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

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——

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——

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。

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。

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。

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。

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——

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。

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——