牛顿色散实验：发现光谱色调，改变对色彩的认识

1665—1666年，英国爆发了鼠疫，著名科学家艾萨克·牛顿离开剑桥大学，回到林肯郡伍尔索普村母亲家中。在这期间，几个月的假期里，他在物理学方面做出了两个重大发现：白光的色散与光谱、地心引力和万有引力。1666年初，牛顿做出了一个划时代的贡献。牛顿认为，色彩是一种“客观”现象，应该将人眼对色彩的视觉感知和人脑对色彩的文化认知放在一边，更专注于研究物理领域的色彩问题。他切割玻璃，并按照自己的想法重新做了棱镜实验。他在实验室里做了一系列色散实验，验证了在普遍的事物中，阳光包含了彩虹中的所有色光，把色彩理论研究转换成在实验室里对光的特质的研究，开启了现代色彩学的研究。

牛顿将房间布置成暗室，只在窗户上挖了一个小孔，让适量的一束阳光照射进房间，光通过小洞并穿过摆置的三角锥形的玻璃棱柱镜，当光线从棱镜一侧进入、另一侧出来时，光线在三棱镜中发生了弯曲，出现折射现象，在另一侧白墙上出现了一条彩色光斑——被分解而成不同颜色的光线集合，即太阳光谱。牛顿通过色散实验发现了白光中存在的所有光谱色调，白光的各种颜色并非平面折射的结果，而是色彩就包含在这白光当中。牛顿认为最重要的是观察光的物理变化，并对这种变化进行描述，尽可能地测量这种变化，如图1-1所示。

图1-1　牛顿色散实验

牛顿的这个实验是以笛卡尔棱镜分解光的实验为基础的，而牛顿比笛卡尔的研究更深入一些。他做了大量棱镜实验后，发现日光通过棱镜后既不会衰减，也不会变暗，而是形成一块面积更大的光斑。在这块光斑中，日光分散成几束单色光，在棱镜的帮助下通过折射作用分解成具有不同光谱色相的光线，其颜色和宽度各不相同，但这些单色光相互之间排列的次序总是相同的，他把这个色彩序列称为光谱（图1-2）。

图1-2　太阳光谱

牛顿在光的色彩分解的一系列实验中，发现并解释了三棱镜并不产生颜色，日光之所以能够被三棱镜分解，是因为构成日光的多个单色光有不同的波长，由于波长的不同，它们的折射率也不同，于是得到红、橙、黄、绿、蓝、青、紫这样一个色彩序列。每一种颜色表示能被人眼辨别具有特定波长的辐射能，也称可见光。如红色是指波长集中在625～740nm的光波色彩。红色色光拥有所有色彩中最长的波长，角度偏折最小；紫色色光有最短的波长，角度偏折最大。对于超过可见光谱两端的红色与紫色区域的红外线和紫外线，人眼看不见，如果要看见它们，必须通过专门的仪器。在牛顿色散实验之前，人们并不知道光谱与颜色的光谱排列顺序。

牛顿利用光线分解成可见光谱的过程，发现了日光是由光谱内的所有色光混合而成的。在他的实验中，不仅可以将日光分解为单色光，还利用第二块棱镜把分解的单色光线又聚合成为白光（图1-3）。色散是复色光分解为单色光而形成光谱的现象，色散实验不仅是光学上的重大突破，使人们明白了光与色的关系，还发现并解释了日光的色散变化并不是一种衰减，而是日光本身就是由不同颜色的光线聚合而成。这是一个意义重大的发现，不仅给人们对日光及其包含的各种色彩进行识别、复制、掌控与测量，也给艺术、光学和色彩等领域带来了重要影响。从此以后，人们开始从更科学的视角探索自然万物的色彩。牛顿通过有三棱镜的色散实验发现了色彩的世界，也改变了人类对色彩的认识。

图1-3　用两块棱镜使光线白光进白光出(www.xing528.com)

2016年4月的某天下午4点，一束固定的斜射阳光透过了玻璃鱼缸，折射到地面上，家里的地板上出现了一条美丽的彩虹——太阳光谱，随着太阳移动与时间推移，它也在地面上缓慢移动，我在不经意间做成了这样一个物理实验，仔细欣赏它，发自内心地喜欢，于是我把油画布放在彩虹上，白色油画布上也呈现了色光，如图1-4所示。

图1-4　家中的彩虹