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物理光学的缔造者——菲涅尔

日期:2023-08-03

奥古斯丁·菲涅尔(1788510—1827714)是法国著名的物理学家。他对光的属性研究以及波动光学理论的建设做出了卓越的贡献。从菲涅尔反射定律到菲涅尔透镜,再到菲涅尔衍射,这位著名的科学家在波动光学史上做出了伟大的成就。


大器晚成的菲涅尔

    1788510日,菲涅尔出生在法国的一个建筑师家庭。从小体弱多病,又赶上了法国大革命的动荡局势,他只能在家里接受母亲的启蒙教育。从小他并没有表现出科学方面的天赋,甚至8岁时在阅读上还有障碍。但到了9岁似乎突然开窍,能够独立制作玩具。12岁时,菲涅尔在法国卡昂中央理工学院接受正式教育,并显露出了惊人的智慧,他尤其对科学研究极为感兴趣。在读期间成绩优异,成功取得了土木工程师的资格证。毕业后从事了一段时间的建筑工作后,从1814年起,他开始从事光学研究。1823年,他当选法国科学院院士,1825年被选为英国皇家学会会员。

大获全胜的波粒之战

1818年,法国科学院正进行一场关于光的衍射效应的悬赏征文竞赛。在这之前,天才的托马斯·杨用一个双缝干涉实验证明了光的波动说,挑战了统治近一个世纪的牛顿的微粒说,波粒大战正拉开序幕。这次竞赛并不公平,因为评委中不乏波动说的反对者,竞赛的目的就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。然而,菲涅尔却提交了一篇以波动说为基础的论文。在论文中,菲涅尔采用数学推理和实验数据,用光的波动说极为圆满的解释了光的衍射问题,也就是说他是来“砸场子”的。本来评委是不想给他过关的,但菲涅尔的论文实在太惊艳了,数学推理完美至极,整个体系洋洋洒洒天衣无缝。

就在大多数评委都在深深为之惊叹的时候,波动说的反对者泊松对菲涅尔的理论进行了仔细的审查,还真发现了问题。他发现当把这个理论应用于圆盘衍射时,在阴影中将会出现一个亮斑。这个结论简直是荒谬至极,影子中怎么会有亮斑呢?这让菲涅尔的论文差点儿被一票否决。在关键时刻,另一位评委阿拉戈顶住了压力,他坚持要求实验检测。实验结果让人大吃一惊,真的有个一个亮点奇迹般地出现在阴影的正中间,实验与理论符合的相当完美!


本来泊松是要质疑菲涅尔的理论的,最后却反而成为了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的称为泊松光斑,更加增添了这一事件的戏剧性。大获全胜的菲涅尔一举获得了那一届的优胜奖。

卓越的科学贡献

后来,菲涅尔对光的本性以及波动光学理论的建立都做出了卓越贡献。其中一个重大成就是完善了光的衍射理论:在惠更斯波动理论的基础上,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。这一理论目前仍被广泛使用,如:双面镜干涉、菲涅尔透镜、圆孔衍射等光学实验和光学元件都冠有他的姓氏。另一成就是光的偏振:他与阿拉戈一起研究,得出了光是横波的结论。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;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。

这样一位在物理光学领域做出卓越贡献的科学家却饱受病痛的折磨。1827年,年仅39岁的菲涅尔因结核病在巴黎去世。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,物理光学史上永远铭记他的非凡贡献。