科學史上光概念的發展

視覺概念

早在希臘時代，人們就已經開始在想“ 光是什麼?”，“人是怎麼看到東西的？”等的問題。當時有三種理論來解釋視覺：一是發射說，從人眼發出視線到達物體，畢達哥拉斯、歐幾里得、伯拉圖等都是持這種看法；二是進入說，物體發出影像（eidola）到達人眼，Epicurus ,Lucretius 等人主張這種看法；三是相遇說，人眼和物體各發出某種東西在空中相遇而產生視覺，亞里斯多德就是這麼認為的。一直到了中世紀，阿拉伯的海什木（Alhazen，965-1039）很訝異發現有人因為注視太陽而眼睛受傷，因此用牛眼做了一些研究，人們才明瞭是光進入眼睛產生視覺的。

反射與折射

古希臘人已經使用凹面銅鏡聚焦太陽來取火，玻璃透鏡的使用也很早。歷史上最早在文獻中提到折射的是柏拉圖(Plato, 427-347 B.C.) ，他把物體在水中的折射現象當成是眼睛的錯覺。

把光的研究建立在科學基礎研究上的是歐幾里德(Eucild,300B.C.)。歐幾里德有二本光學著作《光學》(Optics)和《反射學》(Catoptrices)，被認為是最早的光學專著。歐幾里德進行了許多光學實驗，並且應用幾何學方法來加以研究。他研究光的反射定律，即入射角等於反射角，還研究凹面鏡與凸面鏡的反射，並說明當把凹面鏡面對太陽時可以取火，並知道凹面鏡的焦點所在。但是值得注意的是，他是從視線的角度去解釋各種現象的。

阿波尼隆 (Apollonius of Perga,220B.C.)在他的《圓錐曲線論》書中求出了拋物面的焦點。希羅(Hero,150B.C.)也掌握了反射定律，並進一步從“大自然沒有廢物”的原理出發，證明了光在反射時所走的路徑是最短的。

托勒密(Ptolemy,150 A.D.)著有《光學》一書，內容包括了眼睛與光的關係，視覺的條件，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡等各種鏡子的實驗，以及折射的問題。他根據各種鏡子的反射，解釋為什麼太陽和月亮在地平線時看起來比較大。他也嘗試想找出折射定律，他發現小角度的入射角與折射角是成正比的，以及從疏介質到密介質時，折射線是偏向法線的。他是最早從數量的角度來處理折射關係的，他用刻有360度刻度的圓盤量了光從空氣到水、空氣到玻璃、水到玻璃的入射角和折射角，這個測定所得出的折射率相當準確。他還討論到大氣的折射律，並假設空氣和以太的密度是隨著高度而改變。

阿拉伯的海什木 (ibn al-Haytham,965~1040)用解剖學的方法描述了眼睛的構造，是第一個提出視覺是由於有光進入眼睛的人。他出版了《光學》一書對光的反射及折射有很多研究，是第一個提出入射角和反射角在同一平面上的人。他不僅利用平面鏡來成像，還推廣到球形、圓柱形、圓錐形的凹面鏡和凸面鏡。他在書中詳細敘述了像的位置及大小、反射法則、焦點、光線的斂聚等。他用與托勒密裝置相似的裝置做光的折射實驗，認為入射角與折射角的比例關係在大角度的時候不成立，此外他還提出光的逆行定理。他還研究了日蝕時太陽的針孔像，發現當針孔漸漸變大時，太陽的像變得模糊，最後變成圓形。這個針孔的實驗，亞里斯多德早已經做過類似的，他用方形的針孔看太陽時發現太陽的像是圓形的，但是當針孔變大時像就變成方的。阿拉罕的光學研究工作為近代光學奠定了基礎。

中世紀的威提洛(Vitello,1230-1278)發現全反射的現象，促使刻卜勒發現正確的折射定律，此外他認為彩虹的顏色來自水珠的折射與反射。羅傑培根(R. Bacon,1215-1294)受到阿拉罕光學著作的啟發，作了一些光學實驗。在他光學的著作中，以明快的語調闡述光的本質、各種反射與折射的法則、凹面鏡的焦點和球面鏡像差、眼睛的解剖及其生理現象、海市蜃樓現象及彩虹的研究。他還提出可以用透鏡組成望遠鏡和顯微鏡的想法。

文藝復興時代，意大利的 Francesco Maurolico(1494-1577) ，解決了太陽通過方形針孔卻得到圓形像的問題。他認為眼睛的水晶球就像一個雙凸的透鏡並解釋了近視和遠視的成因。認為彩虹的顏色是水珠多重反射所造成的。他的研究一直 到1611年被出版，促使了伽利略發明望遠鏡。伽利略(Galileo Galilei, 1564- 1642)分別在1609年和1624年製作了望遠鏡及顯微鏡。

克卜勒(Kepler,1571-1630)有二本光學的書，1604年《對威提洛的補充》及1611年的《折射學》。他確認入射角等於折射角的規律只有在入射角小於30度時才成立，當入射角超過42度時就發生全反射。對於透鏡的折射現象進行了定量的研究，他不僅解釋了眼睛成像的光路，而且還設計了與伽利略望遠鏡不同的望遠鏡，是由三個凸透鏡組成的，稱為刻卜勒式望遠鏡。

我們現在的幾何光學大致上是與刻卜勒的想法相似的，在他1604年的著作中有如下四點的假定:(1)光具有從光源發射及向遠處流動的性質，(2)任何一點的光的流動是由於無數條直線所造成的，(3)光具有向無窮遠行進的能力，(4)光源所射的線是直的，我們可以稱之為光線。他並提出從點光源發出的光，其強度隨著被照明物體與光源距離平方成反比而減弱的光度定理。但是 Kepler認為顏色是物體的性質，光本身是無色的，直到牛頓，才對顏色的本質有進一步的瞭解。

折射定律的正弦式是笛卡兒(Descartes,1569-1650)在1637年首先提出的，在這之前，斯涅耳(Snell,1591-1626)已從實驗得知光線由空氣進入水中時的路徑和沒有水時的直進路徑比是3:2，這是在1615年發現的，但並未提出來，直到1662年才由弗斯奧發表。但是斯涅耳的折射定律並不是正弦的表示式，而只是其中的一個特例而已。笛卡兒是從粒子論的角度推導這個定律的。他把通過兩個媒質的光看做是飛躍的球，通過界面時就像球突破布時所受的阻力，不過突破之後，速度比以前加快。

對於兩個媒質的界面是球面的情況，惠更斯(Huygens,1629-1695)等人做過研究。把這個結果所推導出來的透鏡公式用代數符號來表示的是哈雷(Halley,1656-1742)，公布於1693年。

色散的現象

彩虹、稜鏡光譜、繞射及薄膜干涉等現象都是被當做顏色現象來處理。

彩虹

色散的現象是從對彩虹的研究開始。亞里斯多德記錄彩虹有紅黃綠藍四種顏色，認為紅色是最純的顏色。對於色的本質，他認為是由亮和暗按各種比例混合而成的。刻卜勒則認為物體的色是根據其透明度和密度的不同，按亮和暗的各種比例混合而成的，當時人們都以為太陽光通過教堂的彩色玻璃窗會變得五顏六色的原理和把白衣服放到染缸裏染色是一樣的意思。中世紀的威提洛(Vitello,1230-1278)認為彩虹的顏色來自水珠的折射與反射，羅傑培根(R.Bacon,1215 -1294)也對彩虹有所研究。1611年斯帕拉特羅的主教多米尼(Antonio de Dominis,1566-1624)用裝滿水的玻璃球再現了虹的現象，以為虹是由反射光中得到，其形成與稜鏡中的形成相似。他在《視線與光線》一書中認為白色光混雜了一些暗黑就會出現中間色。到了文藝復興時代，1635年笛卡兒提出彩虹的第一個定量的理論，但他並沒有解釋彩虹顏色的原因。

稜鏡的光譜

白色光通過稜鏡會產生彩色光帶的現象自中世紀以來就知道了。

1601年義大利傳教士利瑪竇(Matteo Ricci,1552-1610)曾在明朝皇宮用稜鏡做色散的表演，當時不少人為之傾倒。

1648年，馬爾齊(Mapcus Marci,1595-1667)，用稜鏡使日光分散，得到光譜，但是他用亞里斯多德的顏色理論來解釋，認為是稜鏡的折射產生了色，而不是把已存在的色分開來。

虎克(Hooke,1635-1703) 也用稜鏡產生了光譜，當時流行的看法是認為白光是單色光，稜鏡的作用使白光產生出有顏色的光來。

1663年，玻以耳(Boyle,1627-1691)提出，物體的顏色並不是物體本身內在的屬性，而是由光線在被照面上發生的變異所引起的。

1665年夏天，牛頓為避瘟疫而回到故鄉。這18個月期間，牛頓思考與研究了許多物理問題，也做了許多光學實驗，探討光的本質與色光的性質。牛頓作了一系列的三稜鏡實驗，在他的《光學》書裡，至少就有三十幾個與三稜鏡有關的實驗。

光的繞射現象和薄膜干涉現象

1665年，格里馬迪(Grimaldi,1618-1663)發表《帶色的光和虹的物理學》，發現了光的繞射現象和薄膜干涉現象，但是他不能正確的解釋。

1665-1667年間，虎克(Hooke,1635-1703)發表了《顯微術》，描述了薄片所出現的顏色，並以干涉的概念加以解說，他認為顏色與光的本性在於光在介質中小而快的振動，顏色的出現則取決於光的脈衝現象。

1669年，丹麥物理學家巴塞林 (Bartholin,1670)，發現了冰洲石(方解石)的雙折射現象。

法國工程師菲涅耳，從1815年初開始研究光的波動性質，工程師出身的他，製作了很多透鏡，並設計不同的裝置，製造干涉條紋，推導出許多公式去解釋反射、折射、雙折射及偏振現象，由此嘗試去解釋光繞射的現象。

牛頓的光學研究及其成就

牛頓 (Newton,1642-1727)在1661年進入劍橋大學三一學院就讀，在這學生時代他讀過克卜勒在1611年出版的《折射學》，以及他的導師巴羅講授的光學講義。從1663年起他開始自己磨製透鏡並且對望遠鏡的結構和性能感到興趣，這是他從事創造性的光學工作的開始，這時他才21歲。1665-1666年期間，劍橋大學因鼠疫流行而關閉，牛頓回到故鄉住了十八個月，這段時期，是他發明創造的鼎盛年華，微分和積分、萬有引力的思想及稜鏡的分光實驗等都是在這期間完成的。1667年初，牛頓重返劍橋，此後大約十年的時間是牛頓光學研究的主要時期。

牛頓把他的房間弄成暗室，他在窗板上開了一個小洞讓陽光射進來。他用自己磨製的稜鏡使光折射到對面牆上，看到了鮮豔而強烈的彩色光譜。他很驚奇的發現，光譜是長橢圓形而不是預期的圓形。他為了研究這個現象，加了第二個稜鏡，這就是有名的“判決性”實驗。從這個實驗中牛頓觀察到，每一色光從紅到紫單獨通過第二稜鏡時，折射的現象逐漸變大，但顏色卻不會改變。因此牛頓提出，太陽光是由折射能力不同的幾種射線混合而成的，每一種射線都是不能再分解的單純色光。根據這個結論，牛頓又進行了一些實驗，列出了十三條有關光和色的本性的結論。他是第一個科學地解釋了虹的色彩及成因。

由於牛頓在稜鏡光譜的重要發現導致他致力於研究望遠鏡，1668年發明反射式望遠鏡，解決了色像差問題，1671年做了一台更大的在英國皇家學會展示而被選為該會的會員。

1669-1671年牛頓接替他的老師巴羅在劍橋大學盧卡斯講座的職位，講授光學，主要的內容是稜鏡實驗和顏色理論。他講課時，去聽的人屈指可數，聽的懂的人更是鳳毛鱗角，由於缺乏聽眾，只得面對牆壁宣讀講稿。他的《光學講義》在他去世之後被出版，主要的內容都包括在《光學》的第一篇中。

1672年2月，牛頓在皇家學會宣讀他的第一篇光學的正式論文“關於光和顏色的新理論”，不料卻引起和虎克及惠更斯等人對於光的本質的論戰，這場辯論在皇家學會的會議上及《哲學匯刊》的版面上進行了長達四年之久。

1675年牛頓提出光的第二篇論文“薄膜中的光學現象”，也就是我們現在所謂的“牛頓環”。此篇文章成為《光學》第二篇的主要部份。牛頓為解釋色環的周期現象，創造出一個“激發”(fils)理論，他還計算不同色光的激發長度，其數值相當於現在光波長的一半。

1675年，提出“關於解釋光的本性的假設”在與虎克爭論顏色本性的過程中產生的。此篇文章成為<光學>第三篇的主要部份，1679-1687年研究引力牛頓中斷光學的研究達十年，轉而研究引力，1679年虎克任皇家學會秘書。1679年他重新挑起了和牛頓的爭論，這一次爭論的焦點是牛頓一直關心的引力問題，因此牛頓很快中斷光學的研究轉而研究引力，直到1687年《原理》出版。1692年，牛頓的房間因小貓推倒蠟燭而失火，燒毀許多光學文稿，牛頓只得重做光學實驗。1703年虎克去世，次年牛頓當選皇家學會會長，從此連續任該職達二十五年直到他去世。1704年《光學》出版。1717年英文第二版，1721年英文第三版，1730年英文第四版，1727年牛頓去世，生前對第四版做了考訂。

牛頓的《光學》這本書的副標題是「關於光的反射、折射、拐折和顏色的論文」(註：這裡的拐折即現在我們所說的繞射）(A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light)，共分三篇:

第一篇(BOOK I):幾何光學和稜鏡光譜實驗

包括8個定義(definition)、8個公理(Axiom) 及命題(proposition)19個，理論(theor.)11個，問題(prob.)8個，實驗(exper.)33 個

第二篇(BOOK II ):光的薄膜干涉現象

包括命題(proposition)20個，觀察( obs.)37個

第三篇(BOOK III):光的拐折(繞射)及31個疑問

包括觀察(obs.)11 個,疑問(query)31 個

光的本質－粒子說與波動說

微粒說

微粒說的思想來自古希臘的原子論者及畢達哥拉斯學派。他們有人把光看成是射入眼中的微粒，有人認為視覺是從眼睛射出一種射線接觸到物體而形成的。笛卡兒認為宇宙中充滿著微粒子，他認為發光體產生一種壓力，通過空中的物質(以太)傳播到被照射的物體上，傳統的看法把這種觀點稱為波動學說。但是他在解釋光的反射、折射等現象時，卻把光比喻成從球拍上發出的彈性小球，這是微粒說的觀點。笛卡兒是從粒子論的角度推導折射定律的。他把通過兩個媒質的光看做是飛躍的球，通過界面時就像球突破布時所受的阻力，不過突破之後，速度比以前加快。惠更斯和牛頓分別受到這二種觀點的影響，他們都是基於粒子論的自然觀，只是牛頓認為粒子本身是進行位置移動的，而惠更斯則認為粒子的作用是把傳來的振動又傳給其它粒子。

牛頓是在1675年12月《關於解釋光的本性的假設》的論文中提出“光是一群難以想像地細微而迅速運動的大小不同的粒子”，它們被發光體“一個一個地發射出來”。因此牛頓的微粒說也被稱為發射說。牛頓在《光學》中以這一概念為基礎對折射定律的解釋與笛卡兒用彈性小球對折射的解釋類似，二者都得出在光密介質中光速較大的結論。牛頓認為這些光粒子不是連續發射出來的粒子流，而是一種陣發式的簇射。這些陣發式的微粒在周圍的以太介質中激起一種振動，這種振動有時使光粒子被加速，有時使之減速，所以光粒子到達界質界面時有的粒子被反射，有的粒子被折射，折射的粒子由於受到密介質的引力作用而在較密介質中速度加快，因而偏向法線。

波動說

波動說的觀點是由意大利的格里馬迪首先提出來的。1655年他在研究穿過一個小孔的一束光線形成的影像時發現，這一束光在屏上形成的亮點比光走直線應有的亮點要大一些，這個現象就是我們現在所稱的繞射現象。他提出光可以繞過物體就像水波可以繞過障礙物一樣。1665年虎克提出光是一種快速的小振輻的振動，它以“球形脈衝”的形式向四面八方傳播。

荷蘭物理學家惠更斯是集波動說的大成者。他在1678年向法國科學院提交的論文中闡述了他的學說。他認為發光體每一部份都發出一個球面波，這些球面波同步向四周傳播，而由這許多小球面波的前端所連起來的線形成一個大的球面波就是光的波前，也就是我們現在所謂的惠更斯原理。他著眼於聲音和光傳播的相似性，他認為光是藉以太粒子為媒質來傳遞，是縱波。他根據勒瑪測光速的結果，從光速很大的角度推論以太粒子應該非常小而堅實、並且要具有極大的彈力。他在1690年《光學研究》一書中說：「 ........是非常硬的並且富於彈性的物質，例如把用鋼製作的幾個同樣大的球排成一列，當用大小一樣的球碰撞最前面的球時，運動一下子就會傳到最後一個球，並使這個球離開行列。可是，其它的球卻看不到任何運動。而且，碰撞過的球仍原封不動地保持著與其它球的接觸。這就表示出運動的傳播速度是非常大的」。 根據惠更斯的模型，光在較密介質中的速度小於在真空中的速度。

1801年楊(Young,1773-1829)將惠更斯的次波及疊加原理結合牛頓的色散理論和周期性概念，以光和音的類比，提出了干涉原理 (縱波)。1808年，法國科學家馬呂斯(Malus,E.L.,1775-1812)發現了光的偏振現象，偏振是橫波特有的現象，而那時主張光是波動的人都認為光是一種縱波，縱波是不可能有這種現象的，倒是牛頓的微粒說用極性可以來解釋偏振現象。楊氏經過多年的研究，在1817年提出光是橫波的觀點，糾正了自惠更斯以來把光看成和聲波一樣是縱波的傳統見解。楊的這一看法不僅使偏振現象得以合理的解釋，而且也給了菲涅耳很大的啟發。

菲涅耳(Fresnel, 1788 -1827)是十九世紀波動光學集大成者，他從1815年開始研究光學問題，利用楊所提出光是橫波的思想，成功的解釋了光的繞射、干涉和偏振等現象。

光速的測定與波動說的勝利

古希臘時已有對光的傳播速度是有限還是無限的爭論。克卜勒認為光速是無限大的，伽利略(1564-1642)則不認為而且對光速進行實際測量的，但是並沒有成功。1675年勒瑪(Romer,1644 -1710)從木星衛星掩蝕的現象測得光速，換算成現代的數值是193120公里/秒，這是最早認為光速是有限的值。1728年，布拉雷德(Bradley,J.1692-1762)從光行差(parallax)中求出光速，指出光從太陽到地球所需的時間為8分13秒，進一步證實光速是有限的。最早在地面上測光速的是菲佐 (Fizeau,1819-1896)，1849年他用高速旋轉的齒輪和望遠鏡測量光在二地間往返所需的時間，他把裝置分別放在他家屋頂和8633米外的某高地上，得到的光速是每秒3.13x10⁵公里。1871年，傅科(Foucault,1819-1868) 用旋轉多面鏡，只用了20米的距離就完成了測定工作，這個意義是非長重大的。

1851年，菲佐測定流水中之光速，確定光在介質中的速度比真空中慢。1871年傅科用這個裝置測量了各種液體的光速，並得到靜水中的光速比真空中要慢的結果。這個結果符合波動說的見解，為波動說和微粒說一百多年來的爭辯下了判決 。

【相關文章】

1. 邱韻如(2017)：光的干涉繞射實驗教學問題探討，《物理教育學刊》，18(2)，p39~52，2017年12月。

2. 邱韻如(2016)：伊斯蘭黃金時代之光~阿拉伯科學家海什木，《物理教育學刊》，第17 卷第 1 期，p49~53，2016年8月。

3. 邱韻如(2015)：幾何光學三條線？，刊登於《科學月刊》46卷第6期 ，p418~421，2015年6月號(No.546)。

4. 邱韻如(2014)：菲涅耳與光的波動性，刊登於《物理教育學刊》，第15 卷第 1 期，p53~56，2014春季刊。

5. 邱韻如(2011o)：從迷思概念研究的觀點探討中國古籍中的影與像，刊登於《中華科技史學會學刊》，第16期，1~9。

【參考資料】

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2. I.B.Cohen,Newton,Dictionary of Scientific Biography

3. 周岳明，邢峰:牛頓的光學研究與成就，紀念牛頓原理出版三百周年文集，西南交通大學出版社，1987年

4. 王大珩，牛頓及其光學，紀念牛頓原理出版三百周年文集，西南交通大學出版社，1987年

5. 張子文，塔拉，牛頓對色散研究的貢獻，紀念牛頓原理出版三百周年文集，西南交通大學出版社，1987年

6. 大森實，物理學史簡明教程，凡異出版社，1988年

7. 黃湘武 (1970),皮亞傑認知心理學與科學教育,科學教育月刊第37期

8. 潘永祥主編(1984)，自然科學發展簡史，北京大學出版社

9. 林鳳生著：靜電場中的動電性－電學的故事，凡異出版社。

10. Stephen F.,A History of the Sciences,1962,COLLIER BOOKS,N.Y.

11. Max Herzberger(Sep.1966),Optics from Eucild to Huygens,Applied Optics,Vol.5,No.9

12. Whittaker,F.R.S.,A History of the Theories of Aether and Electricity,

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