|
从睁开眼的一刻起，映入眼帘的缤纷世界都因可见光而被我们的眼睛捕捉。 目前认知范围内传播最快的光物质也曾笼罩着一层层神秘的面纱。 相信光具有波粒二象性这件事情大家都不陌生了。 但关于光到底是粒子还是波的争论在历史上争论了长达三个多世纪。 在这场争论中不得不提奥古斯丁·菲涅尔，这位“物理光学的缔造者”。  奥古斯丁·菲涅尔 菲涅尔出生于1788年5月10日的法国厄尔省布罗意一个建筑师的家庭。 次年7月14日则爆发了法国大革命的开端——攻占巴士底狱，法国陷入恐怖统治。 当菲涅尔6岁时，法国的局势已经非常恶劣。 菲涅尔父亲的建筑工作被迫停下，举家搬迁至一个名叫马修的小村庄里生活，他就在那里度过了他余下的童年。  迫于形势，菲涅尔的小学教育完全由父母指导完成，没有接受过其他启蒙教育。 不仅教育环境苛刻，菲涅尔的学习天赋在童年时也完全没有显现，他直到8岁仍然不会阅读书物。 菲涅尔也算是赶上了乱世的浪潮，因此童年过得可谓悲惨。 当时大概谁也想不到这个学习迟钝的小男孩后来竟在物理光学史上声名显赫。  12岁时，菲涅尔在法国卡昂中央理工学院正式接受系统全面的教育，才逐渐显露出惊人的智慧。 那是他第一次学习到科学的相关知识，并深深地爱上了数学这一门神奇的学科。 也是从那时起，他立下了未来要从事科学工程研究工作的远大志向。 而后经过两年巴黎综合理工学院和三年国立桥路学校的课程学习与实践熏陶，菲涅尔用优异的成绩证明了自己的天赋，并成功取得了土木工程师资格证。  在1804年拿破仑建立法国旺达省行政与军事区域的过程中，菲涅尔被聘用参与了连接小镇与中心区的道路规划建设工作。 此后的十年间他主要在政府机关担任工程师修建公路，但在业余时间也在进行自己感兴趣的科学研究工作。 8年后他还着手开展了另一个重要的工程项目，建设连通西班牙与意大利北部并途径法国的道路工程。  在拿破仑重获权力之后，菲涅尔失去了他的工程师工作。 但他同时着迷于光的奥秘，也因失业而全心贯注地开始进行光学理论的研究。 没想到这场降临在菲涅尔头上的厄运却成为推动物理光学发展的重要契机。 直到1815年拿破仑战败滑铁卢后被流放，菲涅尔在巴黎重新得到了一份工程师的工作。 但同时他手头上的光学研究已经牢牢吸引着他，让他不忍心放下。 出于本身的热爱和深刻的钻研，菲涅尔很快发布了一篇关于光行差*的论文。 虽然这篇文章从未发表出来，但也是菲涅尔研究工作中的一项重要肯定与成就，为他之后的进一步研究奠定了坚实的理论基础。 *注：是指运动的观测者观察到光的方向与同一时间同一地点静止的观测者观察到的方向有偏差的现象。在天文观测中通常由于地球公转、自转等原因造成。  科学巨匠牛顿同时也是光学先驱，他是光微粒说的坚定支持者。 早在1672年，他在论文《关于光和色的新理论》谈到的光的颜色理论就是用光的微粒说进行阐述，并对波动说进行了反驳。 由于牛顿在当时科学界的地位和声望几乎居于顶峰，人们对他的理论深信不疑。 此后的一个世纪里鲜少有人向微粒说提出质疑，也基本暂停了研究光的本性。 在十八世纪末德国自然哲学思潮的影响下人们的思想才逐渐解放。 这时一位英国物理学家托马斯·杨开始对牛顿的理论感到怀疑，并在1801年提出了一个经典的双缝干涉实验。  杨氏双缝实验 他将同一光源发出的同频率光通过一个狭缝，再通过一个与单缝平行的双缝。 结果发现在白色像屏上可以看到明暗相间的黑白条纹。 因此得出了光是一种波的结论。 虽然波动说的提出已经是突破性的研究，但由于托马斯·杨认为光是一种纵波，因此他的理论得到了许多批评与不信任。 而后他再次对光学进行深入研究，于1817年放弃了纵波的说法而改用横波的假说。 他的理论也因此激起了巴黎科学院对光的研究兴趣。 同年巴黎科学院举办了一次悬赏征集关于光的干涉的最佳论文的科学竞赛。  托马斯·杨 其实早在两年前，菲涅尔还没有关注到杨氏衍射的论文，就在自己的论文中提出各种波的互相干涉使合成波具有显著强度的理论。 为此他向巴黎科学院提交了第一篇论文《光的衍射》，提出了衍射理论并批评了微粒说。 这是最早对光的衍射现象做出正确的解释。 在得知杨氏提出光的横波理论后，菲涅尔以此为基础进一步深入研究。 在科学竞赛中他提交了一篇描述自己关于衍射工作的研究报告。 不同于杨氏干涉的双缝设计，他用小孔实验证实了光束通过与光波长相比拟小的小孔直径时，能够产生一圈圈明暗相间的同心圆，那就是圆孔衍射图样。 这份报告继杨氏干涉实验之后再一次有利证明了光的波动说，因此在1819年获得了巴黎科学院的大赛奖。  在实验中，菲涅尔使用的是彼此之间形成接近180°夹角的两块金属平面镜子。 这种镜子被命名为菲涅尔透镜，又称螺纹透镜。 它既能发挥聚焦作用，又可以将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的物体产生红外信号以便于检测。  菲涅尔透镜原理 同时也避免了造成孔的衍射效应。 菲涅尔透镜的构造替代了镜子界的灯塔，因此菲涅尔在1819年被提名为“灯塔委员”。  除了光的衍射方面的成就，菲涅尔与阿拉果合作研究并发现了偏振光的干涉。 偏振光的干涉现象进一步论证了光的横波性。 据此，菲涅尔有利用光的横波性和弹性理论得出著名的菲涅尔公式，用以解决光反射时的偏振和双折射问题。 由此，光的波动说取得了巨大的胜利，也推动了后来光的波粒二象性的理论完善。 菲涅尔在光的衍射和偏振方面取得的成就是对当时光的微粒说信奉者的强烈撼动。 而他与杨氏之间的研究竞赛也成为光学发展史上的一段佳话。 实际上他们之间的关系友好而谦和，共同为波动光学贡献出重要力量，并无激烈的优先权之争。 鉴于菲涅尔对光的本性研究以及波动光学的理论建立作出了卓越的贡献。 1823年菲涅尔被选为巴黎科学院的院士，1825年又成为了英国伦敦皇家学会的会员。 但是这样一位在物理光学领域功成名就的伟人却依然难逃疾病的魔爪。 他于1827年在重病获得了人生中最后一项殊荣——伦敦皇家学会授予的“拉姆福德奖章”。 之后就因结核病而在巴黎附近的市镇去世，享年仅39岁。 他作为72位法国知名人士之一，名字被刻于埃菲尔铁塔上。 英年早逝抹不去菲涅尔的伟大成就，物理光学史上永远有他非凡研究功劳的重要贡献。 *参考资料 O'Connor, J.J.; Robertson, E. F., Augustin-JeanFresnel, MacTutor. Fresnel, Augustin. Memoir on the Diffraction of Light. The Wave Theory of Light – Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. American Book Company. 1819: 79–145. ____________ 内容为【SME】公众号原创，欢迎转载
|
|
|
