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你被这个经典中学物理实验骗了多少年?牛顿的棺材板真的压不住了

科学 中科院物理所

撰文 七君

大家在中学的时候学过,牛顿利用棱镜发现了光的色散,证明白光是由不同颜色的光合成的。为了让同学们加深印象,老师也会用三棱镜做实验。实验器材通常是这样的——

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许多老师会介绍,白光经过三棱镜发生色散变成七色光,画成图是这样的——

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图片来源:wikipedia

老师会继续介绍,七色光若原路返回,就能再次合体成白光。那么怎么原路返回呢?在后面加一个倒转的一模一样的棱镜就可以了嘛。

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许多教科书和教辅中关于牛顿合成白光的错误演示。图片来源:(DOI)10.1119/1.5018680

看起来是不是很熟悉且没毛病?实际上,这套器材和这种解释完全是错误的。牛顿也根本不是这样合成白光的。在国外的知名大学教材以及期刊论文中,这种错误也在不断重复。今天我们就来了解一下,这个经典中学实验到底错在哪里。

事情要从300多年前说起。在牛顿的年代,人们认为白光是某种单色光,其他的光是在白光的基础上产生的。

当时,关于光的颜色的盛行理论是笛卡尔提出的。笛卡尔认为,光的颜色来自于发光体和人眼之间的介质,和光源无关,光的色彩不是光自带的特征。

当时还默默无闻的牛顿并不相信这种说法。牛顿一开始注意到笛卡尔理论的问题是因为观察到了这个现象:把一束圆形的光射到三棱镜上时,三棱镜背后没有出现圆形的图像,而出现了一个长条的光谱。

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我们在中学学过,光从空气射入其他介质后会发生折射,它们的角度满足斯涅尔定律(Snell's law)。在牛顿的时代,斯涅尔定律已经被发现了。

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斯涅尔定律 (Snell's law)。图片来源:Wikipedia

按照折射的原理,以及笛卡尔的理论,圆形光束经过三棱镜后应该形成圆形或椭圆形的光斑,这个长条光谱是无法解释的。因此他认为一定是笛卡尔的理论出错了。

但是,他也不能确信七色光是不是不同的光,因此他又做了另一个实验。在第一个三棱镜后,他加了一片挖了一个小圆洞的纸,利用这个圆洞,他就能捕捉彩色光带中的任意光束。

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灵魂画师牛顿绘制的实验装置。图片来源:(DOI)10.1098/rsta.2014.0213

翻译一下大触牛顿的意思——

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接着,他让不同的色光分别再通过三棱镜折射一次,然后计算不同色光的折射率。通过这个实验,他发现不同色光的折射率不同而且保持恒定,这才让他确信,这些七色光的性质是不同的,因此白光确实不是一种光,而是由不同的光构成的。

但是,在连三棱镜都没有普及的17世纪,这一番推理并不能说服所有人。要证明白光确实由七色光构成,最好的办法就是把七色光合成白光。

牛顿发现,如果在三棱镜后放一个凸透镜,根据凸透镜聚焦的性质,在凸透镜的焦点,所有的光被汇聚在一起。果然,在焦点处,我们又看到了白光。

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不过在非焦点的地方,七色光并没有聚成白光。

为了制造一致的合成白光,在这个基础上,牛顿设计了这个装置——

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