛顿环实验，却仍然坚持微粒说，这似乎是一个矛盾。但是，从历史的角度来看，这并不奇怪。牛顿的时代，科学方法和哲学思想都与现代科学有很大的不同。牛顿的科学观深受亚里士多德哲学的影响，他认为自然现象应该用简单的、直观的模型来解释。波动说在当时还没有完善的理论基础，而且与牛顿的直观理解相悖。因此，即使牛顿环实验支持波动说，他仍然坚持自己的微粒说。
孔雀羽毛。图源网络
牛顿的这种态度也反映了科学发展的曲折性。科学理论的发展往往不是直线式的，而是充满了曲折和反复。牛顿的坚持微粒说虽然在一定程度上阻碍了波动说的发展，但同时也促进了微粒说的完善和发展。最终，量子力学的诞生解决了光的本性问题，证明光既具有波动性，也具有粒子性，这正是科学发展的魅力所在。
参考文献
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[7] P. Vukusic and J. R. Sambles, Photonic structures in biology, Nature 424, 852-680 (2004).