笛卡尔文集_五、光学论

五、光学论

引言

本文试图解释光线如何进入眼睛，以及遇到各种物体时如何发生转向--即折射现象。并通过实验对折射进行观察与测量。在此基础上论述了感觉的一般性质，尤其是视觉的成像过程。

第一讲

光我们在生活中的行为完全取决于感觉。视觉是所有感觉中最主要的和最详尽的，毫无疑问，增强视觉能力的许多发明在所有发明中是最有价值的。而在增强视觉的发明中又以奇妙的望远镜为最有价值，我们很难找到还有比其更有用处的发明。虽然望远镜的应用只有较短的一段时间，但却已经发现了比我们以前的总和还要多的新星和其它天体。我们视觉所及比我们祖先通常所能想象到的还要深远得多。望远镜的发明似乎已经为我们开辟了一条途径，使我们能够获得比祖先更多、更完整的自然知识……一些复杂的发明尚未立即达到最完美的程度，使我仍能产生足够的疑问去论述。由于所述发明物的制造取决于技工的技术，而那些技工通常没有受到正规的教育，所以我要力争采用其它各方面的科学知识，使每个人了解我，尽量不疏忽某些事情。因此，我将从解释光和光线开始，然后简述一下眼睛的结构，详细论述视觉的产生；注意到所有东西都能使我们产生较完美的视觉，我将解释一下如何借助所谈到的发明做到这一点。

这里我论述光的惟一理由，是想解释光线如何进入眼睛，光线遇到各种物体时如何发生转向。我并不想去说明光的本质是什么。我觉得如果使用两三个比喻的话，会更易于理解光这一概念，这对于解释光的属性是最适合的。通过实验我们可以知道它的某些属性，然后用以推断其它那些不易观察到的属性。这里我在效仿天文学，天文学的假设几乎都是错误的或不确定的，但却得出了许多非常正确和确定的结果，这都与大量的观察有关。大家肯定有这样的经历，在夜间没有灯的情况下走在不平坦的路上，很有必要使用一根小树枝来探路。大家可能注意到，通过这根小树枝，便能够弄清楚前面是否有树、石头、沙子、水、草、泥土或其它什么东西。确实，这种感觉对于那些没有长期经验的人来说是有点迷惑和难懂。但是那些一生下来就看不见的人，他们在整个一生中都是使用这种感觉。有人声称他们能够用手看或者其手中的小树枝能给予他们取代视觉的第六感觉。考虑一下这些情况就能发现，感觉是那样地完美和精确。

为了与之相比较，我们可以考虑一下所谓“发光”物体中的光。这种光不是别的，它只是某种运动或者极迅速的活动，通过空气媒介或其它透明物体传送到我们眼中，就如同盲人通过拐杖就可以将遇到的运动或物体的阻碍传送到手中一样。一个明显的例子便是太阳的光，它发出的光线瞬间就能照到我们。大家知道，移动拐杖一端的行为一定是在瞬间就传到另一端，光从天空传到地球也必定是在同样的瞬间，尽管其间距离比拐杖的长度要远得多。再一个明显的例子是通过这种运动行为，我们可以看到各种颜色。大家可能都会相信，我们称之为“有颜色”的物体中的颜色，只是物体接受到光、并将其射到我们眼中的各种变化的形式。大家都知道，盲人用拐杖所探寻到的树木、石头、水和类似物体间的区别，与我们看到的红色、黄色、绿色及其它颜色间的区别，盲人所感觉到的物体间的不同，只是由于移动拐杖或阻止拐杖运动的方式的不同，而非别的什么原因。因此有理由得出结论：不应该假定有什么物质从物体上传送到我们眼中后，才能使我们看到颜色和光；更不应该假定物体内部的什么东西与我们所拥有的思想或感觉相类似。与此完全相同，盲人用拐杖感觉物体时，并没有什么东西从物体中流出并通过拐杖传送到他手中，物体的运动或对拐杖的阻力是他拥有感觉的惟一原因，物体与他所形成的关于物体的概念也没有相似之处。通过这种方式，人的思想会从空气中瞬息即逝的所有那些小影像中产生。哲学家运用想象力，称其为“有意识的形成”一种经院学派所指的物体传输给心灵的与之相似的“形式”或“映像”。

大家会发现，这一方法能轻易地解决当前哲学家们关于视觉起源的争议。盲人感觉周围的物体，不只通过物体运动作用于拐杖的行为，而且在物体不动只是阻碍拐杖时还通过盲人手的行为。与之相同，我们必须承认，物体被我们的视觉所感觉时，不仅通过直接传输给眼睛的物体的行为，而且还通过盯视物体的眼睛的行为。可是由于后一种行为仅是一种光，我们注意到，像猫这样的动物，它们的眼睛能在黑暗处看到东西，相反通常人只能通过目标的行为看到东西。实验表明，物体必须是发光的，或被照明后才能被看见，而不是为了看它们，我们的眼睛必须是发光的或被照明的。盲人的拐杖与空气和其它透明物体有着显著的区别，所以为了更明确一些，我们必须使用另一个比喻。

看一下收获季节的大酒桶，其中装满了挤压到一半的葡萄，在桶底我们打了两个小孔，没有发酵的酒可以从中流出这里省略了酒桶的图。现在观察一下，自然界没有真空，（几乎所有哲学家们都承认）在我们周围所看到的物体上都有许多小孔隙（实验可以很好地证明），这些小孔隙中一定充满着一些很微小和很具流动性的物质，这些物质是不断地从天体中输送给我们的。如果将这些微小物质与酒桶中的酒相比较，如果将较少流动性、不太清洁的空气和其它透明体与桶内的葡萄串相比较，就会很容易地理解下面的内容。将桶底小孔打开的一瞬间，同一时间里一些酒会趋向于垂直下落流出一个小孔，也会趋向于从另一个小孔流出；同时其它另一些酒也在趋向于下落流出这两个小洞。这些行为不会相互阻碍，也不会被桶中的葡萄串所阻碍。桶内的葡萄串相互支撑着，一点也没有像酒那样下落从小孔中掉出的趋势。即使这样，酒也会发生上述变化。在同一时间里，酒甚至可以通过挤压葡萄串，以许多其它方式运动。同理，太阳面对我们时，其边缘的微小物质粒子，在被放开的短暂的一瞬间，倾向于通过直线射向我们的眼睛。这些粒子之间互不干扰，甚至其所穿越其间的透明物体内的不洁净部分也不会阻碍它们，而且不管这些透明物体是以什么方式运动，如空气几乎总是被风所刮动，玻璃和水晶静止不动，这种情况都会发生。这里要注意，有必要区分运动与行为或运动趋势之间的不同，不难想象某部分酒既倾向于流向某个小孔，同时也倾向于流向另一个小孔。实际上它们不能同时流向两个小孔，它们完全倾向于沿着直线流向这个或那个小洞，尽管受到葡萄串的影响使它们不能完全沿着直线运动。同理，考虑到发光物体上的光多被看作是它的行为而不是它的运动，我们应该认为光线只是一些其行为趋势所指向的线。因此有这么一种永恒的线，从发光物体的所有点出发，通向被其照亮物体的所有点。正如大家能够想象到的那样，从酒的表面所有点上产生的“行为”趋向于沿着一条直线流向某个小孔；同一点上产生的“行为”也会趋向于沿着其它直线流向另一个小孔，这些不同趋向的线之间也不会相互阻碍。

而且，我们可以想象到这些线在通过一种单一质的完全均匀的透明体时，是笔直的。但当它们遇到其它物体时，它们很易于转向或减弱，就像运动的球或扔向空中的石块，碰到物体时会改变方向一样。我们能很容易地相信，运动的行为或趋势（我已经讲过，主要谈论光）在这一方面一定遵守运动自身的规律。为了给第三个比喻一个完整的解释，考虑一下在空中飞过的球，可能遇到软的、硬的或流动的物体，如果所遇到的物体是软的，便能完全阻挡这个球并使其停止运动，如碰到亚麻布床单、沙子或泥土；如果遇到硬的物体，球会被弹向另一个方向，而不是阻止它。这里有许多不同的作用方式，由于这些物体的表面可能是很光滑的，也可能是粗糙不平的；或者在光滑的情况下，可能是平面的，也可能是曲面的；或者不光滑，这种不光滑可能只是由许多各种各样的平滑曲面组成的，也可能这种不光滑在于物体本身具有许多棱角，或某些部分比另一部分硬，或者某些部分是运动的（这些运动有数千种不同的方式）。

我们一定注意到，球除了从一个地方到另一个地方这样简单和一般的运动方式外，还有另一种方式，即绕着球心自我旋转，后者的速度与前者可能有着种种联系，因此，从同一方向扔来的许多球，碰到某一个表面完全平滑的物体时，它们都一致地以同样的方式反弹回去。如果物体的表面是完全平坦的，球碰到它反弹回去时，会像事先一样保持着相同的距离；但如果物体表面是向内或向外弯曲的曲面，这些球则会相互碰撞或相互飞离，以同样的方式，程度或强一些，或弱一些，取决于曲面的弯曲度……必须知道，有很多物体在同样的作用方式下能阻止光线，并吸收掉光线的全部力量。这种物体即称之为“黑色的”物体，除了像阴影那样的“黑色”外没有其它颜色）；其它某些物体，能反射光线，其中一些以与接收它们时相同的秩序反射（即有高度光滑面的物体，不论是平面还是曲面，能用作镜子），其中另一些朝各种不同的方向反射光线，处于完全混乱状态。后者中，某些物体在反射光线时没有给光线的行为带来任何变化（即我们称之为“白色”的物体），其它物体却带来一些别的变化。与我们盯着一个运动的球所看到的球的变化相似（即红色的、黄色的、蓝色的或其它某些这样颜色的物体）。我相信能够测定出一种颜色的性质，用实验的方法揭示其中的奥秘，但这超出了我这个论题的范围见《人体的描述》。。这里我要做的只是指出，光线照射到物体上，当物体有颜色和不光滑时，即使光线来自一个单一的方向，它总是被反射到各个方向……最后，考虑到光线也可能偏斜，就像刚才描述的球的运动一样，当光线斜着照射到一个透明物体的表面并透过这个物体时，与所来自的前一个物体相比，会很容易地发生偏斜，斜度或者增加，或者减小。这种偏斜的方式称为折射。

第二讲折射随后我们必须知道如何精确地测量这种折射的量。我刚才使用的比喻足以让我们从容轻松地理解这一问题。我认为，首先要讨论一下反射，以使我们更容易理解折射（图略）。我们假定球被从Ａ拍向Ｂ，与地面ＣＢＥ交于Ｂ点，地面ＣＢＥ阻止了球的向前运动，而使其转向，让我们看看球将向哪个方向运动。为了避免不必要的麻烦，我们假定地面是完全平坦和坚硬的，并且不论在向下还是在反弹的过程中，球始终以固定速度运动，完全不考虑当球不再与球拍接触后促使其运动的力，也不考虑任何重量、大小或形状的影响。因为在这里讨论这样的细节问题没有用处，在光的行为中都不包含这些因素，而目前我们探寻的正是有关光的问题。我们只须注意的是，这种引起球继续运动的力，不论它是什么力，与决定其只向某个方向而不是向另外方向运动的力是不相同的。从以下事实可以很容易地理解这一问题。球的运动取决于一种力，这种力曾经是球拍给予的，它使球能如同飞向B点一样飞向任何其它方向。

同样地，球倾向于向Ｂ点运动是由球拍的位置决定的。即使有另一种力的作用，球拍仍会以同样的方式决定球的运动。已经知道，球碰到地面后肯定会转向，因此在作用力没有改变的情况下，决定球向Ｂ点运动的因子肯定发生了变化。这是两件不同的事，我们不能像许多哲学家们那样想象，球在转向F之前必须在Ｂ点停一会儿，因为球的运动一旦被这样一个停止所打断的话，我们将发现此后将没有什么原因使其再次开始运动。

此外，必须注意到，不只是决定向某一方向运动的因子，而且从一般的某种数量上讲，运动本身也能被分隔成我们所能想象到的许多部分，可以很容易地想象到，决定球从Ａ飞向Ｂ的因子由两部分组成，一个使其从ＡＦ线降到ＣＥ线，另一个使其同时从左边的ＡＣ飞向右边的ＦＥ，这两个因子共同作用使球沿着ＡＢ飞向Ｂ。很容易理解，球碰到地面时只能阻止这两个因子中的一个，而对另一个没有影响。由于地面占据了ＣＥ线下的所有空间，肯定是阻止了使球从ＡＦ落向ＣＥ的那个因子。可是为什么地面会阻止另一个使球向右运动的因子？我们看到地面并没有全部与其对抗。那么，为了揭示球将准确地向哪个方向反弹，我们可以描绘一个圆圈，其圆心在Ｂ，并通过点Ａ，我们认为球从Ｂ返回到圆圈上的某一点所用的时间，一定与球从Ａ飞向Ｂ所用时间相同，从Ｂ到圆圈所含的所有点间的距离与从Ｂ到Ａ间的距离相等。假定球是以一固定速度运动，那么为了确定球必须返回至圆圈上的哪一个点，我们画三条直线ＡＣ、ＨＢ、ＦＥ，都与ＣＥ线垂直，ＡＣ和ＨＢ间的距离与ＨＢ和ＦＥ间的距离是相同的。我们假定在球从Ａ（ＡＣ线上的一点）到Ｂ（ＨＢ线上的一点）向右运动花费的时间内，球能从线ＨＢ上的所有点到线ＦＥ上的对应点，与到线ＡＣ上的对应点是等距离的。球向ＦＥ边运动时被与以前同样多的因子所决定。情况是球不能同时到达线ＦＥ上的某点和圆ＡＦＤ上的另一点，除非这同一点是Ｄ或Ｆ，这两个点是圆周与线相交的唯一两点。所以从地面阻止球通向Ｄ，必然能推断出球一定会向Ｆ运动，从此可以很容易地看出反射是怎样发生的：即与所称之为入射角相同的斜度发生。同理，如果光线从点Ａ射下落到平面镜ＣＢＥ表面上的Ｂ点，会反射至Ｆ，此时反射角ＦＢＥ与入射角ＡＢＣ正相等。

现在我们看一下折射。首先，我们假定球被从Ａ拍向Ｂ，Ｂ点不是地面而换成了一层非常薄的、是用很细的线织成的亚麻布ＣＢＥ，球有足够的力量穿破它，并在同时失去一部分速度（如假设失去一半）。鉴于此，为了搞清球沿着什么路线前进，再假定球的运动与决定其方向＿＿决定其向某个方向而不是向另外方向的因子完全不同；同时决定球沿着两个方向运动的两个因子，其量的大小可分别被检测出。我们还假定，我们可以想象决定运动方向的两个因子中的其中一个，即使球倾向于向下运动的那一个，能通过与亚麻布的碰撞发生某种方式的改变，另一个使球向右运动的因子则始终保持与原来相同。因为在这一方向上亚麻布根本没有提供对抗。那么我们画一个圆心在Ｂ的圆ＡＦＤ(图略)和三条与线ＣＢＥ成直角的直线ＡＣ、ＨＢ、ＦＥ，ＦＥ和ＨＢ间的距离是ＨＢ和ＡＣ间距离的两倍。我们看到球一定会向点Ｉ运动。由于在通过亚麻布ＣＢＥ时，球失去了其一半的速度，那么从Ｂ落向圆周ＡＦＤ上的某一点所用时间是在亚麻布上面从Ａ到Ｂ时所用时间的两倍。由于球没有失去以前向着右边运动的因子，在两倍于从线ＡＣ到ＨＢ所用时间的情况下，在同一向右方向的运动距离也必须是原来的两倍。而且，球在到达直线ＦＥ上某一点的同时，必须到达圆周ＡＦＤ上的某一点。只能是通过Ｉ，这一点是在亚麻布ＣＢＥ之下、圆ＡＦＤ与直线ＦＥ相交的唯一点。