十九世紀最偉大的光學(xué)家—菲涅爾　

　　十九世紀最偉大的光學(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告，這時(shí)他還不知道托馬斯．揚關(guān)于衍射的論文。菲涅耳以光波干涉的思想補充了惠更斯原理，認為在各子波的包絡(luò )面上，由于各子波的互相干涉而使合成波具有顯著(zhù)的強度，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，菲涅耳認為屏的邊緣不會(huì )發(fā)生反射。阿拉戈熱情地報告了這篇論文，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象上還存在著(zhù)很大的困難。牛頓在《光學(xué)》疑問(wèn)26中曾經(jīng)問(wèn)道：“光線(xiàn)不是有幾個(gè)邊緣，它們各有一些原來(lái)的性質(zhì)嗎？”是雙折射現象引起了這一疑問(wèn)。菲涅耳和阿拉戈總結了偏振光的干涉規律，發(fā)現兩束偏振光當它們的反射面互相平行時(shí)可以發(fā)生干涉；但當反射面互相垂直時(shí)，干涉現象就消失。就是說(shuō)，兩束互相垂直的偏振的光線(xiàn)，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(xiàn)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，但粒子的運動(dòng)是在相對于徑向的某個(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，菲涅耳當時(shí)已經(jīng)獨立地領(lǐng)悟到了這個(gè)思想，他立即以這一假設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論，其中包括偏振面轉動(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)假設是非常大膽的，因為根據彈性理論，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，而當菲涅耳用橫波觀(guān)點(diǎn)對實(shí)驗結果進(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的。后來(lái)，菲涅耳把所有觀(guān)察的結果總結成為一個(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)現了晶體中的波面，和支配反射光與折射光強度的定律。所有這些都是一些重大成就，由此建立了尚待解釋的現象學(xué)。觀(guān)察在真空內傳播光的媒質(zhì)―以太的性質(zhì)，這本應是最大的成就。但是菲涅耳在這里遇到了不可克服的困難。1818年，法國科學(xué)院提出了征文競賽題目：一是，利用精確的實(shí)驗定光線(xiàn)的衍射效應；二是，根據實(shí)驗，用數學(xué)歸納法推求出光線(xiàn)通過(guò)物體附近時(shí)的運動(dòng)情況。在阿拉戈的鼓勵與支持下，菲涅耳向科學(xué)院提出了應征論文，他從橫波觀(guān)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，評獎委員會(huì )的成員泊松運用菲涅耳的方程推導出關(guān)于盤(pán)衍射的一個(gè)奇怪的結論：如果這些方程是正確的，那么當把一個(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)出現一個(gè)亮斑；泊松認為這當然是十分荒謬的，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，立即用實(shí)驗檢驗了這個(gè)理論預言，非常精彩地證實(shí)了這個(gè)理論的結論，影子中心的確出現了一個(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，標志著(zhù)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”。