科学朝圣 —— 走进牛顿故乡，在“牛顿屋”进行三棱镜色散实验

艾萨克·牛顿既是物理宗师，又是数学大师。牛顿为了解释自然界的物理问题，将物理与数学结合起来，完美地解释了世界的规律。牛顿在科学上的贡献，对于人类文明的推动作用，可以说前无古人。他在力学方面提出了牛顿运动定律和万有引力；在热学方面发现冷却定律，在光学方面发现了光的色散和发明反射式望远镜；在数学方面包括微积分、几何、代数、计算数学等也有巨大的贡献。

今天介绍他在光学方面的贡献之一，利用三棱镜，发现白光可以分解为不同颜色的光，光色散的实验。

一、牛顿的出生地

牛顿出生在伍尔索普庄园，地址是Water Lane，Woolstorpe by Colsterworth，格兰瑟姆，林肯郡，NG33 5P

随着冠状病毒在全球范围内传播，大多数人都经历了一种新常态，从处于封锁状态的国家到实行保持社交距离。牛顿1665年在剑桥的情况与今天的社会有着惊人的相似，1665年的腺鼠疫“大瘟疫”是自 1348 年黑死病以来英格兰爆发的最严重的瘟疫，它迅速传遍了整个英国，仅伦敦就失去了大约 15% 的人口。像许多城镇居民一样，牛顿撤退到相对安全的乡村。从 1665 年夏天到 1667 年春天，牛顿为了躲避影响剑桥的瘟疫，二次回到了伍尔索普庄园长期居住。在这一段时期，牛顿自己回忆说“For in those days I was in the prime of my age for invention & minded Mathematics & Philosophy more than at any time since（这一个阶段是我处于发明、数学和哲学的巅峰时期，超过任何时期）”。这段时间内，牛顿有时间来发展他的微积分、光学以及运动和万有引力定律的理论，牛顿痴迷地工作以加深他对光的理解，借助三棱镜（这一段历史细节不清楚，有说法是他自己加工的三棱镜，但是在他做实验的房间里，没有看到相关的磨制光学表面的设备，也没有说明棱镜的来历）完成了著名的实验。牛顿就在图1圆圈标注朝南的木制百叶窗上钻了一个小洞，这样只有极细的光线才能进入黑暗的房间。牛顿首次在世界上发现光通过棱镜产生了色散。图2是后来的的艺术家根据当年情景的绘画：

图2 牛顿当年三棱镜试验现场绘画

牛顿在这一时期完成了很多工作，例如苹果树的启发发现了万有引力、数学等等，这一阶段被称为牛顿的“奇迹年 1665-1667（Year of Wonders 1665-1667）”，做三棱镜实验的房间被大家亲切地称为牛顿屋（Newton’s chamber）。牛顿本人确实讲述过：当他看到一个苹果从他房间窗外的树上掉下来时，他质疑为什么它会直接掉到地上？但是坐在苹果树下被落下来的苹果砸中头部思考出万有引力可能是后人杜撰出来的故事。

二、牛顿的三棱镜实验

牛顿三棱镜实验是牛顿在光学上的重要发现，实验现象证明了白光不是一种纯的没有其他颜色的光，而是由不同颜色的单色光组成的，该实验被选为“世界十大物理实验”之一，色散如图3 所示：

图3 著名的三棱镜实验

在这个实验中牛顿发现阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色混合而成（关于颜色的分类，当时牛顿很是纠结，有非常有趣的故事，由于篇幅的原因，感兴趣的读者可以自行搜索寻找）。

由牛顿色散实验结果可知白光是由多种颜色的光组成的，这就是现代光谱学的基础。在这个基础上英国学者汤玛士‧杨格和德国学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹继续深入对颜色的研究，确立了光的三原色理论，对现代生活产生了巨大的影响。

牛顿三棱镜实验在中学物理教科书中有介绍，在本科的物理教学和基础物理实验课程中都是重要的内容之一。这是一个非常经典的实验，如何在高速科技发展下进一步提升这个实验，并且赋予它新的生命力是我们科普工作者的工作之一，锐光凯奇按照“如何使用现代科技手段重构经典实验”和“演示实验走入课堂”的理念推出了一款牛顿三棱镜实验，如图4：

图4 牛顿三棱镜实验

在图4的牛顿三棱镜实验中，除了看到光谱色散的现象外，还可以看到光的颜色对应的光谱，感兴趣的朋友可以一起讨论这个基础实验。

三、科学朝圣

5月22日，我们开启了牛顿故乡科学朝圣活动，大家开玩笑地说这是锐光凯奇英国团建活动日，人员除作者之外还有在两名锐光国际实验室培训过一年的研究生，和一位在伯明翰大学读书的研究生，一共四人小分队，图5：

图5 科学朝圣团队在牛顿故乡合影留念

令人非常惊讶的是牛顿庄园的工作人员居然同意了我们在牛顿做三棱镜色散实验的卧室里现场重复实验的请求，虽然事先策划希望可以在现场做这个实验，但是也做好了被拒绝（说“No”）的准备，真是喜出望外，于是立即开始使用图4的设备进行实验，图6：

图6 在牛顿做三棱镜色散实验的卧室里现场重复三棱镜实验。

实验过程中工作人员还为我们拍照说要传给总部做宣传使用。视频1是现场的情况：

图7是“朝圣”小分队在牛顿屋里合影

其余三人也使用简单的方法进行了三棱镜实验。视频2：

四、科学朝圣花絮 在牛顿树下活动了很长时间，图8是作者本人在吃（真的）牛顿树下捡的落下来的苹果：图8 牛顿树下吃牛顿树上结的苹果图9是研究生在树下拍照：图9 树下拍照牛顿庄园里还有一个科技馆，游客可以动手体验各种各样的实验。视频3是仇浩同学在做薄膜干涉的实验：

视频3 仇浩同学在牛顿科技馆体验薄膜干涉

不知不觉在庄园几个小时就过去了，大家一起在庄园里的小咖啡馆里吃三明治代替午餐，图10：食物真的是不敢恭维，但依然是一次开心的聚会。一天的活动结束，到了大家分别的时刻，合影留念定格在2022年10月22日：

到此科学朝圣活动结束！