光学史上的那些人儿---罗杰・培根
第八章 罗杰・培根光学
《培根光学》
晶石折射映彩虹，光影交错启智瞳。
数学精研通物理，培根慧见启后翁。
1 培根与光的故事
1257年的牛津修道院，石墙的阴影里蜷缩着一个被禁锢的囚徒。罗杰·培根的手指划过石墙上的裂痕，月光从彩绘玻璃的缝隙间漏下，在他脚边织就圣徒与天使的光之网。修士们说他是异端，因为他质疑上帝创造光的三日奇迹，却不知此刻囚徒正用囚衣的布料蒙住左眼，在单眼视觉中捕捉到一个颠覆千年的秘密——
"光不是神的恩赐，而是几何的舞蹈。"
他撕开囚衣的棉线，将铜镜碎片与教堂彩窗的残片固定成棱锥。烛火在镜面折射出的光斑突然放大二十倍，如同上帝撕开时空的裂缝。培根的瞳孔剧烈收缩：光的轨迹在空气中划出完美的直线，这与亚里士多德"光向四周扩散"的教条背道而驰。他颤抖着在石板上画下光路图，墨迹未干时，守卫的火把已映入眼帘。
七个月后，地窖的霉味中混入了牛角胶的酸涩。培根将收集的凸透镜片固定在木框上，用黑布蒙住双眼模拟暗室。当指尖调整到某个角度时，他看见墙上的十字架影像开始逆向旋转——这是人类首次观察到的光学成像反转。"视觉不是眼睛发射的利箭，"他在实验笔记上写道，羽毛笔尖的墨迹在昏暗中晕开，"而是物体在视网膜投射的倒像。"月光透过气窗，将他的影子拉长成巨人，仿佛在嘲讽教会的渺小。
1267年冬，宗教审判庭的穹顶下，培根举起自制的三棱镜。红衣主教的金十字架在光谱中碎裂成彩虹，审判官的权杖重重砸在石板上，却打不碎那些在墙壁流转的七色光斑。"你们说这是巫术，"他的声音在回荡，"但光本就是上帝的几何学。"当铁链再次锁上他的手腕时，培根在囚衣内侧画下最后的光路图——一个倒置的圆锥，锥顶指向他的眼睛，锥底笼罩整个世界。
故事得从二十年前讲起。巴黎大学图书馆的羊皮卷堆里，年轻的培根发现了一本阿拉伯文《光学之书》。当他读到"光行于直，入目成像"时，仿佛看见亚里士多德的幽灵在烛火中崩解。为验证海什木的理论，他典卖了家族徽章，从大马士革商人手中换来一块鸡蛋大的水晶。
"先生，这玩意儿真能让人看见星辰纹理？"学徒古斯擦着额头的汗，看培根将水晶悬在铁匠铺的熔炉前。跃动的火苗透过棱镜，在石墙上绽出七色光带。"不止如此，"培根调整着水晶角度，"它能让我们读懂上帝书写宇宙的字母表。"
这位方济会修士的实验室里堆满了玻璃棱镜和抛物面镜。当他将阳光折射出七色彩虹时，联想到阿尔哈曾对雨滴的研究："彩虹是天空的棱镜，光在水滴中经历两次折射与一次反射。" 这个理论早于笛卡尔四百年，却因教会对自然哲学的警惕而被束之高阁。
最具争议的实验发生在黑死病肆虐期间。培根用青铜镜聚焦阳光点燃城外的尸体堆，试图阻止瘟疫蔓延。愤怒的市民指控他 "与魔鬼交易"，宗教法庭将他投入监狱。在七年囚禁中，他用指甲在羊皮纸上绘制光学原理图，论证 "光速远快于声速" 的猜想。
出狱后的培根已双目失明，但仍口述完成《小著作》（Opus Minus）。他预言："未来的光学仪器将让人类看清月球的环形山，甚至观测到肉眼不可见的微小生物。" 当伽利略在 1609 年举起望远镜时，镜片中闪烁的不仅是星空，更是这位中世纪学者跨越三百年的科学灵光。
2罗杰·培根光学理论
罗杰·培根（1214-1294），英国中世纪哲学家、科学家，对光学有重大贡献。他的工作，虽然借鉴了早期的学者，如阿尔哈曾（伊本·阿尔·海瑟姆），扩展和澄清了现有的理论，并提出了一些原创的见解。以下是他的主要光学理论：
2.1 光的传播理论
培根接受了光从光源到眼睛呈直线传播的观点。他以此为基础来解释视觉和光的行为。他对光传播的理解是他对反射、折射和图像形成的解释的基础。
培根采用并阐述了阿尔哈曾的视觉渗透理论，该理论认为，当物体的光线进入眼睛时，就会出现视觉。这与光发射理论形成了对比，光发射理论声称光线从眼睛发出来感知物体。这种视角塑造了他对光如何与眼睛相互作用以产生图像以及光学仪器如何修改光的路径以改善视力的理解。
培根描述了反射定律，指出入射角等于反射角。光以一种可预测的方式从表面反射。光反射的原理可以用来设计镜子，并理解如何操纵光线来创造图像。他还讨论了不同类型的反射，如镜面反射和漫反射。
培根研究了折射，即光从一种介质到另一种介质（例如，从空气到水或玻璃）时发生的弯曲。折射的角度不同于入射角。他着迷于透镜折射光线、放大或反转图像的能力。他认识到理解折射对于设计镜片和理解视觉的重要性。他没有推导出菲涅尔定律的数学公式（后来才有），但他探索了入射角和折射角之间的关系。
2.2透镜理论
培根认识到透镜在改善视力和放大物体方面的潜力。他描述了如何使用镜片来矫正视力缺陷和观察小物体。这使他开始思考用透镜进行远距离观察（也许为望远镜的发明埋下了伏笔）和观察微观物体的可能性。他还讨论了聚光透镜的使用。
培根运用他的光学知识来解释大气现象，如彩虹和光晕。他明白这些现象是由大气中的水滴或冰晶对光的折射和反射引起的。的解释是基于他对光如何与不同介质相互作用的理解，进一步强调了光学原理的普遍性。
2.3 实验与仪器
培根强调使用仪器研究光学现象的重要性。他提倡制造和使用透镜、反射镜和其他光学设备。他坚信仪器可以用来促进知识的发展，这意味着他积极寻求使用透镜和镜子来研究周围世界的方法。
培根强烈主张经验观察和实验作为知识基础的重要性，包括光学。他认为仅靠理论推理是不够的，知识需要通过直接观察来检验和验证。
培根坚持使用镜头和仪器来研究光学现象，而不是仅仅依靠抽象推理。他把数学看作是基于这些观察来描述和理解物理世界的工具。
附8： 罗杰·培根简介
罗杰·培根，通常被称为“奇异博士”（Doctor Mirabilis），是中世纪时期一位极具影响力的英国哲学家、科学家和方济各会修士。生活在13世纪（约1214年–1294年），培根在光学、炼金术、天文学、数学和语言学等多个领域做出了重大贡献。他强调实证观察、实验以及将数学应用于理解自然世界，这使他有别于许多同代人，并为科学革命铺平了道路。
培根于约1214年出生于英国萨默塞特郡伊尔切斯特，家境富裕。 他在牛津大学接受教育，后来在巴黎大学获得硕士学位。根大约在1240年加入了方济各会。这一隶属关系极大地影响了他的生活和事业，为他提供了进入图书馆和获得资源的机会，但也使他受到该修会规章制度的约束
培根是实证调查的坚定倡导者，强调需要通过观察和实验来验证理论。 他认为，知识应基于经验，而不是仅仅基于权威或传统。他最著名的说法是：“实验是所有知识的主人”。
培根对光学领域做出了重大贡献，借鉴了早期的学者（如阿尔哈曾[伊本·海赛姆]）的著作。 他研究了反射、折射和透镜的特性，并推测可以使用透镜来改善视力和放大物体。
他最著名的作品包括：
·大著作（Opus Majus）：一篇关于哲学和科学的综合论文，涵盖语法、逻辑、数学、光学、实验科学、道德哲学以及相关主题。
·小著作（Opus Minus）：大著作的摘要。
·第三著作（Opus Tertium）：补充和阐明了大著作和小著作中提出的思想。
因批判教会权威、推崇实验科学，1257年被逐出牛津，后被囚禁于巴黎寺院长达10年。1277年因“信仰占星术和炼金术”等罪名再次入狱，直至1292年获释，两年后（约1294年）在牛津逝世。
名言：
“实验是真理的唯一法官。”
“知识就是力量。
罗杰·培根是一位杰出的人物，他因其对科学的前瞻性观点、对观察和实验的强调以及他对基于实证证据和数学推理的世界的憧憬而脱颖而出。他被铭记为科学革命的先驱和理性与经验探究的倡导者。
