摘要:马克斯·韦伯(Max Weber)在《宗教社会学序言》里说:“唯有西方,科学真正达到了可以被当代公众认可的发展程度。……理性的、系统化的、专业化的科学以及与之配套的训练有素的专业科研人员只有西方具备,从而使科学在西方文化中占据了统治地位。”

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图1.1666年牛顿在自己的出生地伍尔索普庄园做的光学实验中发现了光谱现象


高山仰止——科学革命时代科学先贤的光学探索


郭广林


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马克斯·韦伯(Max Weber)在《宗教社会学序言》里说:“唯有西方,科学真正达到了可以被当代公众认可的发展程度。……理性的、系统化的、专业化的科学以及与之配套的训练有素的专业科研人员只有西方具备,从而使科学在西方文化中占据了统治地位。”【注1

 

从古希腊因理性的觉醒而诞生出哲学,哲学历经两千多的年发展,终于在十七世纪的欧洲,由哲学衍生出决定现代社会命运的现代科学——为探讨事物本质或规律而注重实验的这门学科,也被称为自然哲学。

 

回望光学与摄影的历史发展轨迹,摄影与天文学一直密切相关。从中世纪到文艺复兴时期以暗箱观察太阳,再到伽利略、开普勒、牛顿,他们在天文观测上涉及光学的每一个应用成果,无不把光学上的技术发明都变为推动十九世纪摄影术诞生的科学技术的储备。当代学者斯特凡·休斯(Stefan Hughes)在他的摄影史著作中说:“天体摄影的最早源于1839年路易斯·达盖尔(Louis Daguerre, 1787-1851),它摄影术的发明有着内在的联系,1839年,达盖尔曾有过一次拍摄月球失败的尝试!······在19世纪40年代和50年代早期,正是用达盖尔法获得了第一张成功的天体照片······天体摄影学即将诞生。”【注2

 

终身未娶的伽利略·伽利萊(Galileo Galilei)是在这个地球上第一个将望远镜指向天空的人——借助人类的光学仪器仰望星空的人。

 

在汉斯·李普希申请望远镜专利的第二年,即1609年,伽利略听说了“荷兰式透镜”(Dutch perspective glasses)后,在没看到实物的情况下没几天便设计出了自己的20倍望远镜。伽利略用他的望远镜分辨出月球上的山脉和陨石坑、横跨夜空的银拱、土星环、太阳黑子和木星的四颗卫星。伽利略把这些观察的结果写入了他1610年出版了《星空信使》(Starry Messenge)。

伽利略·伽利莱(Galileo Galilei,1564年2月15日—1642年1月8日), 意大利比萨城人。伟大的物理学家和天文学家Justus_Sustermans_-_Portrait_of_Galileo_Galilei,_1636

 图2.伽利略·伽利莱(Galileo Galilei 1564-1642), 意大利伟大的物理学家和天文学家


伽利略的第一批望远镜中的两个,在佛罗伦萨的伽利略博物馆Two-Galileo-telescopes-Institute-and-Museum-of

图3.伽利略的第一批望远镜中的两个,在佛罗伦萨的伽利略博物馆


伽利略望远镜Galileantelescope_2

图4.伽利略望远镜光学示意图


与伽利略同时代的约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler),因为有幸成为第谷·布拉赫(Tycho Brahe)的学生、助手,在享有到第谷突然去世后留下的大量天文观测数据,使得开普勒在之后的天文研究上成就斐然,得以“天空立法者”的殊荣。在16041017日开普勒第一次亲眼见到几天前有人见过的SN 1604(开普勒超新星)后,开普勒对这颗新星进行了系统观测。尽管作为那个时代的占星家,对新星的出现进行了占星式的解读,但开普勒从对这颗新星的观测与研究使他发现了以前未知的恒星运行特性,并对亚里士多德的“天球的完美无缺”、天空不变的学说予以否定。

 第谷·布拉赫的第1586年肖像jacques_de_gheyn_ii_-_portrait_of_tycho_brahe_astronomer_without_a_hat_-_google_art_project

图5.第谷·布拉赫(Tycho Brahe1546—1601),当开普勒跋涉500公里在1600年2月4日到了布拉格时,这位名声显赫的天文学家——著名的丹麦人热情地欢迎他进入城堡、巨大的橙色胡子几乎被亲切的光芒照亮。第谷的1586年画像。


约翰尼斯·开普勒

图6.约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)1610年


开普勒超新星SN 1604的残迹

图7.开普勒超新星SN 1604的残迹


开普勒折射望远镜示意图

图8.开普勒折射望远镜光学示意图


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图9.开普勒发明的帐篷式暗箱


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图10.开普勒发明的帐篷式暗箱


1604年开普勒还写作了《天文学中的光学》(Astronomiae Pars Optica),这是开普勒光学探索的顶峰、也被称为光学科学的奠基之作,并以此让光学成为了那个世纪科学革命的核心。书中开普勒探讨了光的特性,应用反射和折射来解释天文现象,如天体的大小和日食的性质。在对人的视觉生理(视理论)研究上,开普勒继承了海桑及罗杰·培根的传统理念,首先提出了人眼视网膜成像的结构理论。在伽利略制造出自己的望远镜之后的第二年,即1611年,开普勒在《屈光度》(Dioptrice)上公布了开普勒式望远镜的光学方案。1620年开普勒发明可移动帐篷式暗箱。

 

开普勒对能形成针孔成像的装置发明了“暗箱”(Camera Obscura)这个术语。“Camera Obscura”是两个拉丁语单词:Camera为“拱形房间/房间”、Obscura为“黑暗的”【注3】。因为意大利属阳光充足的地中海气候,利用石头建造的房间往往被建成拱形,为遮蔽过多的阳光窗子开的相对较小,这类房屋稍稍进行遮挡很容易出现针孔成像的效果。所以,相对于现在我们印象中小巧的木质暗箱,原始的暗箱实则就是一栋黑暗的房间。如今,把Camera Obscura这个拉丁词组简化成一个单词Camera,其在英语里变为了照相机之意,而在意大利语里Camera依旧有房间的意思。现在有些中国的翻译不时将“Camera Obscura”这一词组译为“相机暗箱”,其中包括中国摄影家协会下属的中国摄影出版社,也把内奥米·洛森布拉姆的《世界摄影史》里的 “Camera Obscura”大多译为“相机暗箱”【注4】。拉丁语对欧洲各种语言及在学术上的地位都影响至深,一个只懂英文的人去翻译英文的人文学术著作,难免鲁鱼亥豕、帝虎移形。实话实说,本人对外语算是一窍不通,只是依赖翻译软件多读了几篇有关摄影的文章而已,感觉把“Camera Obscura”本意“暗箱”却译成“相机暗箱”实属画蛇添足。在此不揣冒昧、置喙臧否。

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图11.内奥米·罗森布拉姆著《世界摄影史》中译本190页,中国摄影出版社出版


相对于作为“天空立法者”在天体观测、研究上的成就,开普勒在光学上的实践研究是必不可少的辅助性成果,卡尔·萨根(Carl Sagan)描述开普勒为“第一位天体物理学家“【注5】,这一称谓正如开普勒去世前为自己写的墓志铭:

我曾测量头顶的星空,今欲探量渊薮的幽冥。

灵魂归于天空,肉体安息此地。

 

如今,仰望繁星似锦的夜空,当我们把目光投射到SN 1604时,有没有感觉开普勒灵魂正俯视着我们?

 

开普勒是最值得我们敬仰的欧洲近代科学人物之一,作为17世纪科学革命的关键人物,他所创立的开普勒行星运行三定律,成为日后的艾萨克·牛顿(Isaac Newton)推导出万有引力定律最为关键的基础。开普勒的伟大,还表现为他对那个不具备科学意识的现实了解,他深知启蒙民智讲科学行不通,便开创了科幻小说的修辞方法,想以一部《月亮之梦》(Somnium)让不被大众认可的科学真理“从当时狭隘的常识感知与想当然的幻觉中解放出来”【注6】。在几个世纪后,当代作曲家劳丽·斯皮格尔(Laurie Spiegel)根据开普勒的《和谐的世界》(Harmony of the World)创作了一首曲子,被旅行者号(Voyager)携带升空,如今已驶入星际空间,或许有一天这首《世界和谐》将与开普勒新星相伴。

 

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古希腊的第一位哲学家泰勒斯,提问世界的本质是什么?时间过了两千年,在1687年,科学思想激进、终身未娶的艾萨克·牛顿,发表了阐述万有引力定律的《自然哲学的数学原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy)论文。在人类科学史上,17世纪的牛顿竖起了第一座科学的丰碑。尽管万有引力定律远非包罗宇宙万象的确定性理论,但在此后三个多世纪里,它至少是我们人类在力学和天文学方面的基石,形成了涉及现代各类工程学理论的通约性知识。可以说没有万有引力定律,不可能缔造出现代物质文明。

 艾萨克·牛顿的肖像(1642-1727)Sir_Isaac_Newton_(1702年)

图12.1702年艾萨克·牛顿(Sir Isaac Newton1642-1727)


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图13.1668年26岁的牛顿亲自动手研磨透镜制造出他发明的反射望远镜

英国皇家学会收藏


牛顿自己的《自然哲学的数学原理》副本

图14.《自然哲学的数学原理》副本


在牛頓望遠鏡的光路Newtonian_telescope2

图15.牛顿反射望远镜光学示意图


伽利略、开普勒、牛顿本身都是大数学家,设计制造望远镜需要非常强的数学功底,不是普通的算术运算;对他们更为重要的科学探索如观测天体,因为涉及天体运行轨迹的数学模型,所以其首要条件就是数学家。牛顿24岁因疫情休学时开创了微积分,与戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)同为微积分创始人。牛顿于166927岁时荣任剑桥大学“卢卡斯数学教授”职位。


單個透鏡的色差會導致不同波長的光具有不同的焦距

图16.光线通过单片凸透镜发生色差示意图



一個消色差雙合帶來的紅色和藍色光相同的焦點,並且是一個消色差透鏡的最初的例子

图17.光线通过两种不同介质的双合透镜的色差校正示意图

 

做为有着经验主义传统的英国人,注重实验也算牛顿的特征。同样是躲避疫情期间(1666年),牛顿在家乡伍尔索普庄园进行的一系列光学实验中,发现了棱镜可将白光分解为彩色光谱,单色光在经过介质时,无论散射、反射等都不会改变性质。牛顿认为,任何折射望远镜都会有色散现象。1668年牛顿为降低色散,他亲自动手研磨透镜制造出他发明的反射望远镜。

 

之后,英国的律师、发明家切斯特·穆尔·霍尔(Chester Moore Hall)在1730年左右(文献记载没有确切时间)用不同折射率的玻璃研制出了第一枚消色差透镜,并用消色差透镜制造了一架望远镜。

 

牛顿在光学上的另一个理论,他认为光是由微小的粒子组成。作为17世纪科学革命的顶峰式人物,牛顿的科学成就令人高山仰止,对光学牛顿从1660年开始孜孜以求几十年,为现代物理光学奠定的基础。

 

牛顿同时代的苏格兰数学家、天文学家詹姆斯·格雷戈里 James Gregory)在数学上发现了无穷级数表示的三角函数等数学问题。格雷戈里还曾透过鸟的羽毛在看阳光时,发现阳光被分散成彩虹色,这为衍射光栅的研究奠定了基础,1663年格雷戈里发表了《光学进展》(Optimo Promota)。在这部著作里分析了透镜和镜面在不同圆锥截面上光的折射和反射特性,尤其提出了反射望远镜的创新性设计,其中提到对抛物面反射镜(Parabolic mirror)的设计与应用。

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图18.詹姆斯·格雷戈里反射望远镜光学示意图

    

关于抛物面(paraboloidal)型的设计,一定涉及解析几何(Analytic geometry),也被称作“坐标几何”。古希腊和中世纪的学者都曾涉猎抛物线(Parabola)的研究,甚至还有结合光学的研究。在1619年,年仅23岁的勒内·笛卡尔(René Descartes),游历波西米亚期间发明了解析几何,这是崇尚理性主义的笛卡尔不仅有“现代哲学之父”的名誉,还有“解析几何之父”的名望。笛卡尔在光学的透视学 (Dioptrics)研究上,得出折射定律,还在他的气象学里解释了彩虹形成的原理。当然他的最大成就还是哲学上的,传颂了几个世纪的“我思故我在”是他作为理性主义倡导者最响亮的标签。笛卡尔在1637年以法语出版了他的《方法论》,这是想他赋予包括妇孺一切明智的人文章,他希望人们能读懂他的著作、学会独立思考、用各自的理性之光辨别真理。由于教会对伽利略宣扬日心说的判罚,笛卡尔忌惮因自己秉持的科学观点也会受到不公正待遇,使得他把自己的《论世界》雪藏了起来,直到他去世后才得以发表。“论世界”有一个副标题是:“论光”。在此,光的含义不仅是具体的科学研究对象,更涵盖理性与真理的光辉!

 勒内·笛卡尔肖像(1596-1650)_René_Descartes

图19.勒内·笛卡尔(1596-1650)


进入圆形抛物面镜的平行光线会反射到焦点F,反之亦然

图20.进入抛物线根据对称轴旋转得到的抛物面镜的平行光线会反射到焦点F,反之亦然


崇尚理性与发明解析几何之间是相辅相成的关系。“解析几何的重要性在于它建立了几何曲线和代数方程之间的对应关系。这种对应关系使人们有可能将几何学中的问题重新表述为代数中的等价问题,反之亦然。”这种几何曲线与代数方程式的相互转换,对透镜、镜头设计非常实用。

 

根据解析几何的抛物线方程,可以绘出与坐标轴方向平行的不同直线,经抛物不同的点后都聚于抛物线的焦点。拋物面则是拋物线围绕其轴旋转生成的開放表面,将拋物面应用于光学制作出非球面镜,可以克服光线经过球面镜后引起的球差。通过抛物线的原理,人类开发出抛物面作为反射器,由于反射原理的可逆性,让抛物面的应用极其广泛。抛物线天线、手电筒、还有应用负菲涅耳透镜(Fresnel lens)的探照灯、太阳能炉,每届奥运会在希腊的火种采集也使用抛物线镜面。总之,抛物面作为反射器在光学应用很广。

 

在所搜索到的近代光学资料中,格雷戈里是目前最早的一个在光学仪器上将非球面镜应用于光学仪器设计的人,这也是反射望远镜为何被称作格雷戈里望远镜的原因。不过,詹姆斯·格雷戈里对反射式望远镜还是停留在设计描述上。五年后的1668年牛顿自己动手制造反射望远镜时知道抛物线型镜面的特性,但由于磨制镜面的工艺要求高,牛顿最终选择了球面镜。直到十年后的1673年才由与牛顿光学粒子说“唱对台戏”、主张光是一种波的实验科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)制造出具有抛物线镜面的反射望远镜。尽管牛顿一直主张光的微粒子说,对罗伯特·胡克主张的光波说毫不相让,但最终还是在罗伯特·胡克去世后的第二年,1704年才把自己研究几十年的心血《光学》一书出版。

 牛顿的《光学》Opticks

图21.牛顿于1704年出版的《光学》


反射望远镜的发明,预示着天文学研究的新纪元,到18世纪初期大多数天文学家都已使用了反射望远镜。直至当代(光学)大型天文望远镜都是反射望远镜,包括刚刚度过30岁生日的哈勃太空望远镜,也是反射式望远镜。当今,一些大型望远镜更应该叫做远摄照相机,因为它们多被优化为用于摄影而非观测,即便非光学的射电望远镜,都是先获取图像,然后对着图像进行研究。

 

11

 

因为有了光,我们才能在这个地球上生生不息,为了搞清光的本质,这个星球上最聪明的头脑一直接受着光的挑战。光是时空的连接,光既是我们与遥远空间的唯一连接工具;在原子物理与精密测量等方面,光还是唯一可以深入短时区、深入最微观的唯一工具。对光的研究永远不过时,光速没有参照框架,到今天为止我们不理解光,光到底有没有光子,在理论物理是没有定论的。【注7

 

科学史学者戴维·林德伯格(David c. Lindberg)说:“光学,尤其偏向于几何光学方面,是在中世纪到近代早期之间的科学发展中呈现出很高连续性的科学之一。”【注8

 

在一个介绍(希腊化时期、阿拉伯、欧洲)光学先驱的文献里,18世纪前列出了四、五十位,他们在光学研究上都具有传承、连续和开创性。而我们上下“五千年”文明史的华夏,对光学现象的探讨与记录寥寥,相差一千五百年左右的墨子与沈括,其实在时间上都领先西方,但对光学的认识基本停留在感性上。有文献在说到沈括介绍凹凸镜时,以自信的口吻说欧洲直到四百年后才能制造出同样的凹凸镜。至于《梦溪笔谈》里讲的凹凸镜是铜鉴,而四百几年后欧洲那个镜子是什么材质的,我们的文献往往就省略了。事实上从现存的文献上看,自近代开始,欧洲科技发展的速度对泱泱的华夏来说,用个形容词“绝尘而去”。

 

目前我们知道宇宙中行驶最快的莫过光速——三十万千米/秒。已知最早想测量光速的是丹麦科学家奥勒·罗默(Ole Rømer),他在1670年代通过观测木星及卫星断定光是以有限的速度进行传播。

 

荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christianan Huygens)早在1678年提出光的衍射基本理论,光干扰到达的每个点都将成为球面波的源。1818年法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳(Augustin Fresnel) 对惠更斯的光学理论进行了发展和补充,创立了惠更斯—菲涅耳原理Huygens–Fresnel principle),较好地解释了衍射现象,完成了光的波动说的全部理论。

 惠更斯和菲涅耳波衍射1

图22.惠更斯-菲涅耳波衍射


在透镜材料的应用上,前面说的消色差透镜就是在1730年左右开发出的日冕玻璃(Crown glass)与萤石玻璃(flint glass),进行复合而成制造出了消色差透镜。利用光学发明的显微镜与望远镜,应该算人类制造出的最早、最精密、最实用科学仪器。


中国有炼丹术、西方有炼金术。现代化学与中国炼丹术无缘,却萌芽于17世纪西方炼金术。其中英国的炼金术士罗伯特·波义耳(Robert Boyle)在1660年代即发现硝酸银变黑的现象,却认为是由于硝酸银与空气接触的原因。尽管他在当时的化学研究上还不能完全脱离炼金术的思维,但他在1661年出版的《怀疑派化学家》(The Sceptical Chymist)上,主张将化学原理和方法应用于自然界研究和医学研究,对现代实验化学科学起到了里程碑的意义,也被后人称为“化学之父”。

 

尽管在18世纪科学参与工业革命的成果乏善可陈,但由古希腊理性的觉醒、到对事物认识论的方法探求、理性主义与经验主义的博弈,直至17世纪欧洲科学革命的发生,都为18世纪工业革命的发生储备了如何客观看待世界、解决问题的方法论。回顾同时代的中国在做什么?我们的《礼记·中庸》里有句话:知耻近乎勇

 

 上文摘自笔者《摄影术在近代欧洲诞生的必然性》

 

注释:

【注1】《新教伦理与资本主义精神》作者 Max Weber

【注2】《光影捕手》(catchers of the light)作者 Stefan Hughes

【注3】《光学与摄影简史》(A Brief History of Light & Photography)作者 Rick Doble

【注4】《世界摄影史》中译本

【注5】纪录片《宇宙:独自旅行》(Cosmos: A Personal Voyage)。

【注6】《合情合理》(Figuring)作者 Maria Popova

【注7】“新年悟理—2021跨年科学演讲”曹泽则(中科院物理所研究员)。

【注8】《西方科学的起源》作者 David c. Lindberg

 


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