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如果要论及科学界最打脸的实验之一，泊松亮斑绝对是榜上有名，今天我们就来了解一下。 世界究竟是什么？这是一个哲学命题也是一个科学命题，在科学还没有进入微观世界之前，光这种迷人而又耀眼的存在一直吸引着科学家们的目光，光究竟是什么呢？这个问题科学家引起了一场持久的论战。 1660 年，牛顿的一生死敌胡克发表了他的光波动理论。他认为光线在一个名为发光以太的介质中以波的形式四射，并且由于波并不受重力影响，他假设光会在进入高密度介质时减速。胡克的光波动理论是光的波动说的雏形。 而牛顿却和胡克提出了相反的意见，他在法国数学家皮埃尔·伽森荻提出的物体是由大量坚硬粒子组成的基础上，根据光的直线传播规律、光的偏振现象，最终于1675 年提出假设。 牛顿认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀媒质中以一定的速度传播。微粒说由此产生。 牛顿的分光实验 而牛顿和胡克还没有撕起来，法国科学院的掌门人惠更斯也插了进来，在 1678 年，惠更斯在法国科学院的一次公开演讲中推翻了牛顿的光的微粒说，并在 1690 年出版的《光论》提出了著名的惠更斯原理，惠更斯原理表示波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。 借着这原理，他可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释，并且推导出反射定律与折射定律；但是他并不能解释，为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时，会偏离了直线传播，即衍射效应。惠更斯假定次波只会朝前面方向传播，而不会朝后面方向传播。他并没有解释为什么会发生这种物理行为。但是在当时来说，惠更斯原理的提出标志着波动学说的正式建立。 而由此也掀起了第一次波粒大战，惠更斯和牛顿的支持者你来我往互掐了好几个回合，还逼的牛顿和惠更斯两个人下场对撕。 在惠更斯去世之后，牛顿出版巨著《光学》，这本著作汇聚了牛顿在剑桥三十年研究的心血，从粒子的角度，阐明了反射、折射、透镜成像、眼睛作用模式、光谱等方方面面的内容，他更从波动说中汲取养分，将波动说中的震动、周期等理论引入粒子论，全面完善补足了粒子学说。 紧接着牛顿将波动说无法解释的问题一一提出，并对惠更斯当年的《光论》加以驳斥。因为死人是没有办法反驳的，再加上牛顿当时在科学界的地位，牛顿最终以一己之力，扭转了光学两大理论交锋局势，赢得了第一次波粒之战的胜利，此后的一个世纪，微粒说一直牢牢占据着光学研究的主流。 1807 年，在波粒之战过去 103 年之后，著名的科学家托马斯·杨在实验室进行了著名的杨氏双缝干涉实验，由此拉开了第二次波粒大战的序幕。 托马斯.杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，他突然产生了疑问“为什么会形成一明一暗的条纹呢？”他想：“用波来解释不是很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同向”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果；而暗的那些条纹，则一定是两道光正好处于“反向”，它们的波峰波谷相对，正好相互抵消了。“ 为了验证这个想法，他立即进行了一系列实验，这便是著名的杨氏双缝干涉实验。这个实验中学物理课本上也有。 就是把一个手电筒放在一张开了一个小孔的纸前边，然后在纸后边再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到墙壁上，就会形成一系列明、暗交替的条纹。 这个实验成了支持光的波动理论的绝佳例子，杨氏双缝实验也被称为光的干涉现象，干涉这个名词也是杨首次提出的。他证实了光纤通过平行且距离很小的两个小孔，通过两小孔频率相同的光会发生互相影响投射出明暗相间的图案 杨的实验结果给学界带来了很大的冲击，也极力地证明了惠更斯早年提出的光波动理论，然而，当时牛顿已经成为了权威，容不得质疑，科学界对于微粒说深信不疑。托马斯.杨遇到了和麦克斯韦一样的事情。他们对于杨的实验结果予以否认，并称之“荒谬绝伦”。 托马斯.杨遭受到了无与伦比的压力，他在双缝实验得出来的结论被无情封杀，据传只印刷了一本，还是自己自费印刷的，后来托马斯.杨宣布退出光学研究，转而研究考古学，当然在考古学他也作出了巨大的成就。 而托马斯·杨的双缝实验传到法国科学家，也引起了法国科学界的震动，但是法国科学院迷信牛顿的权威，认为托马斯·杨的实验是错的。 1818年，法国科学院提出了征文竞赛题目：一是利用精确的实验确定光线的衍射效应；二是根据实验，用数学归纳法推求出光通过物体附近时的运动情况。 在法国物理学家阿拉果与安培的鼓励和支持下，菲涅耳向科学院提交了应征论文。他用半波带法定量地计算了圆孔、圆板等形状的障碍物产生的衍射花纹，在了惠更斯和托马斯·杨的波动说基础上，提出了惠更斯-菲涅耳原理。 菲涅耳在惠更斯原理的基础上假设这些次波会彼此发生干涉，用这种观点来描述波的传播，可以解释波的衍射现象。特别地，惠更斯－菲涅耳原理是建立衍射理论的基础，并指出了衍射的实质是所有次波彼此相互干涉的结果。为了符合实验结果，他又添加了一些关于次波的相位 与波幅的假定，从而给波为什么只会朝前面方向传播，而不会朝后面方向传播这问题给出一个定量的解释。 凭借此原理，菲涅耳解释影子的存在和光的直线传播，并指出光的干涉现象和声音的干涉现象所以不同，是由于光的波长短得多。
菲涅耳把自己的理论和对于实验的说明提交给评判委员会。参加这个委员会的有：波动说的热心支持者阿拉果；微粒说的支持者拉普拉斯、泊松和比奥；持中立态度的盖·吕萨克。菲涅耳的波动理论遭到了光的粒子论者的反对。 泊松立马就跳出来反驳，根据菲涅耳的理论，应当能看到一种非常奇怪的现象：如果在光束的传播路径上，放置一块不透明的圆板，由于光在圆板边缘的衍射，在离圆板一定距离的地方，圆板阴影的中央应当出现一个亮斑。
泊松提出来的现象在当时来说，是非常不可思议的，可以说违背了当时人们的认知常识，所以泊松认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。他信誓旦旦地宣称，他已驳倒了波动理论。
然而菲涅耳和阿拉果并没有放弃，立马接受了这个挑战，如果说菲涅尔的实验结果上，不透光圆板后面应该是一个暗斑，这就说明光具有粒子性，但是如果真出现了亮斑，就证明了光具有波动性。 他们立即用实验检验了这个理论预言，影子中心的确出现了一个亮斑。可以说非常精彩地证实了菲涅尔理论的结论，本来是为了彻底打倒波动说，结果却撼动了微粒说的权威地位。后人戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑。
过了不久， 菲涅耳又用复杂的的理论计算表明，当这个圆片的半径很小时，这个亮点才比较明显。经过实验验证，果真如此，菲涅耳因此荣获了这一届的科学奖，可以说，泊松亮斑成了惠更斯－菲涅耳原理的最好佐证。
我们可以自己在家里那激光笔还有玻璃来做这个实验，在玻璃上用黑笔涂上一个圆形的阴影，将玻璃放置在白墙前方，你用激光笔照射这个阴影，那么在后面的白墙墙上，你用放大镜观察就会发现在暗斑中间会有一个亮斑，这就是泊松亮斑。
泊松无形之中为菲涅尔助攻了一把，菲涅尔的理论成为了第二次波粒战争的决定性事件。后来傅科和赫兹的实验则直接推翻了牛顿的微粒说权威地位，获得了第二次波粒大战的终极胜利。 直到德布罗意在1924 年提出了“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，1927年，C . J . 戴维孙和 L . H . 革、G . P. 汤姆孙和A.里德分别用实验证实了德布罗意理论的正确性，从而彻底终结了波粒大战。
简单来说，光既是粒子也是波，量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候，它们是以波的形式运动，由于存在干涉，穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后，它们立刻选择成为粒子，就不会产生干涉，穿过双缝留下痕迹。 也就是说粒子的波粒二象 性不可能在同一测量中同时出现，两个概念在描述微观现象时是 互斥的，不会在同一-实验中直接冲突。二者在描述微观时都是不可缺少的，它们是互补并协的。
玻尔曾举国过一个形象的粒子在任一时刻我们只能看到银币的-面，而只有当银币的正、反两面都被看到后，才可能银币有完整的认识。这也是为什么会产生波粒大战的原因，牛顿惠更斯他们在实验中都只看到了光的一面。 |
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