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光的過去現在與未來:光學簡史

劉珈均
・2015/02/02 ・1674字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

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光學簡史
(圖:維基)

早在我們祖先的祖先還只是個單細胞生物時,就開始利用光的能量生存。人類無時無刻不受光的影響,對光的本質感到好奇,許多的哲學家、科學家也提出了各種假設來描述光的性質,人類對光的了解足跡,引領著文明進程。

到了17世紀,人們對於光的反射、折射等幾何性質已經相當了解,發展出光學儀器。1609年,伽利略使用自己改良的望遠鏡第一次看向夜空,觀測到木星的四大衛星以及月亮的表面坑洞。當時,人們普遍相信光的傳播不需要時間,但 1676 年丹麥天文學家奧勒.羅默(Ole Romer)利用木星遠離地球及接近地球時,木衛一的公轉週期變化測出了光的概略速度,同時證實了光的速度是有限的。

  • 編按:1676 年 12 月 7 日奧勒.羅默(Ole Romer)測定光速的研究發表在《學者期刊》(Journal des sçavans),證實光速是有限的,而非無限。雖然羅默測量出的光速仍不是相當準確,但他是第一個想出如何測量光速的科學家。
source:google doodle
source:google doodle

望遠鏡打開人類的宇宙視野,同時代的虎克(Robert Hooke)則製作了顯微鏡,看到了「細胞」,為後來的微生物學奠下重要基礎;虎克的「死對頭」牛頓使用了稜鏡將光「分離」成不同顏色的色光,發展出光譜概念,光譜於19世紀開始應用在化學元素的發現以及天文學方面,至今仍是各項科學重要的分析工具,牛頓將自己對於光的研究著成了《光學》一書,其中的光微粒在17、18世紀成為了主流理論。在這之前,人們之所以沒有接受光的波動性概念,即是因為沒有確切地發現光的繞射及干涉性質,一直到托馬斯‧楊格(Thomas Young)的雙狹縫實驗才證實了光的波動性,同時測定了不同色光的波長,而光的干涉性質到了現在依然應用在許多高精度的測量上面。

在1865年,馬克士威(James Clerk Maxwell)發表《電磁場的動力學理論》,馬克士威方程組不只成功地用數學表達電磁的性質,更推導出電磁波的速度等同於光速。不過,此時出現了一個問題,所有波動的速度是相對於他們的介質而言,而光的介質為何?當時認為,光的介質是一種未被發現的物體稱為「乙太」,然而1887麥克生-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)發現,即便地球本身正在高速運動,從任何方向測到的光速都是相等的,而這也是愛因斯坦相對論一項重要的基本條件。對於任何觀察者來說,所有的物理定律都是成立的,包含電磁波的速度,既然光速是固定的,意味著時間必須改變,這代表著要放棄「時間是絕對的」概念。

19世紀末,人們開始進行真空管與一連串的放射性實驗,因而發現了許多未知的輻射線,而這些輻射線對於20世紀的原子結構研究相當重要,特別是X射線。倫琴(Wilhelm Röntgen)實驗時無意中發現了X光,並發現它可穿透人體組織,留下骨頭的陰影圖像。但大家對X光的特性仍不甚了解,直至20世紀初,德國物理學家勞厄(Max von Laue)的晶格繞射實驗,確認它是一種波長極短的電磁波,其高穿透性現在仍廣泛用於醫療與探測功能。在勞厄之後,人們可以透過觀察X光通過物體時的繞射圖形推測結構,對生物學、化學等影響重大,例如1953年華生(James Dewey Watson)和克里克(Francis Harry Compton Crick)就是通過X射線繞射方法得到DNA分子的雙螺旋結構。

20世紀之前,人們已經普遍接受用波動的概念描述光的行為,但卻沒辦法解釋金屬被紫外線照射時放出電子的光電效應,一直到1905年愛因斯坦提出光的粒子性才解決這個問題,認為光的能量和它的頻率有關,這個突破性的想法不只解決了光電效應的難題,更催生出了量子理論。而光電效應也大量用於光電二極體、太陽能、雷射等科技上。

光與天文學幾乎密不可分,20世紀初期,人們依據光譜學觀測到了「螺旋星雲」的紅移現象,並且用都卜勒效應解釋這些「星雲」的運動,但當時並沒有辦法知道這些天體的距離,直到哈伯觀測到這些星系上的造父變星的光度變化,估測出了距離,發現距離我們越遠的星系,遠離我們的速度越快,進而推測出宇宙正在膨脹。而到了20世紀中期,藉由電波望遠鏡的發展,也發現了中子星、類星體、宇宙微波背景輻射以及星際間的有機分子,對於宇宙的歷史與結構才能有更深了解。

我們生活在一個離開不了光的世界。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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誰在海邊蓋天文台啊(惱)──世界第一座電波干涉儀
全國大學天文社聯盟
・2022/04/15 ・4114字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 文/玄冥
    曾經做過 Radio Astronomy,現在叛逃去 Structure Formation 了,但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨,澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待,將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前,他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向,但是今天不一樣,他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道,他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術(Radio Interferometry),用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術,如果說大家對電波干涉術不熟悉的話,那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新(圖一)。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術,拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡(EHT)」(圖二)。

圖一:事件視界望遠鏡拍攝之 M87 星系中心的超大質量黑洞。圖/EHT
圖二:事件視界望遠鏡。圖/NRAO

大家聽到「電波干涉儀」時,腦海中浮出的想像,可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上,電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的(圖三),以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術,再介紹兩者結合的原理,一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

圖三:在澳洲 Dover Heights 岸邊的電波干涉儀。圖/CSIRO

什麼是無線電波?

無線電波(Radio wave,簡稱電波)是一種電磁波,它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播,以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段,因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是,相對於可見光波,電波波長更長(約 1 mm 以上),較容易穿過障礙物,讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體(如原恆星)。然而,能穿透障礙物的代價是,在相同的望遠鏡口徑下,電波望遠鏡的「角解析度(Angular resolution)」比較低。

角解析度(或稱角分辨率)是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力,白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑,但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻,如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度,是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話,我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛,才能看得跟現實中一樣清楚。圖/envato elements

光的干涉,相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中,我們將光源對準布幕,並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光,便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋,源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同,因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反,會造成相消干涉而形成暗紋;若抵達布幕時震動方向相同,則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些(見圖四、五)。從實驗設備的上方俯視,藍色的點代表光源,紅色的點則是紙板上的狹縫位置,圖片底端是布幕,白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現,當狹縫間距越遠,布幕上亮紋就越細緻,而從圖五則可以看見,當光源橫向移動時,布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出,越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感,電波作為一種波亦有相同的特性。

圖四(左)、圖五(右):雙狹縫干涉示意圖。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍?

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機,通常會將電波接收器對準海平面,隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器(紅點)跟敵機(藍點)以及海面(黑色區域)的相對位置圖,此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器,其中較短的電波是從敵機直達接收器,而較長的則是經海面反射後抵達接收器,這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

圖六(左)、圖七(右):海岸干涉儀示意圖。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣,對波源的移動非常敏感(圖六),因此可以非常準確的判斷出敵機的位置;而如圖七所示,當電波接收器與海平面之間的高度差愈大,干涉條紋愈細緻,這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上,如果將電波接收器放在濱海的峭壁上,其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器,這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束,許多軍事科技被轉為民用或科研用途,電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說,電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時,因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候,往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度,人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關,卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現,天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈,其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊,這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧!

銀河系和太陽,是天空中兩個最亮的電波源,因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到,較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代,因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位,而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後,澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀,以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度,由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分(約 1/10 度),也得知這個天體的大小在八角分以下。

在美國新墨西哥州的無線電干涉儀:甚大天線陣Very Large Array。圖/Hajor, CC BY-SA 3.0

然而弔詭的是,如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體,這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體!更令人驚訝的是,該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星,於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A(4) 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空,陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下,天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系(5)(圖八、九)。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系,然而在電波望遠鏡下,時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出,噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道,噴流是在星系中心大質量黑洞進食(吸積)時所噴出的強烈電漿流,其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波,從而被電波干涉儀接收。

圖八:由甚大天線陣列(VLA)拍攝之天鵝座A電波星系的電波影像。圖/Mhardcastle, VLA data
圖九:由歐洲南方天文台拍攝之人馬座 A 電波星系,結合可見光與電波的影像。圖/ESO

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈,因此對星系演化有著至關重要的影響,今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷,如今的電波干涉儀,已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉,不再是依託於大海的孤立接收器;干涉儀技術的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往,而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往,人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往,因此當硝煙散去,人們便互相合作,將戰時的科技化作探索太空的利器,揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今,我們擁有更強大的科技,希望人們能夠繼承這份嚮往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

  1. 毀滅與新生:超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
  2. 黑洞甜甜圈之後:宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡!——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
  3. 黑洞攝影怎麼拍?七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  4. 仰望宇宙的好據點,大國爭相來插旗:「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
  5. 太陽升起前,把握最後的永夜!與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
  6. 人類史上首張黑洞近照:這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的? – PanSci 泛科學

參考資料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the SunNature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspotsProceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

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牛頓發現光譜前的那些故事——《全光譜》
商周出版_96
・2022/03/18 ・2487字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/亞當.羅傑斯 
  • 譯者/ 王婉卉

牛頓對色彩與光的瞭解

一六五三到一六五九年間的某個時候,英國格蘭特罕鎮(Grantham)上的一名青少年買了一本小筆記本。這位年輕人(名為艾薩克.牛頓的藥劑師學徒)在筆記本上寫下自己正在學習的科學知識。

他為自己打造了一間小型工作室,放滿儀器設備,在筆記本中描述要如何運用這些儀器進行實驗,並記下自己正在讀的書的一些細節,這本書是約翰.貝特(John Bates)的《自然與藝術之謎》(Mysteries of Nature and Art),內容寫滿了如何打造像是風箏與磨坊等的指示說明。

對牛頓來說,用顏料製作墨水與塗料的配方顯然同樣很實用,因為他也辛勤地抄寫了這些內容。要製造出「海色」,就把藍色的靛藍植物浸泡在水中,再加入銅藍顏料,後者不是藍色的石青,就是綠色的孔雀石。高加索膚色:在塗上一層鉛白的雙頰上,點綴些許紅鉛,陰影處採用燈黑(lamp black)或棕土(umber),若人已經死了,那就把鉛白換成稀釋的黃莓汁液,陰影處改用靛藍。牛頓也曉得,黑與白加在一起就是灰色。

顏色的調和。圖/Pexels

牛頓在一六六一年抵達劍橋,展開大學生涯時,對色彩與光的瞭解可能就僅止於此。在歐洲某些地區,相關知識多為機密,或並未廣為散播。但牛頓開始求學後,讀了笛卡兒(Descartes)的著作,以及羅伯特.波以耳(Robert Boyle)在一六六四年出版的《關於色彩的實驗與思考》(Experiments and Considerations Touching Colors),書中強調,至少在染色與繪畫的過程,誰都可以混合來自三原色的所有色彩。

接著,在一六六五年,由於鼠疫導致每週數千人死亡,劍橋大學取消開課。牛頓於是回到母親在伍爾索普(Woolsthorpe)的娘家,占用一個小房間作為書房,做了幾個書架,就開始進行將定義色彩與光之現代概念的實驗。

最初觀察光的方式

你現在心裡在想,故事終於要談到三稜鏡的實驗了。但你錯了,還早呢。首先,牛頓會把一根粗大的針插進自己的眼睛裡。

他想知道眼睛的運作原理,而且是親身瞭解。於是,從最初使用的手指,再換成黃銅片,他都一一插進自己的眼球與環繞其周圍的眼眶骨之間——我懂你的感受!——然後按壓眼睛,記錄自己看到的結果:「幻象」,他如此寫道。

接著,牛頓更進一步改換成「大眼粗針」,也把它塞進眼球後方。他看到多個圓圈,「持續用大眼粗針的尖端摩擦我的眼睛時,看得最清楚」,不再移動粗針,圓圈就會消失。

牛頓也在自己能忍受的範圍內,盡可能直盯著太陽看,因而發覺盯著太陽後,亮色物體看起來是紅色,暗色物體則偏藍。只有在擔憂可能會對視力造成實際傷害後,他才不再對自己進行實驗,並在暗室中閉關好幾天,直到視力恢復。

六年後,在一七二六年,牛頓告訴助理,只要自己動念想到當時的太陽殘像,他依然看得見那個影像。

牛頓。圖/Pixabay

這些色彩與殘像讓牛頓想知道,腦中看到的色彩與現實世界中的色彩,兩者究竟各占多少。只靠施壓就能看到色彩,也就是當色彩實際上並不「存在」卻能看到,使牛頓得以推測出「神經錯亂與夢境的本質關鍵」,他如此寫道。

牛頓想瞭解光是如何產生色彩的同時,卻也領悟到感知這些色彩是另一項關鍵因素。若要產生色彩,不只光與化學物質得聯手合作,觀者的大腦也得加以配合。

當時牛頓也在讀虎克的作品。羅伯特.虎克(Robert Hooke)為一堆倫敦有錢人擔任「實驗管理負責人」,這些人當時早已開始聚在一起,討論彼此對「實驗哲學」的共同理念。

一六六二年,這群英國人為他們創設的團體取得授權,成立了皇家學會(Royal Society)。三年後,虎克出版了《微物圖誌》(Micrographia),(輔以插圖)詳細描述他透過新發明的精良器材所看到的一切,這個工具就是顯微鏡。

虎克繪製的蝨子與雪花等插圖讓《微物圖誌》大為暢銷,但牛頓認為,虎克針對孔雀羽毛如彩虹般的斑斕色彩以及玻璃薄片的觀察結果,甚至比那些插圖更加重要。就某種程度來說,即使不是經由大氣中水分子折射光所產生的結果,這兩者也是彩虹。這些現象的背後還有更為根本的原理。

好的,現在輪到稜鏡登場了

三稜鏡。圖/Pixabay

在只有一扇窗的書房裡,牛頓關上百葉窗,然後跟法利希一樣,在上面弄出了個小洞,使細長光束能照射進來。他將三稜鏡設置好,讓光在穿透後可以在寬達七公尺房間的另一頭散開成彩虹的各種顏色,他記下看起來是藍色的光線,偏折角度比看起來是紅色的光線要大。

投射距離也導致牛頓看到的色彩散開成橢圓形,而不是緊密相連的圓形,這些有色光束之間的空間大到足以插入另一個稜鏡。

第二個稜鏡折射藍光的角度比紅光要大,但這些光沒有再分離出其他顏色。藍光就是藍光,紅光就是紅光。如果再把另一個稜鏡放置在兩個稜鏡中間,使發散的光束再次聚合,將產生不同的效果。

「多個稜鏡產生的紅光、黃光、綠光、藍光、紫光混雜在一起,就會出現白光。」牛頓意識到,三稜鏡不是藉由改變白光來產生色彩,白光早已透過某種方式,把所有這些色彩混合起來了。

我在此應該要指出,這項實驗聽起來很困難,也確實是如此。我買了幾個品質不錯的三稜鏡(不像我,牛頓那時可沒有亞馬遜網路商店),然後把辦公室的門窗都關起來,就跟牛頓當時做的一樣。

我在百葉窗上拉開一個縫,設法在牆上投射出一道彩虹。但要對齊兩個稜鏡,讓色彩散開來,實在很難辦到。我想,這恐怕一定得有某種天分才做得到。

—摘自《全光譜》,2021 年 12 月,商業周刊