光学史上的那些人儿--- 胡克
第十四章 胡克光学
《胡克光学》
显微幽明见细微， 格物致知探理机。
光影波痕寻奥秘，横波预言照星辉。
1 胡克与光的故事
1663 年的伦敦，在经历了伦敦大火的浩劫之后，正在重建之中，这座城市充满了求知欲，渴望了解知识。 皇家学会是这座城市的心脏，那里聚集了杰出的头脑，讨论、解剖和发现自然界的秘密。 其中就有罗伯特·胡克，他是一位精力充沛、求知欲永无止境的人。
胡克是皇家学会的实验总监，他像一阵旋风一样忙碌。 他是一位技术精湛的仪器制造者，一位敏锐的观察者，也是一位无畏的实验者。 他的手指上沾满了墨水和化学物质的污渍，既擅长制造错综复杂的机器，也擅长解剖跳蚤。 他以一种不同于其他人的方式看待世界——一个充满隐藏奇迹的世界，等待着被揭示。
他真正的热情在于窥探看不见的世界。 他痴迷于显微镜，认为它们是通往另一个领域的门户，一个充满微小生物、复杂结构和令人费解的谜团的世界。 他对他的显微镜进行了无休止的修补，改进它们的镜头，完善它们的照明，并将它们推向其能力的极限。
一个寒冷的 11 月夜晚，胡克弓着身子坐在他的工作台上，沐浴在油灯发出的柔和光芒中。 他的面前摆着他最新的创作：一台复式显微镜，经过精心制作，闪耀着抛光的黄铜光芒。 他一直在试验不同的镜头和光源，试图提高图像质量和放大倍数。
他把一片薄薄的软木放在镜头下。 软木是橡树的树皮，很容易获得，而且看起来相对普通。 但透过胡克的显微镜，普通的就变成了非凡。
他倒吸了一口气。 他看到的是一个由微小的、像盒子一样的隔室组成的蜂窝状结构。 “细胞！”他惊呼道，这个词从他的嘴里蹦出来。 这个词留了下来。 他仔细地绘制了他所看到的东西，一丝不苟地记录了这些微小结构的形状和排列。
那天晚上，胡克知道他偶然发现了非凡的东西。 他推断，这些“细胞”一定是植物界的基本构成单位。 在接下来的几周里，他检查了其他材料——木头、树叶、根——并发现它们也由这些细胞结构组成。
兴奋驱使着他写作。 他在一本名为《显微术》的书中，一丝不苟地记录了他的观察和草图。 这是一部精心绘制的巨著，充满了对微观世界的惊人描述。 有带有可怕爪子和复杂盔甲的跳蚤的图画； 有昆虫的眼睛，揭示了它们复杂的多面表面； 有模具和真菌的精致图案。
《显微术》立刻引起了轰动。 这本书向公众展示了微观世界的隐藏奇迹，点燃了对科学探索的热情。 胡克成了一位名人，他的作品在咖啡馆和科学界都受到了讨论。
但胡克的光学研究并没有止步于细胞。 他对光本身的性质产生了迷恋。 他观察到光通过狭缝或从肥皂泡上反射时出现的奇怪的光和颜色图案。 他一丝不苟地记录了这些现象，我们现在称之为衍射和干涉。
他注意到光似乎绕过了障碍物，形成了彩色边缘。 他在薄膜（如水面上的油）中看到了旋转的色彩图案。 他推测，这些图案与光波相互作用的方式有关，创造了相长干涉和相消干涉。
虽然他没有完全理解光的波动性质——这将留给其他人来揭示——但胡克的观察为波动理论提供了重要的证据，挑战了当时流行的牛顿将光视为粒子的观点。
这使他与艾萨克·牛顿产生了分歧，艾萨克·牛顿是一位具有强大智力和对他自己理论坚定不移信念的年轻科学家。 这两个人就几个科学问题发生了冲突，最引人注目的是光的性质和引力。
胡克和牛顿之间的竞争是传奇性的。 这是一个个性的冲突，智力的较量，也是对科学主导地位的竞争。 牛顿凭借其数学天才，建立了引力的全面理论和光的粒子理论，这主导了几个世纪的科学思想。 胡克凭借他的实验能力，继续探索物理世界的奥秘，他的观察提供了微妙但持续的对牛顿世界观的挑战。
尽管他做出了贡献，但胡克的遗产在某种程度上被牛顿的巨大成就所掩盖。 然而，罗伯特·胡克仍然是科学史上的一个关键人物。 他是显微镜的大师，细胞的发现者，也是光研究的先驱。 他是一个敢于超越可见范围，探索宇宙隐藏奇迹，挑战他那个时代公认智慧的人。 他证明了，即使是最小的事物也蕴藏着最大的秘密，对知识的追求是一段永无止境的旅程。 他探究的精神、他对实验的热情，以及他坚定不移的好奇心继续激励着今天的科学家们。
1703年，胡克在孤独中去世，临终前将未完成的手稿《光学》投入火盆。他不知道，三十年后，一位叫托马斯·杨的年轻人会重现他预言的干涉现象——当双缝实验的明暗条纹在墙上显现时，科学界终于意识到：胡克的波动说才是光的本质。
1865年，麦克斯韦推导出光的电磁波方程，完美解释了胡克的“以太”与横波特性。当爱因斯坦在1905年提出光子说时，他承认：“胡克与牛顿的争论，最终让人类在波动与粒子的二重性中看清了光的真容。”
2 胡克的光学理论
在 1665 年他那著名的《显微术》一书中，胡克将光定义为由发光源极快且微小的振动所引发的脉冲序列，其在给定的均匀介质中以极高但有限且明确的速度传播。他的动机在于阐释颜色及其由薄透明板产生的原理，这一课题曾为他的导师波义耳所研究，也在胡克的显微镜下由叶状物体所展现。
图1 根据胡克 1665 年的板块理论，折射光线的脉冲 GH 和 KI（折射进入更密介质后）或 SG 和 RQ（折射进入更稀介质后）不再与光线垂直，因为光在更密介质中行进的距离 CH 大于在更稀介质中行进的距离 FG。
图2 是胡克绘制的三束光线（1、2、3）被不同厚度的薄膜反射的图。源自胡克 1665 年的图版。在第一界面（AB、BG、CD）反射时，会产生脉冲 dc；在第二界面（EF）反射时，会产生较弱的脉冲 ef，且延迟取决于薄膜厚度。
图2
为了佐证光的振动特性，他引用了如下现象和类比：
A Diamond being rub’d, struck, or heated in the dark, shines for a pretty while after, so long as that motion ... remains (in the same manner as a Glass, rubb’d, struck, or ... heated, yields a sound which lasts as long as the vibrating motion of that sonorous body).
钻石在黑暗中被摩擦、敲击或加热后，会持续发光一段时间，只要那种运动……存在（就像玻璃被摩擦、敲击或……加热后，会产生声音，只要那个发声体的振动运动持续一样）。
胡克认为声音是由空气周期性跳动产生的脉冲序列，正如他后来通过旋转齿轮实验所展示的那样。他对光的概念是同一过程，只是光的速度更快。
在胡克的理论中，光与声的类比至关重要，因为光和声所蕴含的周期性以及有限速度对胡克解释色彩现象起到了核心作用。在1675年的一次皇家学会会议上，胡克将色彩的和谐与音调的和谐相提并论：
Light then is nothing else but a peculiar motion of the parts of the luminous body, which does affect a fluid body that in compasses the luminous body, which is perfectly fluid, and perfectly dense, so as not to admit of any further condensation; but that the parts next the luminous body being moved, the whole expansum of that fluid is moved likewise.
光不过是发光体各部分的一种特殊运动，这种运动会作用于包围发光体的流体。这种流体是完全流动且完全致密的，不会进一步压缩。紧邻发光体的流体部分被带动后，整个流体空间也随之运动。
1680至1682年期间，胡克开展了 “光的讲座” 系列研究，这些成果在他去世后于1705年得以出版。他首先对原子论或发射论等理论提出了一些质疑，其中包括太阳能量的耗竭问题以及透明物体不可能存在的多孔性等。接着，他倡导对亚里士多德的介质理论进行机械论的重新诠释。他追随笛卡尔和霍布斯，将介质或 “以太” 等同于一种完全流动的充满物，也就是一种不可压缩的（并且无粘性的）流体。他排除了可压缩性，因为那将导致与笛卡尔物质和广延性等同观点相矛盾的空隙。他利用不可压缩性以及由此产生的通量守恒，推导出强度（流体速度）随距离平方减小的规律，这既适用于光，也适用于引力。他认为这一结果足以证明他的假设揭示了光的真正本质：“由此可知，光确实按照被移动物体的比例起作用，遵循相同的比率，因此它不可能是其他东西；因为任何具有与另一事物完全相同性质的事物，必定就是那同一事物。”
如同霍布斯在其1644年的理论中所设想的那样，胡克认为，一个点源的脉冲意味着在距离源体任何位置的以太都会发生瞬时位移：
Light then is nothing else but a peculiar motion of the parts of the luminous body, which does affect a fluid body that incompasses the luminous body, which is perfectly fluid, and perfectly dense, so as not to admit of any further condensation; but that the parts next the luminous body being moved, the whole expansum of that fluid is moved likewise.
光不过是发光体各部分的一种特殊运动，这种运动会作用于包围发光体的流体。这种流体是完全流动且完全致密的，不会进一步压缩。紧邻发光体的流体部分被带动后，整个流体空间也随之运动。
尽管胡克并未亲自制作显微镜，但他深度参与了总体设计与光学特性方面的事务。实际上，这些显微镜是由伦敦的仪器制造商克里斯托弗・科克制作的，由于这种显微镜设计的流行以及胡克著作的影响，科克获得了极大的成功。胡克显微镜与当时的望远镜有诸多共同之处：设有眼杯以确保眼睛与目镜之间保持正确距离，配备独立的拉管用于调焦，以及采用球窝关节来调节镜身角度。显微镜的镜身管由木头和（或）纸板制成，并覆以细皮。当拉管完全收起时，显微镜全长六英寸。尽管这架显微镜的工艺和设计堪称精良，但其聚焦装置的制作较为粗糙，容易快速且不均匀地磨损。
作为第一个认真考虑光学仪器分辨能力重要性的人，胡克推动了显微镜和望远镜的发展。他对光学仪器发展的贡献包括对显微镜的许多创新，例如发明了复式显微镜和创造了一种巧妙的照明系统。胡克发明了测微器，并且是第一个将望远镜瞄准器应用于测量仪器的人。折射率计用于测量液体的折射率，望远镜上增加螺旋齿轮以调整设置，万向节（汽车上常用的部件），虹膜隔膜以及磨镜机，这些发明都归功于这位英国科学家、建筑师、制图师和音乐家。
作为反射望远镜的发明者，胡克仰望星空，在天文学领域有着诸多创举。他首次推断出木星的自转，并描述了其大红斑。此外，他还观察了火星的自转，试图观测并描述视差，还记录了最早的双星实例之一。胡克的《显微术》一书不仅包含大量光学显微镜的参考内容，还记录了他对月球环形山的观察，并对其成因进行了推测。他将行星运动视为力学问题，并提出了相关理论，这启发了牛顿关于引力定律的理论。尽管胡克二十年的重力研究颇具创新性，但相比牛顿的理论，其数学严谨性有所不足，因此很快被牛顿的理论所超越。
附14胡克简介
罗伯特・胡克（Robert Hooke，1635 年 7 月 18 日 —1703 年 3 月 3 日），英国物理学家、博物学家、发明家，被誉为 “英国的达芬奇” 和 “最后一个文艺复兴人”。他在力学、光学、生物学、天文学及建筑学等领域均有开创性贡献，是 17 世纪科学革命的核心人物之一。
1635年出生于英国怀特岛（Isle of Wight）的弗雷斯沃特村，父亲是当地牧师，家庭并不富裕。3岁进入伦敦威斯敏斯特公学学习，后因父亲早逝，跟随画家彼得·莱利和校长理查德·巴斯比学习艺术、拉丁语、希腊语和科学。
1653年进入牛津大学基督教堂学院，师从约翰·威尔金斯（皇家学会创始人之一），接触科学实验，并结识化学家罗伯特·波义耳。
1660 年，胡克提出 “胡克定律”，揭示弹性物体形变与外力的正比关系，为材料力学和钟表制造提供理论基础。他改进了弹簧摆轮擒纵机构，推动精密计时技术发展
1662年成为英国皇家学会实验管理员，负责设计实验、演示和维护仪器，是历史上首位专职科学家。
1663年当选皇家学会会员，1677年至1682年担任学会秘书。
1665 年，胡克发表《显微术》（Micrographia），首次用 “细胞”（Cell）描述软木薄片的微观结构，开创了细胞研究的先河。书中还记录了昆虫、植物的精细观察，被誉为生物学史上里程碑。
胡克通过云母薄片实验提出光的波动理论，认为光由周期性振动传播，并通过玻璃球实验反驳笛卡尔的微粒说。他的研究为后世光干涉现象的发现奠定基础。提出光是“以太”中的周期性振动，预言光的干涉与偏振现象。
用自制望远镜观测火星、木星卫星，并研究陨石结构，支持吉尔伯特的“宇宙物质论”
1666年伦敦大火后，参与城市重建，担任测量员和市政检查官，设计圣保罗大教堂等建筑，提出抗震结构方案。
1703年3月3日于伦敦病逝，享年67岁，未留下肖像画，墓地位置今已无考。
因牛顿的压制，其贡献长期被低估。20世纪后，科学史学家重新评价其成就，称他为“伦敦的莱奥纳多”（英国文艺复兴时期的通才）。
