菲涅尔——波动光学的奠基者

　　对光学有一定了解的人对菲涅尔这个名字应该不会陌生，从菲涅尔折反射定律到菲涅尔波带片，再到菲涅尔衍射，处处在提醒我们不要忘记这位科学家的伟大贡献。那么，历史中的菲涅尔是一个什么样的人？他有着怎样的生活经历？做出了哪些留名科学史的成就呢？

　　本为工程师，半路搞科研

　　1788年5月10日，奥古斯汀·让·菲涅尔出生于法国厄尔省布罗格利耶的一个建筑师家庭。次年7月14日爆发了法国大革命的开端事件—攻占巴士底狱。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。菲涅尔从小就体弱多病，在家里接受母亲的启蒙教育。年少时菲涅尔并没有表现出自己天才的一面，反而在学习上有些迟钝，一直到8岁在阅读上还存在障碍。但到了9岁似乎突然开了窍，开始展现出自己在科学技术上的天分，能独立制作玩具弓箭和玩具枪。

　　1800年，12岁的菲涅尔开始在法国卡昂中央理工学院正式接受系统全面的教育，并逐渐显露出惊人的智慧。那是他第一次学习科学的相关知识，并深深地爱上了数学这门神奇的学科。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2年巴黎综合理工学院和3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。

　　1806年毕业后，菲涅尔在政府机关担任工程师，从事道路建设工作，但业余时间也在进行自己感兴趣的科学研究工作。1815年，拿破仑复辟，反对拿破仑的菲涅尔受到了迫害，被解除职务并关押了起来。同年滑铁卢之战，拿破仑战败，被二次流放，百日王朝终结，波旁王朝再次复辟，菲涅尔才重获自由。恰恰是在被关押的这几个月中，菲涅尔开始了几项光学研究，其中关于衍射的研究甚至引发了光学革命。之前菲涅尔只是在业余时间进行研究，而这次关押让他全身心投入到光学研究中。其间，他还写了一篇关于恒星光行差的论文，虽然这篇论文未能发表，但也是他工作中的一项重要成就，并为以后的进一步研究奠定了基础。

　　波粒战争，出奇制胜

　　对于光究竟是波还是粒子，科学界有过两次较为激烈的论战，被戏称为两次波粒战争。第一次波粒战争见证了胡克与牛顿的恩怨，微粒说随着牛顿的声望而如日中天，统治了将近一个世纪；第二次波粒战争则是波动说的翻身仗，菲涅尔奇兵杀出，以一篇论文一举奠定波动说的胜势。

　　古希腊的德谟克利特提出了原子论，认为万物由原子组成，同样，人们倾向于把光看作细小微粒的流动，这一观点被称为微粒说。中世纪之后，随着对声波、水波等机械波的研究，人们开始假设光并不是一种物质粒子，而是由介质振动而产生的一种波，这一观点被称为波动说。机械波的传播需要介质实现，而光能够穿过几乎是真空的太空，似乎并不需要任何媒介就可以前进，这与当时对波的认识相悖。为了摆脱这一难题，人们设想了一种看不见摸不着的物质—以太（Ether），将其作为光传播的媒介。

　　第一次波粒战争主要在英国皇家学会内部展开。随着波动说的兴起以及自己的实验观测，皇家学会会员罗伯特·胡克在他1665年出版的《显微术》中明确地支持波动说，波动说一时占了上风。1672年，一位名叫艾萨克·牛顿的年轻人由于制造了一台出色的望远镜而当选为皇家学会会员，准备在光学与仪器方面大展拳脚。牛顿在学会提交的第一篇论文是关于光的色散实验，光的复合和分解被比喻为不同颜色微粒的混合和分开，该论文受到了光学权威胡克毫不留情的批评，牛顿勃然大怒，从此一生与胡克为敌。1704年，也就是胡克去世后次年，牛顿终于出版了他的巨著《光学》，其中用微粒说解释了光的种种现象，并且与牛顿力学体系结合在一起。从此，微粒说凭着牛顿的权威，统治了将近一个世纪。

　　第二次波粒战争随着托马斯·杨的双缝干涉实验而拉开了序幕。1807年，杨出版了《自然哲学讲义》，第一次描述了那个使他名扬四海的实验—杨氏双缝干涉。微粒说的支持者一开始并不以为然，但他们逐渐认识到，使用微粒说确实很难解释双缝干涉现象。他们转而以攻代守，指出偏振现象等当时波动说难以解释的现象，双方各执一词，局面由此僵持。

　　最后决战源于1818年法国科学院的一次悬赏征文比赛，比赛的题目是利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导光线通过物体附近时的运动情况。竞赛评委会由毕奥、拉普拉斯、泊松等当时知名的科学家组成，他们大都是微粒说的积极拥护者。从评委会的本意来说，他们或许是想通过微粒说来解释光的衍射以及运动，以此来打击波动说。

　　1819年，名不见经传的年轻工程师菲涅尔在物理学家阿拉果和安培的鼓励下，向征文竞赛组委会提交了一篇论文，这篇论文的核心就是后来被人们称为惠更斯—菲涅尔原理的理论。在论文中，菲涅尔采用了光是波动的观点，并通过严密的数学推理对衍射过程进行计算，极为圆满地解释了光的衍射问题，评委会成员也深深为之惊叹。泊松对菲涅尔的理论进行了仔细的审查，发现当把这个理论应用于圆盘衍射时，在阴影中间将会出现一个亮斑，泊松认为这是非常荒谬的，在影子中间怎么会出现亮斑呢？这让菲涅尔的论文差点被摒弃。在关键时刻，菲涅尔的同事、评委之一的阿拉果顶住了压力，坚持要求进行实验验证，结果发现真的有一个亮点奇迹般地出现在阴影的正中间，实验与理论符合得相当完美！泊松计算的亮斑本来是用来质疑菲涅尔衍射理论的，最后反而成为支持这个理论的有力证据。圆盘衍射阴影中心的那个亮斑后来被误导性地称为泊松亮斑，更加增添了这一事件的戏剧性。这一仗改变了第二次波粒战争的局势，吹响了波动说战略大反攻的号角，菲涅尔也因此一举成名。

　　由于波动说一直是假设光波为纵波，因此在解释偏振问题时仍然困难重重。菲涅尔在1821年发表《关于偏振光线的相互作用》的论文，革命性地假设光是一种横波，从而成功地解释了偏振现象，克服了战役中一个最难以征服的据点。

　　第二次波粒战争以波动说的胜利、微粒说的失败而告终，但这并不是结束。麦克斯韦后来创立了电磁理论，人们认识到了光是一种电磁波。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出物质波假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。对光与物质本性的认识，我们还在路上，仍未到达终点。前人留给我们最宝贵的不是金银财宝，而是这些珍贵知识的传承，以及解决问题时的勇气与智慧。

　　贡献卓越，天妒英才

　　菲涅尔科学成就颇丰，主要在于之前提到的衍射与偏振两方面。在衍射方面，他完善了惠更斯的波动理论，以干涉原理为基础，用新的定量形式建立了惠更斯—菲涅尔原理，完善了光的衍射理论，这一理论在目前仍然被广泛使用。在偏振方面，他与阿拉果一起确定了光是横波；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振现象，用波动说解释了偏振面的旋转；他推出了反射和折射定律的定量计算公式，即菲涅尔公式；他解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象，奠定了晶体光学的基础。

　　菲涅尔的实验具有很强的直观性、明锐性，很多现在仍通行的实验和光学元件都冠有菲涅尔的姓氏，如菲涅尔双面镜干涉、菲涅尔波带片、菲涅尔透镜、菲涅尔圆孔衍射等。菲涅尔透镜很有趣，它将较为厚重的透镜变成了一块薄薄的平板，开创了透镜轻量化的先河。这一设计首先被应用到了灯塔上，1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔上，透过它发射的光线可以在20英里（约32千米）以外被看到。目前在投影显示、聚光聚能、航空航海、红外探测等场景仍能看到菲涅尔透镜的广泛应用。

　　由于对光的本性研究以及波动光学理论的建立做出了卓越贡献，1823年菲涅尔当选为法国科学院院士，1825年又成为英国皇家学会会员。但是这样一位在物理光学领域功成名就的伟人却长期饱受疾病折磨。1827年，他在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，就因结核病在巴黎附近的市镇去世，年仅39岁。作为72位法国知名人士之一，菲涅尔的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，波动光学史上永远铭记他的非凡贡献。

　　【责任编辑】庞 云

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