光路可逆？牛顿到底怎样合成白光

七君

光的色散指的是复色光分解为单色光的现象。光的色散需要有能折射光的介质，介质折射率随光波频率而变。当复色光在介质界面上折射时，介质对不同频率的光有不同的折射率，各色光因所形成的折射角不同而彼此分离。

一个“习惯性”的错误

大家在中学的时候学过，牛顿利用棱镜发现了光的色散，证明白光是由不同颜色的光合成的。为了让同学们加深印象，老师也会用三棱镜做实验，实验器材通常如图1。许多老师会介绍，白光经过三棱镜发生色散变成七色光（图2）。老师会继续介绍，七色光若原路返回，就能再次合成白光。那么怎么原路返回呢？在后面加一个倒转的一模一样的三棱镜就可以了嘛（图3）。

图3看起来是不是很熟悉且没毛病？实际上，这套器材和这种解释完全是错误的。牛顿也根本不是这样合成白光的。在国外的知名大学教材以及期刊论文中，这种错误也在不断重复。现在我们就来了解一下，这个经典中学实验到底错在哪里。

牛顿是怎么合成白光的

事情要从300多年前说起。在牛顿的年代，人们认为白光是某种单色光，其他的光是在白光的基础上产生的。当时，关于光的颜色的盛行理论是笛卡尔提出的。笛卡尔认为，光的颜色来自发光体和人眼之间的介质，和光源无关，光的色彩不是光自带的特征。

当时还默默无闻的牛顿并不相信这种说法。牛顿一开始注意到笛卡尔理论的问题是因为他观察到了这个现象：把一束圆形的光射到三棱镜上时，三棱镜背后没有出现圆形的图像，而出现了一个长条的光谱。

我们在中学学过，光从空气射入其他介质后会发生折射，这是斯涅尔定律。在牛顿的时代，斯涅尔定律已经被发现了。按照光的折射原理以及笛卡尔的理论，圆形光束经过三棱镜后应该形成圆形或椭圆形的光斑，这个长条光谱是无法解释的。因此他认为一定是笛卡尔的理论出错了。

但是，他也不能确信七色光是不是不同的光，因此他又做了另一个实验。在第一个三棱镜后，他加了一片挖了一个小圆洞的纸，利用这个圆洞，他就能捕捉彩色光带中的任意光束（图4就是灵魂画师牛顿绘制的实验装置）。

接着，他让不同的色光分别再通过三棱镜折射一次，然后计算不同色光的折射率。通过这个实验，他发现不同色光的折射率不同而且保持恒定，这才让他确信，这些七色光的性质是不同的，因此白光确实不是一种光，而是由不同的光构成的。

但是，在连三棱镜都没有普及的17世纪，这一番推理并不能说服所有人。要证明白光确实由七色光组成，最好的办法就是把七色光合成白光。牛顿发现，如果在三棱镜后放一个凸透镜，根据凸透镜聚焦的性质，在凸透镜的焦点，所有的光被汇聚在一起。果然，在焦点处，我们又看到了白光，不过在非焦点的地方，七色光并没有聚成白光。为了制造相同的合成白光，在这个基础上，牛顿设计了图5这个装置。

這才是牛顿合成白光的正牌实验装置，发表于他在1704年出版的《光学》中，这也是不少教科书出错的地方了。

剖析“习惯性”错误

那么问题来了，我们在做实验的时候，用两个三棱镜近距离叠在一起时确实出现了白光啊，这又是怎么回事？实际上，麻省理工学院在2013年公布的一期教学视频中也指出了这个问题。如果把两个三棱镜靠得比较近，在肉眼看来，七色光重新合成了白光。但事实上，这是因为两个三棱镜之间的距离比较近，白光色散程度不高。如果把三棱镜之间的距离拉远，就可以明显看到，白光穿过两个三棱镜后，还是色散了（图6）。

如果只用红绿蓝三色光来重复这个实验，效果就更明显了。实际上，按照两个三棱镜的设置，真实的光路如图7。

这个问题曾被少数国内物理教育者指出。2005年，河北大学的物理学者王绍符发表在《物理通报》上的一篇文章就专门批判了双三棱镜合成白光的说法。实际上，虽然在按照教育部2011年修订的《义务教育物理课程标准》编写的《人教版八年级上》中并没有涉及如何用三棱镜合成白光的问题，但是“双三棱镜色散与复合实验”已被编入《中华人民共和国教育行业标准JY/T 0406-2010》。王绍符后来指出，有多家教学仪器厂根据这个标准制作了错误的仪器。

在国外的一些顶级学府的教学资料以及期刊中，这个错误也频繁出现。比如在马里兰大学的在线物理教学资料、印度顶级学府印度理工学院的2012年版的教材中就出现了这个错误。多伦多大学的教学网站上，甚至把这个错误的实验设置归到牛顿头上。在一些学术期刊中这个错误也时不时浮现。这些错误在发稿时还没有更正。这些教材和教师在教授这个知识点的时候，可能受到了“光路可逆”思想的影响，认为被散射的光在通过另一个镜像的三棱镜后，会按镜像的线路合成白光。可是，在双三棱镜的设定中，光路并不可逆啊，老师们。

（本文经授权转载自“把科学带回家”公众号，有删节）