菲涅爾——波動光學(xué)的奠基者

吉光

對光學(xué)有一定了解的人對菲涅爾這個(gè)名字應(yīng)該不會陌生，從菲涅爾折反射定律到菲涅爾波帶片，再到菲涅爾衍射，處處在提醒我們不要忘記這位科學(xué)家的偉大貢獻(xiàn)。那么，歷史中的菲涅爾是一個(gè)什么樣的人？他有著怎樣的生活經(jīng)歷？做出了哪些留名科學(xué)史的成就呢？

本為工程師，半路搞科研

1788年5月10日，奧古斯汀·讓·菲涅爾出生于法國厄爾省布羅格利耶的一個(gè)建筑師家庭。次年7月14日爆發(fā)了法國大革命的開端事件——攻占巴士底獄。當(dāng)菲涅爾6歲時(shí)，法國的局勢已經(jīng)非常惡劣。菲涅爾父親的建筑工作被迫停下，舉家搬遷至一個(gè)名叫馬修的小村莊里生活。菲涅爾從小就體弱多病，在家里接受母親的啟蒙教育。年少時(shí)菲涅爾并沒有表現(xiàn)出自己天才的一面，反而在學(xué)習(xí)上有些遲鈍，一直到8歲在閱讀上還存在障礙。但到了9歲似乎突然開了竅，開始展現(xiàn)出自己在科學(xué)技術(shù)上的天分，能獨(dú)立制作玩具弓箭和玩具槍。

1800年，12歲的菲涅爾開始在法國卡昂中央理工學(xué)院正式接受系統(tǒng)全面的教育，并逐漸顯露出驚人的智慧。那是他第一次學(xué)習(xí)科學(xué)的相關(guān)知識，并深深地愛上了數(shù)學(xué)這門神奇的學(xué)科。也是從那時(shí)起，他立下了未來要從事科學(xué)工程研究工作的遠(yuǎn)大志向。而后經(jīng)過2年巴黎綜合理工學(xué)院和3年國立橋路學(xué)校的課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐熏陶，菲涅爾用優(yōu)異的成績證明了自己的天賦，并成功取得了土木工程師資格證。

1806年畢業(yè)后，菲涅爾在政府機(jī)關(guān)擔(dān)任工程師，從事道路建設(shè)工作，但業(yè)余時(shí)間也在進(jìn)行自己感興趣的科學(xué)研究工作。1815年，拿破侖復(fù)辟，反對拿破侖的菲涅爾受到了迫害，被解除職務(wù)并關(guān)押了起來。同年滑鐵盧之戰(zhàn)，拿破侖戰(zhàn)敗，被二次流放，百日王朝終結(jié)，波旁王朝再次復(fù)辟，菲涅爾才重獲自由。恰恰是在被關(guān)押的這幾個(gè)月中，菲涅爾開始了幾項(xiàng)光學(xué)研究，其中關(guān)于衍射的研究甚至引發(fā)了光學(xué)革命。之前菲涅爾只是在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行研究，而這次關(guān)押讓他全身心投入到光學(xué)研究中。其間，他還寫了一篇關(guān)于恒星光行差的論文，雖然這篇論文未能發(fā)表，但也是他工作中的一項(xiàng)重要成就，并為以后的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

波粒戰(zhàn)爭，出奇制勝

對于光究竟是波還是粒子，科學(xué)界有過兩次較為激烈的論戰(zhàn)，被戲稱為兩次波粒戰(zhàn)爭。第一次波粒戰(zhàn)爭見證了胡克與牛頓的恩怨，微粒說隨著牛頓的聲望而如日中天，統(tǒng)治了將近一個(gè)世紀(jì)；第二次波粒戰(zhàn)爭則是波動說的翻身仗，菲涅爾奇兵殺出，以一篇論文一舉奠定波動說的勝勢。

古希臘的德謨克利特提出了原子論，認(rèn)為萬物由原子組成，同樣，人們傾向于把光看作細(xì)小微粒的流動，這一觀點(diǎn)被稱為微粒說。中世紀(jì)之后，隨著對聲波、水波等機(jī)械波的研究，人們開始假設(shè)光并不是一種物質(zhì)粒子，而是由介質(zhì)振動而產(chǎn)生的一種波，這一觀點(diǎn)被稱為波動說。機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，而光能夠穿過幾乎是真空的太空，似乎并不需要任何媒介就可以前進(jìn)，這與當(dāng)時(shí)對波的認(rèn)識相悖。為了擺脫這一難題，人們設(shè)想了一種看不見摸不著的物質(zhì)——以太（Ether），將其作為光傳播的媒介。

第一次波粒戰(zhàn)爭主要在英國皇家學(xué)會內(nèi)部展開。隨著波動說的興起以及自己的實(shí)驗(yàn)觀測，皇家學(xué)會會員羅伯特·胡克在他1665年出版的《顯微術(shù)》中明確地支持波動說，波動說一時(shí)占了上風(fēng)。1672年，一位名叫艾薩克·牛頓的年輕人由于制造了一臺出色的望遠(yuǎn)鏡而當(dāng)選為皇家學(xué)會會員，準(zhǔn)備在光學(xué)與儀器方面大展拳腳。牛頓在學(xué)會提交的第一篇論文是關(guān)于光的色散實(shí)驗(yàn)，光的復(fù)合和分解被比喻為不同顏色微粒的混合和分開，該論文受到了光學(xué)權(quán)威胡克毫不留情的批評，牛頓勃然大怒，從此一生與胡克為敵。1704年，也就是胡克去世后次年，牛頓終于出版了他的巨著《光學(xué)》，其中用微粒說解釋了光的種種現(xiàn)象，并且與牛頓力學(xué)體系結(jié)合在一起。從此，微粒說憑著牛頓的權(quán)威，統(tǒng)治了將近一個(gè)世紀(jì)。

第二次波粒戰(zhàn)爭隨著托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)而拉開了序幕。1807年，楊出版了《自然哲學(xué)講義》，第一次描述了那個(gè)使他名揚(yáng)四海的實(shí)驗(yàn)——楊氏雙縫干涉。微粒說的支持者一開始并不以為然，但他們逐漸認(rèn)識到，使用微粒說確實(shí)很難解釋雙縫干涉現(xiàn)象。他們轉(zhuǎn)而以攻代守，指出偏振現(xiàn)象等當(dāng)時(shí)波動說難以解釋的現(xiàn)象，雙方各執(zhí)一詞，局面由此僵持。

最后決戰(zhàn)源于1818年法國科學(xué)院的一次懸賞征文比賽，比賽的題目是利用精密的實(shí)驗(yàn)確定光的衍射效應(yīng)以及推導(dǎo)光線通過物體附近時(shí)的運(yùn)動情況。競賽評委會由畢奧、拉普拉斯、泊松等當(dāng)時(shí)知名的科學(xué)家組成，他們大都是微粒說的積極擁護(hù)者。從評委會的本意來說，他們或許是想通過微粒說來解釋光的衍射以及運(yùn)動，以此來打擊波動說。

1819年，名不見經(jīng)傳的年輕工程師菲涅爾在物理學(xué)家阿拉果和安培的鼓勵(lì)下，向征文競賽組委會提交了一篇論文，這篇論文的核心就是后來被人們稱為惠更斯——菲涅爾原理的理論。在論文中，菲涅爾采用了光是波動的觀點(diǎn)，并通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理對衍射過程進(jìn)行計(jì)算，極為圓滿地解釋了光的衍射問題，評委會成員也深深為之驚嘆。泊松對菲涅爾的理論進(jìn)行了仔細(xì)的審查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)把這個(gè)理論應(yīng)用于圓盤衍射時(shí)，在陰影中間將會出現(xiàn)一個(gè)亮斑，泊松認(rèn)為這是非常荒謬的，在影子中間怎么會出現(xiàn)亮斑呢？這讓菲涅爾的論文差點(diǎn)被摒棄。在關(guān)鍵時(shí)刻，菲涅爾的同事、評委之一的阿拉果頂住了壓力，堅(jiān)持要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的有一個(gè)亮點(diǎn)奇跡般地出現(xiàn)在陰影的正中間，實(shí)驗(yàn)與理論符合得相當(dāng)完美！泊松計(jì)算的亮斑本來是用來質(zhì)疑菲涅爾衍射理論的，最后反而成為支持這個(gè)理論的有力證據(jù)。圓盤衍射陰影中心的那個(gè)亮斑后來被誤導(dǎo)性地稱為泊松亮斑，更加增添了這一事件的戲劇性。這一仗改變了第二次波粒戰(zhàn)爭的局勢，吹響了波動說戰(zhàn)略大反攻的號角，菲涅爾也因此一舉成名。