物理光学的缔造者——菲涅耳

作者:杨朋飞来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-04-22

菲涅耳在衍射和偏振方面做出了巨大的贡献,被称为物理光学的缔造者。

众所周知,埃菲尔铁塔是法国巴黎最富盛名的地标建筑,去往巴黎的游客一般都会游览这个地方,但是塔身上镌刻着的72个人名却鲜有人注意。这些人名都雕刻在埃菲尔铁塔第一个平台的四个壁面上,每个字母有半米多高,他们全部都是法国的物理学家、化学家、数学家、工程师以及其他领域的杰出人物,而奥古斯丁·菲涅耳正好是其中之一。

菲涅耳(来源:360百科菲涅耳词条)

1788年,菲涅耳出生于法国厄尔省布罗格利耶的一个建筑师家庭。他从小就体弱多病,在家里接受母亲的启蒙教育。和爱因斯坦很像,年少时小菲涅耳并没有表现出自己天才的一面,反而在学习上有些迟钝,一直到八岁在阅读上还存在障碍。但到了九岁似乎突然开了窍,开始展现出自己在科学技术上的天分,独立制造出了玩具弓箭和玩具枪。

1804年,菲涅耳以优异的成绩考入了巴黎综合理工学院,在校期间,还是一直体弱多病,但他孜孜不倦地学习,成绩依然优异,在绘画和几何学方面表现尤为突出。1806年毕业后,菲涅耳进入法国国立路桥学校继续深造。毕业后成为了一名工程师,主要进行道路建设的工作。

1815年,拿破仑复辟,反对拿破仑的菲涅耳受到了迫害,被解除职务关押了起来。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,菲涅耳才重获自由。

恰恰是被关押的这几个月菲涅耳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。之前菲涅耳只是在业余时间进行研究,而这次关押让他全身心投入到了光学中去。期间,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,并为其以后的进一步研究奠定了基础。

1818年,正是第二次波粒战争进行得如火如荼之时,法国科学院举办了一场悬赏征文竞赛,竞赛题目是《利用精密的实验确定光的衍射效应以及推导出光线通过物体附近时的运动情况》。竞赛评委会由很多著名的科学家组成,比如支持微粒说的拉普拉斯、泊松、比奥和支持波动说的阿拉果。这场征文竞赛也成为了第二次波粒战争中的重要战场。

1819年,名不见经传的年轻工程师菲涅耳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-菲涅耳原理的理论。

惠更斯原理是指波面上的每一点均为发射子波的波源,这些子波的包络面就是新的波阵面。惠更斯原理可以很好地解释光的直线传播、反射、折射现象,也能定性解释衍射现象的成因。但是其缺陷也很明显:一是无法定量计算衍射波的强度分布;二是根据理论会有倒退波出现,这明显和实际不符。菲涅耳在惠更斯原理的基础上,对子波的振幅和相位作了定量描述,同时又引入了相干叠加的概念——空间任一点振动为所有子波在该点相干叠加的结果,最终形成的理论就是著名的惠更斯-菲涅耳原理。

菲涅耳阐述这套理论的论文推导严谨、天衣无缝,让诸多评委为之赞叹,但是坚信微粒说的评委泊松并不认可这一理论,对这篇论文进行了极为细致的审查,并使用论文中的理论进行了计算,当这个理论应用于圆盘衍射时,阴影中心会出现一个亮斑,这个计算结果有悖于人们的直觉。泊松也认为这个很荒谬,于是拿着这个计算结果对菲涅耳的论文进行质疑。圆盘衍射阴影中央出现亮斑的确有些匪夷所思,这个质疑差点让菲涅耳的论文不能通过评委会审查。万幸的是支持波动说的评委阿拉果坚持进行实验验证,实验结果发现圆盘衍射阴影中央的确出现了一个亮斑,位置和亮度与理论计算结果完美吻合,菲涅耳的理论获得了胜利。泊松计算的亮斑本来是用来质疑菲涅耳衍射理论的,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,更加增添了这个事件的戏剧性。

泊松亮斑(来源:搜狐网)

同年,菲涅耳还发明了菲涅耳透镜,与原透镜相比,菲涅耳透镜对应各处曲率相等,仍然可以起到透镜的效果,只是焦距更短了。这种设计比一般的透镜减少了材料,体积更小、镜片更薄,可以透过更多的光,同时也易于建造更大孔径的透镜。最早运用在了灯塔上面,在生产生活中也有着广泛地应用,比如汽车头灯、手机闪光灯、航母菲涅尔光学助降系统中都有菲涅耳透镜的身影。

菲涅耳透镜(来源:百度百科菲涅耳透镜词条)

菲涅耳以波动学说为基础的理论很好地解释了衍射现象,对光的微粒说给予了沉重一击,但是光的偏振现象却不能很好地解释。为此,菲涅耳革命性地把光假设成横波,并和前文提到的阿拉果一起对偏振光的干涉进行了研究,于1821年发表了一篇论文——《关于偏振光线的相互作用》,使用横波理论成功地解释了偏振现象。

菲涅耳还发现了圆偏振光和椭圆偏振光,并对其进行了解释;推导出了著名的菲涅耳公式;解释了双折射现象和反射光偏振现象。

1823年,菲涅耳当选为法国科学院院士,1825年当选为英国皇家学会会员,1827年因肺结核病逝世,享年39岁。

常年疾病缠身并没有击垮菲涅耳,他仍孜孜不倦地攀登着科学高峰,在衍射和偏振两方面做出了卓越的贡献,被后世誉为“物理光学的缔造者”。

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【参考资料】

1图书《大学物理下册》,作者许三南、陆建、徐浦,机械工业出版社2005年8月。

2图书《上帝掷骰子吗?量子力学史话》,作者曹天元,辽宁教育出版社2006年1月。

【科学家简介】

奥古斯丁•菲涅耳(Augustin Fresnel,1788年5月10日-1827年7月14日)法国著名物理学家,是波动光学理论的主要奠基人之一。

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