民眾大舞台——風俗世情

8. 研究折射的人們

　　學過幾何光學的課程， 很多人對光的折射現象有印象，特別是水中的一根木棍好像折斷了。雖然這是再尋常不過的現象， 很多人隻是看看， 並不是看個究竟。古人中隻有一個人例外， 這就是偉大的希臘科學家托勒密。

　　古希臘有兩個托勒密都很有名。一個是著名的君王亞曆山大大帝手下的一名將軍， 這個托勒密攻占了埃及， 並在此建立了亞曆山大城。亞曆山大去世後， 帝國分裂， 托勒密便以亞曆山大城為首都建立了托勒密王朝。這個王朝延續了250 年。在托勒密王朝時期， 科學技術得到了很大的發展。

　　另一個托勒密與那位將軍完全不同， 是公元2 世紀時的一個著名的天文學家， 他總結了希臘關於天文學研究的成果， 建立了以他的名字命名的體係。這個體係以地球為宇宙中心， 各種行星都圍繞著它運轉。

　　托勒密體係的理論在歐洲持續了1 ， 500 年左右， 此後才被哥白尼體係所取代。希臘人對反射現象研究得很好， 他們得到了反射定律， 並把這一定律運用到平麵鏡和球麵鏡的研究上。希臘人甚至用光程最短原理來論證反射定律， 這是很了不起的成果。這顯然是與希臘人精通幾何學有關的。

　　對於折射的研究， 托勒密取得了很好的成績。他用水作為光的媒質， 分別測光的入射角和折射角。這些數據是比較精確的。遺憾的是， 他未能得到正確的折射定律。隻是簡單地認為， “折射角與入射角成正比”， 而這一結論隻適用於入射角較小的時候。

　　當歐洲進入中世紀時， 自然科學的進展很緩慢。甚至對古代科學文化的保存工作也是阿拉伯人承擔的。

　　阿拉伯人了解到希臘的光的反射定律， 他們也研究了托勒密的光學， 並且發現托勒密的結論是錯誤的。遺憾的是，阿拉伯人的研究也未能取得更多的進展。

　　折射定律的確立主要是荷蘭的數學教授斯涅爾。1621

　　年， 斯涅爾發現， 入射角和折射角的餘割之比總保持不變。

　　1638 年， 法國科學家笛卡兒在他的《屈光學》一書中提出了折射定律， 並且采用了現代的形式， 即正弦比。托勒密認為折射角與入射角成正比是不對的， 但距正確的形式隻有一步之遙。這就是， 折射角的正弦值與入射角的正弦值成正比。

　　笛卡兒是從理論上推導得到折射定律， 並未做實驗， 而斯涅爾則不同： 隻做了實驗， 而未從理論上推導。由於笛卡兒發表了《屈光學》， 才使人們真正地認識了折射定律。

　　此後， 法國著名數學家費瑪另辟蹊徑。他從光程最短原理出發， 成功地證明了折射定律。所謂光程最短的意思是， 光從某一介質內的一點到另一介質內的另一點， 所花費的時間是最少的。費瑪論證的意義已超出了光學範圍， 對整個物理學的發展發揮了重要的作用。