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颇为讽刺的“泊松亮斑”

 郑公书馆298 2016-04-03

菲涅耳是法国知名的土木工程兼物理学家,他发展了惠更斯和托马斯·杨的波动理论,开创了光学研究的新阶段,从而成为“物理光学的缔造者”。

在经典物理学时期,关于光的本性有波动论和微粒说两种观点。1818年,法国科学院举行了一次征文比赛,提出的题目是利用实验判定光的衍射,并且根据实验推导出当光线通过物体附近时的运动状况。这次活动的评委会由很多著名的科学家组成,其中比奥拉普拉斯和泊松都是坚定的光的微粒说的拥护者。他们希望征集论文,用光的微粒说理论解释光的衍射和运动,以此攻击光的波动说。

然而,出乎组织者的本意,比赛组委会收到了一篇让他们大跌眼镜的论文。一位并不太知名的年轻学者菲涅耳在朋友的鼓励下大胆提交了一篇论文,在论文里,菲涅耳采用了横波观点,加以严密的数学推理,合理地解释了光的衍射、偏振现象。他的文章行文规范,体系洋洋洒洒,委员会成员都为他的勇气和卓识惊叹。

但是数学家泊松是粒子论者,他强烈反对光的波动说,他不相信菲涅耳的结论,并对其进行了严格审阅。他用数学方法计算得出结论:如果光是一种波,当光照在一个圆盘上时,在阴影中间就会相应出现一个亮斑。影子里怎么可能出现亮斑呢?泊松觉得非常荒谬,其实在当时其他任何人看来也是很可笑的。影子的中心应是最黑暗的,而假如按照光的波动理论却变成最亮的了。泊松宣称已经驳倒了波动理论。

组委会差点因此宣布菲涅耳的这篇论文是弃稿,但菲涅耳的朋友,也是评委之一的阿拉戈看不惯泊松等人主观随意、妄下断语的做事方式,便坚持要求让菲涅耳对其论文的结论进行实验检测易证明其理论。

菲涅耳和伙伴一起勇敢地接受了挑战,满怀信心准备实验验证它的观点。公开实验的这一天,所有的大赛评委都来了,见证关于光的理论的正面交锋。随着菲涅耳实验的进行,大家发现在圆盘阴影的正中间奇迹般得出现了一个亮斑,所有人都惊呆了。泊松及其支持者更是大跌眼镜,虽然他们不敢相信,但确实是事实。而且试验中光斑的位置亮度与论文中的观点相当吻合。

泊松本想打击光的波动学说,却阴差阳错提供机会再次证明了光的波动性,光的粒子说开始崩溃了。圆盘阴影中央的亮点,则被误导性地称为“泊松亮斑”。

菲涅耳最终得到了评委们的一致肯定而捧获比赛的大奖,同时他也一夜成名,成为在光学界可与牛顿、惠更斯齐名的传奇人物。但是,菲涅耳并没有就此停在功劳簿上,他又继续开创性地假设光是一种横波,成功地用横波理论解释了偏振现象。鉴于他在光的波动理论领域的巨大贡献,菲涅耳被誉为“物理光学之父”。

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