光学史上的那些人儿---阿基米德
第三章 阿基米德光学
《阿基米德之光》
叙拉古哲铸镜奇，抛物聚火破敌袭。
折射光影藏浮力，几何微光启后世。
1 阿基米德与光的故事
公元前 214 年，叙拉古城的夏日骄阳炙烤着港口。阿基米德蹲在防波堤上，青铜镜反射的光斑在水面跳跃。他忽然注意到，当镜面倾斜到特定角度时，阳光在海水中汇聚成一条刺眼的金线，甚至能让深处的贝壳泛起微光。
"这不是简单的反射。" 他喃喃自语，将镜子浸入水中，观察光线在两种介质交界处的弯曲。这个发现促使他在军械库地下室搭建了一座暗室，用橄榄油涂抹的亚麻布作为屏幕，记录不同角度入射光的折射轨迹。
最具突破性的实验发生在月食之夜。阿基米德命人将十面青铜镜打磨成抛物面形状，按同心圆排列在卫城高处。当阴影吞噬月球的瞬间，他点燃中央火炬，镜面将光线聚焦成一个明亮的光斑，精确地投射在千米外的悬崖上。"光的轨迹可以像杠杆一样被操纵。" 他在羊皮纸上画下抛物线公式，这个发现比笛卡尔坐标系早了近两千年。
传说中的 "火镜焚船" 并非完全虚构。公元前 212 年，当罗马舰队逼近时，阿基米德指导工匠将无数小镜拼成抛物面阵列，利用正午阳光在敌船帆布上制造焦点。目击者记载，"Syracusan 的火焰从云端倾泻而下，连海神波塞冬的三叉戟都为之颤抖"。尽管现代学者质疑这一战术的可行性，但这一传说已成为光学武器的最早雏形。
晚年的阿基米德将光学研究融入《论浮体》，提出 "光在不同介质中的传播速度不同" 的猜想。他在浴缸中观察折射现象时，突然领悟到浮力与光线弯曲的内在联系："水的密度改变了光的路径，正如它承载着船只。" 这一跨学科的直觉，为后世斯涅尔定律的诞生埋下伏笔。
当罗马士兵闯入实验室时，阿基米德正在沙盘上推演球面镜成像公式。面对寒光闪闪的剑刃，他最后一句话是："请别碰我的圆。" 这位将光学从哲学思辨带入实验科学的先驱，用生命诠释了几何学家的纯粹信仰。而此刻，他发明的抛物面镜仍在叙拉古遗址的荒草中闪烁，仿佛在等待某个未来的伽利略，重新点燃那跨越时空的智慧之光。
2阿基米德的光学理论
阿基米德对光的研究做出了重大贡献，他专注于光的性质和行为。他的研究集中在理解光如何与表面和材料相互作用，从而推导光学的基本原理。阿基米德通过理论概念和实际实验来研究光。
在研究光的传播时，他进行了各种实验来探索反射和折射。阿基米德利用镜子来研究光线如何定向和聚焦，展示了后来对光学发展至关重要的现象。他的工作说明了理解角度在光的行为中的重要性。
一个值得注意的实验涉及到凹面镜的使用。阿基米德提出了凹面镜可以集中阳光点燃物体的理论。这一大胆的主张不仅展示了他的创新思维，也展示了聚焦阳光的力量。他的实验把镜子从单纯的反射表面变成了实际应用的工具。
此外，阿基米德探索了透镜的特性，特别是凸透镜。他研究了这些透镜如何放大图像和增强视觉感知，从而对光学和视觉有了更深的了解。他的透镜实验说明了几何和光之间的相互作用，后来影响了光学仪器的设计。
研究凹透镜揭示了它们发散光线的能力，这可以改变物体的大小和距离。相反，用凸透镜进行的实验表明，它们有汇聚光线的能力，可以清晰地放大附近的物体。
另一个值得注意的实验涉及到使用抛物面镜，阿基米德的理论可以将光集中到一个特定的点。通过将镜子对准精确的角度，他能够增强光的强度，从而点燃物质，并揭示反射表面在操纵光方面的潜力。
除了点火，阿基米德对镜子的探索有助于理解图像的形成。通过观察从不同角度观察图像的变化，他为未来的光学理论奠定了基础。他对镜子的创新使用说明了反射对理解光的行为的重要性，将他的发现与后来的科学进步联系起来。
阿基米德提供了关于光的折射和弯曲的早期见解。利用镜子来了解光的反射。阿基米德发现平面镜以等角度反射光线，从而精确计算出距离和角度。阿基米德的光学理论包含了阐明光的行为的各种机制。这些理论主要关注光与不同物质的相互作用，探索反射和折射等现象。阿基米德利用几何原理破译了光是如何传播的，以及它是如何通过各种表面被操纵的。
阿基米德用透镜做了实验，证明了弯曲的表面如何使光线弯曲。他深入研究了焦点的概念，这对基本光学仪器的设计做出了重大贡献。他的观察为进一步了解透镜的光学特性奠定了基础。
2.1 阿基米德对后来光学发现的影响
中世纪时期，像阿尔哈赞（伊本·海瑟姆）这样的学者在阿基米德的理论基础上进行了研究。阿尔哈曾的《光学》一书结合了阿基米德的概念，比如对折射和反射的研究，从而对光学现象有了更全面的理解。这一历史进展表明阿基米德的影响如何催化了扩展光学领域的探索。
文艺复兴时期，伽利略和开普勒等思想家从阿基米德的原理中获得灵感。他们将他的发现融入到自己的研究中，最终塑造了光学仪器和理论的发展，为现代物理学铺平了道路。因此，阿基米德在光学方面的发现不仅影响了他的同时代人，也激励了一代又一代的科学家。
阿基米德在光学方面的发现的影响在文艺复兴时期引起了共鸣，激励了学者和思想家，他们试图解开光和视觉的原理。其中，达芬奇被阿基米德对反射和折射的探索所吸引，这影响了他对艺术视角的看法。
另一个著名的人物，约翰内斯·开普勒，建立在阿基米德奠定的基础之上。开普勒对光和光学性质的研究与阿基米德理论的原理相呼应，特别是关于光线通过透镜的行为。这种协同作用最终促进了现代光学的发展。
伽利略·伽利莱也认识到了阿基米德见解的重要性。他运用阿基米德倡导的几何原理来改进望远镜的设计。这一创新标志着天体研究的一个关键转变，加强了阿基米德在光学方面的发现对随后科学进步的持久影响。
阿基米德探索的透镜和镜子背后的原理是现代光学仪器（如望远镜和显微镜）设计的内在原理。这些发明利用了他对光与各种表面相互作用时的行为的见解，展示了他对该领域的持久影响。
附5 阿基米德（Archimede）简介
阿基米德（Archimedes，公元前287年—公元前212年）是古希腊时期最伟大的数学家、物理学家、工程师、发明家和天文学家之一。他出生于西西里岛的叙拉古（Syracuse），一个当时属于古希腊文化圈的城市。他的父亲菲迪亚斯（Phidias）是一位天文学家兼数学家，这可能对阿基米德早期的兴趣和发展产生了影响。
阿基米德曾前往埃及的亚历山大城求学，师从欧几里得的学生，深入学习数学、天文学和力学。学成归国后，他致力于科学研究，取得了众多影响深远的成就。在数学领域，他提出了“穷竭法”，为现代微积分的发展奠定了基础，还精确计算了圆周率的值，并在几何学方面有诸多重要发现。在物理学方面，他发现了浮力定律（阿基米德原理）和杠杆定律，为力学的发展做出了卓越贡献。此外，他还发明了阿基米德螺旋泵等实用机械装置，并在光学领域对光的反射和折射现象进行了研究。
阿基米德的科学成就和思想对后世产生了深远的影响，他的研究方法和科学精神成为后世科学家的典范。他的著作如《论浮体》《论球和圆柱》等，为古代和中世纪的科学发展提供了重要的理论基础。
第二次布匿战争期间，阿基米德为保卫叙拉古，发明了起重机、投石器等武器，甚至传说用抛物面镜聚焦阳光焚毁罗马战船。公元前 212 年，叙拉古陷落，阿基米德在研究几何问题时被罗马士兵杀害，临终前仍请求 “别碰我的圆”
阿基米德的工作对后世科学的发展产生了深远的影响。他的方法论和发现不仅为古典时期的学者提供了宝贵的资源，也为文艺复兴时期的科学家如伽利略和牛顿等人提供了灵感。直到今天，阿基米德仍然被视为科学史上最伟大的人物之一。
综上所述，阿基米德不仅是一个多才多艺的学者，而且他的创新精神和对知识的追求使他成为了人类历史上不可磨灭的一部分。无论是通过他严谨的数学证明，还是通过他实用的技术发明，阿基米德都展现了他作为一个科学家的卓越才华。
