波粒二象性（4）---牛顿环
牛顿在光学中的一项重要发现就是"牛顿环".这是他在进一步考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩问题时提出来的.
牛顿环实验是这样的：取来两块玻璃体,一块是14英尺望远镜用的平凸镜,另一块是50英尺左右望远镜用的大型双凸透镜.在双凸透镜上放上平凸镜,使其平面向下,当把玻璃体互相压紧时,就会在围绕着接触点的周围出现各种颜色,形成色环.于是这些颜色又在圆环中心相继消失.在压紧玻璃体时,在别的颜色中心最后现出的颜色,初次出现时看起来像是一个从周边到中心几乎均匀的色环,再压紧玻璃体时,这色环会逐渐变宽,直到新的颜色在其中心现出.如此继续下去,第三、第四、第五种以及跟着的别种颜色不断在中心现出,并成为包在最内层颜色外面的一组色环,最后一种颜色是黑点.反之,如果抬起上面的玻璃体,使其离开下面的透镜,色环的直径就会偏小,其周边宽度则增大,直到其颜色陆续到达中心,后来它们的宽度变得相当大,就比以前更容易认出和训别它们的颜色了.
牛顿测量了六个环的半径（在其最亮的部分测量）,发现这样一个规律：亮环半径的平方值是一个由奇数所构成的算术级数,即1、3、5、7、9、11,而暗环半径的平方值是由偶数构成的算术级数,即2、4、6、8、10、12.例凸透镜与平板玻璃在接触点附近的横断面,水平轴画出了用整数平方根标的距离：√1＝1√2＝1.41,√3=1.73,√4=2,√5=2.24等等.在这些距离处,牛顿观察到交替出现的光的极大值和极小值.从图中看到,两玻璃之间的垂直距离是按简单的算术级数,1、2、3、4、5、6……增大的.这样,知道了凸透镜的半径后,就很容易算出暗环和亮环处的空气层厚度,牛顿当时测量的情况是这样的：用垂直入射的光线得到的第一个暗环的最暗部分的空气层厚度为1/189000英寸,将这个厚度的一半乘以级数1、3、5、7、9、11,就可以给出所有亮环的最亮部分的空气层厚度,即为1/178000,3/178000,5/178000,7/178000……它们的算术平均值2/178000,4/178000,6/178000……等则是暗环最暗部分的空气层厚度.
牛顿还用水代替空气,从而观察到色环的半径将减小.他不仅观察了白光的干涉条纹,而且还观察了单色光所呈现的明间相间的干涉条纹.
按理说,牛顿环乃是光的波动性的最好证明之一,可牛顿却不从实际出发,而是从他所信奉的微粒说出发来解释牛顿环的形成.他认为光是一束通过窨高速运动的粒子流,因此为了解释牛顿环的出现,他提出了一个“一阵容易反射,一阵容易透射”的复杂理论.根据这一理论,他认为;“每条光线在通过任何折射面时都要进入某种短暂的状态,这种状态在光线得进过程中每隔一定时间又复原,并在每次复原时倾向于使光线容易透过下一个折射面,在两次复原之间,则容易被下一个折射面的反射.”他还把每次返回和下一次返回之间所经过的距离称为“阵发的间隔”.实际上,牛顿在这里所说的“阵发的间隔”就是波动中所说的“波长”.为什么会这样呢?牛顿却含糊地说：“至于这是什么作用或倾向,它就是光线的圆圈运动或振动,还是介质或别的什么东西的圆圈运动或振动,我这里就不去探讨了.”
因此,牛顿虽然发现了牛顿环,并做了精确的定量测定,可以说已经走到了光的波支说的边缘,但由于过分偏爱他的微粒说,始终无法正确解释这个现象.事实一,这个实验倒可以成为光的波动说的有力证据之一.直到19世纪初,英国科学家托马斯·杨才用光的波动说完满地解释了牛顿环实验.
