十九世紀(jì)最偉大的光學(xué)家—菲涅爾　

　　十九世紀(jì)最偉大的光學(xué)家—菲涅爾

　　菲涅耳的光學(xué)成就

　　1815年，菲涅耳向科學(xué)院提交了關(guān)于光的衍射的第一份研究報(bào)告，這時(shí)他還不知道托馬斯．揚(yáng)關(guān)于衍射的論文。菲涅耳以光波干涉的思想補(bǔ)充了惠更斯原理，認(rèn)為在各子波的包絡(luò)面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有顯著的強(qiáng)度，這給予惠更斯原理以明確的物理意義。但同托馬斯．楊所認(rèn)為的衍射是由直射光束與邊緣反射光束的干涉形成的看法相反，菲涅耳認(rèn)為屏的邊緣不會(huì)發(fā)生反射。阿拉戈熱情地報(bào)告了這篇論文，并第一個(gè)改信了波動(dòng)說(shuō)。但是，波動(dòng)說(shuō)在解釋偏振光的干涉現(xiàn)象上還存在著很大的困難。牛頓在《光學(xué)》疑問(wèn)26中曾經(jīng)問(wèn)道：“光線不是有幾個(gè)邊緣，它們各有一些原來(lái)的性質(zhì)嗎？”是雙折射現(xiàn)象引起了這一疑問(wèn)。菲涅耳和阿拉戈總結(jié)了偏振光的干涉規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩束偏振光當(dāng)它們的反射面互相平行時(shí)可以發(fā)生干涉；但當(dāng)反射面互相垂直時(shí)，干涉現(xiàn)象就消失。就是說(shuō)，兩束互相垂直的偏振的光線，彼此不發(fā)生干涉作用，而原來(lái)偏振方向相同的兩束光，就好象尋常光線一樣地可以發(fā)生干涉。1817年，一直在為波動(dòng)說(shuō)的困難尋找解決辦法的托馬斯．楊覺(jué)察出，如果光的振動(dòng)不是象聲波那樣沿運(yùn)動(dòng)方向作縱向振動(dòng)，而是象水波或拉緊的琴弦那樣垂直于運(yùn)動(dòng)方向作橫向振動(dòng)，問(wèn)題或許可以得到解決。1817年初，楊寫(xiě)信給阿拉戈說(shuō)：“……雖然波動(dòng)說(shuō)可以解釋橫向振動(dòng)也在徑向方向并以相等速度傳播，但粒子的運(yùn)動(dòng)是在相對(duì)于徑向的某個(gè)恒定方向上，而這就是偏振。”阿拉戈立即將托馬斯．楊的這一新想法告訴了菲涅耳，菲涅耳當(dāng)時(shí)已經(jīng)獨(dú)立地領(lǐng)悟到了這個(gè)思想，他立即以這一假設(shè)解釋了偏振光的干涉的定律，而且還得出了一系列其他的重要結(jié)論，其中包括偏振面轉(zhuǎn)動(dòng)理論，反射和折射理論，雙折射理論。但是，光振動(dòng)是橫向的這個(gè)假設(shè)是非常大膽的，因?yàn)楦鶕?jù)彈性理論，在稀薄的以太里是不可能產(chǎn)生橫向振動(dòng)的。所以，阿拉戈雖然和菲涅耳一起進(jìn)行了關(guān)于偏振光干涉的研究，而當(dāng)菲涅耳用橫波觀點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋時(shí)，阿拉戈卻不敢和他一起發(fā)表這個(gè)新見(jiàn)解。論文的這一部分是以菲涅耳的名義表達(dá)的。后來(lái)，菲涅耳把所有觀察的結(jié)果總結(jié)成為一個(gè)完整的偏振光理論，其中包括相干概念和橢圓偏振。他發(fā)現(xiàn)了晶體中的波面，和支配反射光與折射光強(qiáng)度的定律。所有這些都是一些重大成就，由此建立了尚待解釋的現(xiàn)象學(xué)。觀察在真空內(nèi)傳播光的媒質(zhì)―以太的性質(zhì)，這本應(yīng)是最大的成就。但是菲涅耳在這里遇到了不可克服的困難。1818年，法國(guó)科學(xué)院提出了征文競(jìng)賽題目：一是，利用精確的實(shí)驗(yàn)定光線的衍射效應(yīng)；二是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，用數(shù)學(xué)歸納法推求出光線通過(guò)物體附近時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。在阿拉戈的鼓勵(lì)與支持下，菲涅耳向科學(xué)院提出了應(yīng)征論文，他從橫波觀點(diǎn)出發(fā)，圓滿(mǎn)地解釋了光的偏振，用半周帶的方法定量地計(jì)算了圓孔、圓板等形狀的障礙物產(chǎn)生的衍射花紋，而且與實(shí)驗(yàn)符合得很好。但是，菲涅耳的波動(dòng)理論遭到了光的粒子說(shuō)者的反對(duì)，評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的成員泊松運(yùn)用菲涅耳的方程推導(dǎo)出關(guān)于盤(pán)衍射的一個(gè)奇怪的結(jié)論：如果這些方程是正確的，那么當(dāng)把一個(gè)小圓盤(pán)放在光束中時(shí)，就會(huì)在小圓盤(pán)后面一定距離處的屏幕上盤(pán)影的中心點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)亮斑；泊松認(rèn)為這當(dāng)然是十分荒謬的，所以他宣稱(chēng)已經(jīng)駁倒了波動(dòng)理論。菲涅耳和阿拉戈接受了這個(gè)挑戰(zhàn)，立即用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了這個(gè)理論預(yù)言，非常精彩地證實(shí)了這個(gè)理論的結(jié)論，影子中心的確出現(xiàn)了一個(gè)亮斑。在托馬斯．楊的雙縫干涉和泊松亮斑的事實(shí)的確證下，光的粒子說(shuō)開(kāi)始崩潰了。

　　菲涅耳的研究成果，標(biāo)志著光學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期―彈性以太光學(xué)的時(shí)期。這個(gè)學(xué)說(shuō)的成功，在牛頓物理學(xué)中打開(kāi)了第一個(gè)缺口，為此他被人們稱(chēng)為“物理光學(xué)的締造者”。