16-17世纪光学（上）
1.光学发展的技术基础和科学动力
16世纪与17世纪初，由于制镜业的发展，磨制透镜的技术有了显著的提高，这就使近代早期的光学发展具备了最初的技术基础。在此基础上，荷兰光学家詹森(1580-1638年）在十六世纪末发明了第一台显微镜，而荷兰的制镜商利波尔塞在1608年发明了第一架望远镜。
第一代显微镜和第一代望远镜发明之后，其科学价值立即为一些著名科学家所重视。1609年，伽利略得知荷兰发明了望远镜后，他立即意识到这一新的发明对天文观察的重大价值，因此在同年即发明了第一架折射型天文望远镜，并作出了震惊西欧的天文发现，以后他又曾研制过显微镜，并用它观察过昆虫的生理结构。在他的影响下，望远镜和显微镜立即被广泛地运用到天文学和解剖学之中。
在天文学中，由于天文观察的需要，反过来推动了望远镜的光学原理的研究，推动了望远镜的制作技术的革命。近代天文学发展初期的伟大开拓者，如伽利略、开普勒、惠更斯和牛顿等人，都直接研究过望远镜，并由此研究光学。因此，近代初期的许多天文学家，同时也是光学家。
在解剖学中，由于解剖观察的需要，反过来也推动了显微镜的光学原理的研究，推动了显微镜制作技术的革新。17世纪初，由于詹森发明的显微镜的显微倍数大多在10倍以下，且观察到的镜像大多扭曲和模糊，加上色差现象过分严重，因此在解剖学观察中尚未广泛使用显微镜。到了17世纪中期，荷兰一家眼镜店的店员列文虎克(1632-1723年）对显微镜进行了革新，使显微镜的显微倍数扩大到270倍左右。意大利显微解剖学家马尔比基(1628-1694年）则以这种显微镜在17世纪中期奠定了显微解剖学的初步基础。
后来，胡克也曾用他自制的显微镜观察过植物的细胞，并在1665年发表了《显微术》这一有关光学、解剖学和化学的著作。可见，解剖学的需要也是早期光学发展的一大科学动力。
2.光学的早期发展
17世纪初年，开普勒以他的几何学研究为基础，并从革新天文望远镜的实际需要出发，对几何光学现象进行了一些最初的研究。1604年，他发表了一篇几何光学论文，对光的直射现象、反射现象以及视觉现象作了一些初步的理论解释。1611年，他又出版了一部光学著作，对作为望远镜制作原理的几何光学问题作了进一步的理论探讨，在这一著作中，他最先提出了焦点和光轴等最初的几何光学概念。可以说，开普勒是近代几何光学的直接开拓者。
继开普勒之后，荷兰物理学家和数学家斯涅尔(1580-1626年）对几何光学现象进行了较为系统的实验研究与数学分析。他是荷兰莱顿大学的数学教授，他坚信自然现象中存在着数的和谐，并由此推论在光学现象中也存在着数的和谐关系，正是从这一信念出发，他在17世纪初年对人们当时关注的光现象进行了一些实验观测和数学分析，终于在1620年发现了几何光学现象的两条基本定律：反射定律和折射定律。这两条定律的发现，奠定了近代几何光学的初步基础。
在几何光学初步发展的基础上，近代早期的物理光学也随之发展起来。
在早期的物理光学中，人们对于光的物理特征的探讨，主要集中在两个方面：一是光的本性问题，一是光的颜色问题。
17世纪初，居住在荷兰的法国数学家笛卡尔在光的几何特征被初步揭示出来之后，他对物理光学问题进行了初步的探讨。1637年，在他的《方法论》的三个附录之一的《折光》中，论述了物理光学理论。对于光的本性问题，笛卡尔曾提出过两种假说：第一种假说认为，根据光的反射现象推导，光可能是一种类似微粒的性质；第二种假说认为，光是一种以"以太"为媒质的压力(以太，ether，other的变异，意为另外的一种东西，一种说不清的东西）。他的两种假说，其一被奉为后来的微粒说的鼻祖，其二由于含有朦胧的波动观念，则被奉为后来的波动说的先驱。
笛卡尔的关于光的本性的两种假说提出之后，主要以他的微粒说对当时已知的光的反射和折射现象进行了解释。他认为，光线可以发生反射，是因为光微粒碰到反射面之后，遵循一定的力学定律被弹射回来，这样就发生了反射。而光线所以发生反射，是因为光微粒在由一种介质进入另一种介质之后，由于两种介质的不同密度的影响，光微粒再受到另一种密度较大的介质的阻力作用之后，粒子运动相应减速，因此发生了折射。他的光的微粒说提出以后，曾经比他的那种朦胧的波动说产生过更大的影响，而他的那种朦胧的波动说也被一些后继者所重视。
因此，以斯涅尔和笛卡尔两人的光学成果为代表，几何光学和物理光学在17世纪初期均已奠定初步的基础。
3.波动说与微粒说
到了17世纪中期，随着实验光学的发展，几何光学和物理光学都有了进一步的发展。在这一时期，最先推动物理光学发展的是意大利波仑亚大学的数学教授格里马第(1618-1663年）。
1655年，格里马第对物体在光线传播方向上的物影进行了观测。他发现，物影总比假定光线直线传播时应有的大小还要大一些，而且物影的边缘总是模糊的。他由此推想，光可能是一种与水波类似的流体。为了证实这一推想，他进行了一个光学实验，他让一束光穿过一个小孔，然后让穿过小孔的光线照射到暗室的一个屏幕上。结果发现，穿过小孔的光线的光影明显地增宽了。他认为，这种光现象用笛卡尔的微粒说是解释不了的。他把这种光的传播现象与水波的传播现象进一步作了类比，认为它与水波穿过小孔后的衍射现象极为相似。因此，他把他的实验称为衍射实验，并在1660年进一步提出了他的光的波动说，认为光是一种作波浪式传播的流体。
此后不久，英国物理学家胡克重复了格里马第实验，并进行了肥皂泡膜上的颜色观察。他认为，不论是格里马第实验，还是肥皂泡膜上的颜色，都是微粒论无法解释的。因此，他在1665年出版的《显微术》一书中，综合了笛卡尔和格里马第两人的一些看法，提出了光是以太的一种纵向波的假说。运用这种假说，胡克对光的颜色作了解释，认为光的颜色是由光波振动时的不同频率来决定的。
到了60年代中期，牛顿也在光学领域里进行了一些实验。牛顿所进行的第一个著名的实践是三棱镜实验，即光的色散实验。1666年1月，牛顿在家里进行了这一著名的实验，为了进行这一实验，他磨制了一台三棱镜。他把这台三棱镜置于暗室的窗板上的一条细缝的入口处，暗室外的日光即成一束平行的光线通过三棱镜。当日光透过三棱镜被折射后，牛顿惊异地发现，窗户对面的墙上出现了一条按赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序排列的色彩绚丽的光谱。此后不久，牛顿又买了一台三棱镜，当他把第二台三棱镜放在第一台三棱镜折射出的各种单色光的通路上时，各种单色光经第二台棱镜折射之后，又重新聚合在一起，复合成白光折射到屏幕上。为了证实单色光是否还能继续分解，牛顿在屏幕上开了一条窄缝，让被分解后的单色光透过窄缝射到第二台棱镜上，结果证实，这束单色光只发生方向的偏移，而不能继续分解。光的色散实验使牛顿认识到，白光是原来由各种单色光组成的复合光；复合光能分解为单色光，单色光能组合为复合光；单色光不能再继续分解；复合光被分解成单色光之后，形成有序的单色光光谱。牛顿通过光的色散实验提出的这些新的光色理论，是当时在光的颜色理论上的重大进步。
牛顿所进行的第二个著名的光学实验是"牛顿环"实验。他认为胡克的肥皂泡实验的精确度不高，而且泡膜转瞬即逝，不便于观察，于是他又设计了一个被后人称为"牛顿环"的实验。他将一个半球面透镜放在一块平板玻璃上，让其曲面接触平板玻璃，而其平面向上，然后，他让一束光从透镜的平面上方直射下来。这时，他发现，在透镜的曲面与平板玻璃的接触点上，形成了一个很大的暗点，而在暗点的周围，则出现了以这个暗点为圆心的明暗相间的彩色同心圆。在发现这一现象后，他运用白光和色光进行了对比实验。他发现，在白光照射下出现的是明暗相间的彩色同心圆；而色光照射下出现的明暗相间的单色同心圆，这就是"牛顿环"现象的最初发现。
此外，牛顿还进行过其他一些重要的光学实验，如衍射实验、折射实验以及在各种光学实验中的分析对比实验等。牛顿进行大量的光学实验的目的，主要是为了从理论上探索光的各种几何性质和物理性质。
在几何光学中，牛顿通过对光的几何性质的研究，发现有可能研制出一种反射型望远镜并于1668年制出。由于比较粗糙，因此其观测效果尚不如折射型望远镜。后来，他又进一步改革，特别是在磨制出光洁度较好的反射镜之后，终于在1671年研制出了第二台反射望远镜。牛顿即向皇家学会呈交了这台反射型望远镜，并被送到国王查理二世那里，受到了赞许。由于这种新式的望远镜的发明，牛顿在1672年1月11日被选为皇家学会会员。
在物理光学中，牛顿着重研究了光的颜色问题和光的本性问题。通过色散实验和"牛顿环"实验，他认为，各种单色光之所以有不同的颜色，白光经过三棱镜折射后之所以分解为有序的光谱，是因为不同的单色光具有不同的折射率。在各种单色光中，紫色光的折射率最大，而红光的折射率最小，因此它们分居光谱的两端。在经过近六年的理论探索之后，牛顿把他的这一关于光的颜色理论在1672年2月6日写成论文：《关于光和色的新理论》，2月8日，他在皇家学会的周会上宣读了这篇论文，以作为对皇家学会把他吸收为会员的答谢。同月19日，这篇论文发表于由皇家学会秘书欧登堡(1615-1677年）主办的《皇家学会会报》。
牛顿的光色决定于折射率的理论，能比较成功地解释光的色散现象，并进而建立起了最初的光谱理论。可是，对于"牛顿环"中的明暗相间的彩色或单色的同心光圈，牛顿却无法用他的光色理论作出成功的解释。牛顿在其光学实验中发现了"牛顿环"，但却未能从理论上解开"牛顿环"。通过光的色散实验和"牛顿环"实验，牛顿对光的本性问题也进行了探讨。胡克曾较为明确地提出：光是以太的一种纵向波。但牛顿认为光是一种粒子流。后来，牛顿从他的质点力学理论出发，进一步发展了他的光的微粒理论，提出光是一种由极小的微粒形成的粒子流。本来，笛卡尔早在1637年也曾提出过光是一种以太粒子流的假说，可是笛卡尔没有把微粒说系统地用于光的直射、反射、折射的理论解释。而牛顿则运用微粒说，对这些光现象进行了较为成功的理论解释。这样，牛顿也就成了关于光的本性的微粒说的代表人物。
光的微粒说虽然能解释直射、反射、折射这些主要的光现象，可是它在理论上也遇到了困难。如"牛顿环"中的明暗相间的彩色或单色同心光圈、格里马第实验中的光的干涉现象，运用微粒说均无法解释。由于微粒说并不能完全解释当时已知的光现象，这就导致了1678年前后惠更斯的波动说与牛顿的微粒说的论争。
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