光學(xué)簡史：巨匠笛卡爾與折射定律
勒內(nèi)·笛卡爾，1596年3月31日生于法國安德爾-盧瓦爾省的圖賴訥（現(xiàn)笛卡爾，因笛卡爾得名），1650年2月11日逝于瑞典斯德哥爾摩，法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。他對現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)，因?qū)缀巫鴺?biāo)體系公式化而被認(rèn)為是解析幾何之父。
勒內(nèi)·笛卡爾（1596年3月31日-1650年2月11日）
他還是西方現(xiàn)代哲學(xué)思想的奠基人之一，是近代唯物論的開拓者，提出了“普遍懷疑”的主張。他的哲學(xué)思想深深影響了之后的幾代歐洲人，并為歐洲的“理性主義”哲學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
在物理學(xué)方面，笛卡爾將其坐標(biāo)幾何學(xué)應(yīng)用到光學(xué)研究上，并在《折光學(xué)》中首次對光的折射定律提出了理論論證，與荷蘭的斯涅耳共同分享發(fā)現(xiàn)光的折射定律的榮譽(yù)。他撰寫的《折光學(xué)》，創(chuàng)立了幾何光學(xué)。
一直要到18世紀(jì)初葉，大科學(xué)家牛頓寫出了《光學(xué)》一書，才把光學(xué)由幾何學(xué)推演至物理光學(xué)。
笛卡爾在1637年發(fā)表了《方法論》，他在這本書里討論如何用理性思維精確地獲得知識。眾所皆知的「我思故我在」，就首次出現(xiàn)于《方法論》的第四講。有些介紹笛卡爾的文章太過于強(qiáng)調(diào)《方法論》里抽象的哲學(xué)思維，讓讀者以為笛卡爾用《方法論》當(dāng)工具，得到最重要的成果，是證明了上帝與自我的存在。
其實《方法論》只是導(dǎo)論，笛卡爾在《方法論》后附上三篇長文，用來展示這種思考方式得到的成果。這三篇長文分別是：《氣象學(xué)》、《折光學(xué)》與《幾何學(xué)》，這說明了笛卡爾相信他的方法學(xué)主要的應(yīng)用是在于自然科學(xué)與數(shù)學(xué)。
笛卡爾的思考是非常深刻而且多樣化的，在《折光學(xué)》的第二講里，他推導(dǎo)出了光波折射，入射角與折射角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。這是一個了不起的成就，因為它是解釋許多自然現(xiàn)象的關(guān)鍵。
在《折光學(xué)》里，笛卡爾把折射定律運(yùn)用在人體最重要的光學(xué)器官 — 眼睛。他解釋了影像是如何投射在視網(wǎng)膜上，推測近視與遠(yuǎn)視的成因，并且討論如何用透鏡彌補(bǔ)眼睛構(gòu)造天生的不足。為了看到肉眼不能看到的東西，笛卡爾分析了放大鏡、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的原理。《折光學(xué)》展現(xiàn)出一個務(wù)實的笛卡爾，他追隨法蘭西斯·培根等人的論點(diǎn)，致力于發(fā)展一種為人類需求服務(wù)的知識。
講起務(wù)實，笛卡爾可能比大部分人的想像還要務(wù)實得多。他在《折光學(xué)》最后一講里描述過一種機(jī)器，在理論上可以自動磨出前所未有的高品質(zhì)鏡片。事實上在《折光學(xué)》發(fā)表之前，笛卡爾就已經(jīng)花了超過10年的時間研發(fā)這種機(jī)器。
在1620年代，笛卡爾還住在法國的時候，他就跟工匠合作試圖磨出特殊設(shè)計的鏡片。體弱多病，一天到晚躲在房間里的笛卡爾，甚至在工廠里親自監(jiān)工。1629年笛卡爾移居荷蘭，仍然不忘從遠(yuǎn)方監(jiān)督法國工廠的進(jìn)度。用今天的話講，笛卡爾是17世紀(jì)的創(chuàng)業(yè)者。
在《折光學(xué)》的最后一章，笛卡爾干脆把他的商業(yè)機(jī)密用開源的形式提供給歐洲學(xué)界，希望有別人能夠完成他的夢想。
17世紀(jì)使用的光學(xué)，跟我們熟悉的放大鏡類似，都是球面鏡片。也就是說這些鏡片雖然不是球體，不過它們的兩個曲面，都是球面的一小部分。球面鏡片容易磨制，而且希臘人認(rèn)為球體是完美的形狀，不難理解為什么用在鏡片上。
笛卡爾用他自己發(fā)明的數(shù)學(xué)工具分析成像，發(fā)現(xiàn)球面鏡片有重大的缺點(diǎn)，那就是遠(yuǎn)方傳來的平行光在球面鏡片的彎折后，不會聚焦在同一點(diǎn)上，因此造成模糊的影像。這個現(xiàn)象今日成為「球面像差」。笛卡爾為此推導(dǎo)出非球面鏡片的公式，用來解決球面像差的問題。
非球面鏡片的三維空間模型。左邊是笛卡爾《幾何學(xué)》里描述的鏡片。右邊是惠更斯《光學(xué)理論》里描述的鏡片。
根據(jù)史料，歷史學(xué)家相信笛卡爾用手工磨片的方法，制造出了少量的非球面鏡片，但因為精確度的問題，這些鏡片并沒有比一般的球面鏡片優(yōu)秀。笛卡爾相信他設(shè)計的機(jī)器可以取代人工，大量的制作精確的非球面鏡片，不過理論畢竟跟實際有許多差距，笛卡爾花了15年的時間跟不同的工匠合作，用盡了創(chuàng)業(yè)基金，還是沒有辦法實踐他的自動磨片機(jī)。
《折光學(xué)》出版后在歐洲科學(xué)界引起了研究非球面鏡片的風(fēng)潮，許多科學(xué)家都加入研發(fā)非球面鏡片的行列。例如1690年荷蘭科學(xué)家惠更斯發(fā)表了《光學(xué)理論》，在這本書里他不但描述了光的波動理論，還推導(dǎo)出了不同的非球面鏡片公式。牛頓也曾經(jīng)試著研磨非球面鏡片，不過牛頓對于光學(xué)有更深入的了解，他發(fā)現(xiàn)校正球面像差并不能解決所有的光學(xué)問題，因此非球面鏡片并沒有笛卡爾想像中的完美。
不過笛卡爾在光學(xué)上的洞見，的確是在視覺科學(xué)上，有重要的影響。
勒內(nèi)·笛卡爾曾表達(dá)他的“天賦觀念”，宣布：“我思故我在”。他提出“有序懷疑法”，但堅稱絕不能懷疑自己思維的“精神實質(zhì)”，凸顯一些法國人思想執(zhí)拗的秉性，在“文明沖突”中往往失之偏頗。
其實，笛卡爾當(dāng)年在自己國家里過得并不那么自在，天主教會對他的“唯理論”談不上寬容，反而使他去國，定居在異鄉(xiāng)荷蘭。
躲過風(fēng)頭后，他于1637年出版了更為重要的《方法談》，在歐洲引起震動。接著，他又印行《形而上學(xué)的沉思》和獻(xiàn)給波希米亞公主伊麗莎白的《哲學(xué)原理》，宣揚(yáng)理性至上，與天主教推崇信仰的經(jīng)院學(xué)究們決裂，影響波及北歐斯堪的納維亞。1649年底，他受瑞典女王克里斯蒂娜邀請到斯德哥爾摩講學(xué)。
笛卡爾逝世后，笛卡爾的遺骸被運(yùn)回巴黎。由于天主教會出面阻撓，哲學(xué)家的葬禮無法正常舉行，延宕時日，最后只得悄悄將他埋進(jìn)了圣熱納維沃修道院。
1793年法國大革命達(dá)到高潮。國民公會尊崇杰出的思想家勒內(nèi)·笛卡爾，決定將他移入先賢祠，可惜未能實現(xiàn)。這位被譽(yù)為“近代科學(xué)的始祖”，堪稱17世紀(jì)及其后的歐洲哲學(xué)界和科學(xué)界最有影響的巨匠，最終沒能像伏爾泰一樣步入先賢祠。
