菲涅尔光学理论(菲涅尔折射定律)

季光

对光学有所了解的人应该对菲涅尔这个名字比较熟悉。从菲涅耳的折射反射定律到菲涅耳波带片再到菲涅耳衍射，提醒我们不要忘记这位科学家的伟大贡献。那么，历史上的菲涅尔是一个怎样的人呢？他有怎样的人生经历？你在科学史上取得了哪些成就？作为一名工程师，中途从事科研工作。

1988年5月10日，奥古斯汀·让·菲涅尔出生在法国厄尔布鲁里的一个建筑师家庭。次年7月14日，法国大革命爆发的开端——攻占巴士底狱。菲涅尔6岁的时候，法国的情况已经很糟糕了。菲涅耳的父亲的建筑工作被迫停止，他的家人搬到了一个名叫马修的小村庄居住。菲涅尔从小体弱多病，在家接受母亲的启蒙教育。年轻的时候，菲涅尔并没有表现出他的天才。反而学习有点慢，一直到8岁阅读还有障碍。但是，在9岁的时候，我突然开窍了，开始展现自己的科技天赋。我可以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接受系统全面的教育，并逐渐显示出惊人的智慧。那是他第一次了解科学，他深深地爱上了数学这门神奇的学科。从那以后，他立下了将来从事科学工程研究的远大志向。然后，经过巴黎理工学院两年的课程学习和实践，以及三年的国立乔路学校，菲涅尔以优异的成绩证明了自己的才华，并顺利取得了土木工程师资格证书。

1806年毕业后，菲涅耳在政府机关担任工程师，从事道路建设，但业余时间也从事自己感兴趣的科学研究。1815年，拿破仑复辟，反对拿破仑的菲涅尔遭到迫害、革职和监禁。同年滑铁卢之战，拿破仑战败，第二次被流放，百日王朝结束，波旁王朝再次复辟，菲涅尔重获自由。就在这几个月里，菲涅耳开始了几项光学研究，其中对衍射的研究甚至导致了光学革命。菲涅尔以前只在业余时间做研究，但这次留校使他致力于光学研究。在此期间，他还写了一篇关于恒星像差的论文，虽然没有发表，但这是他工作中的一项重要成果，为以后的进一步研究奠定了基础。波粮大战，出奇制胜

至于光是波还是粒子，科学界一直有两次激烈的争论，被戏称为两次波粒大战。第一次波粒大战见证了胡克和牛顿的恩怨，粒子理论随着牛顿的走红如火如荼，统治了近一个世纪。第二次波粒大战是波动论的一次翻身仗，菲涅尔的《夺宝奇兵》杀出重围，用一篇论文一举奠定了波动论的胜利。

古希腊的德谟克里特斯提出了原子论，认为一切都是由原子构成的。同样，人们倾向于把光看成微小粒子的流动，这就是所谓的粒子理论。中世纪以后，随着对声波、水波等机械波的研究，人们开始假设光不是物质粒子，而是介质振动产生的波。这种观点被称为波动理论。机械波的传播需要介质，而光可以穿过几乎成立的[/k0/]，似乎不需要任何介质就可以前进，这与当时对波的理解相悖。为了摆脱这个问题，人们设想了一种看不见摸不着的物质——以太作为光传播的媒介。

第一次波粒战争主要在英国皇家学会内部进行。随着波动理论的兴起和他自己的实验观察，英国皇家学会会员罗伯特·胡克在1665年发表的《显微镜学》中明确支持波动理论，波动理论一时占了上风。1672年，一个名叫艾萨克·牛顿的年轻人被选为皇家学会的成员，因为他制作了一架出色的望远镜，他准备在光学和仪器方面取得巨大成就。牛顿在学会上提交的第一篇论文是关于光的色散实验。光的重组和分解被比作不同颜色粒子的混合和分离。这篇论文遭到了光学权威胡克的无情批评。牛顿勃然大怒，终生与胡克为敌。1704年，也就是胡克去世的第二年，牛顿终于出版了他的代表作《光学》，用粒子理论解释了光的各种现象，并与牛顿的力学体系相结合。此后，粒子理论以牛顿的权威统治了近一个世纪。

第二次波粒战争始于托马斯·杨的双缝干涉实验。1807年，杨发表《自然哲学讲义》，第一次记述了使他名扬天下的实验——杨氏双缝干涉。粒子理论的支持者一开始并不这么认为，但他们逐渐意识到，用粒子理论解释双缝干涉现象确实很难。他们转攻为守，指出了用波动理论难以解释的极化等现象。双方各执一词，局面僵持不下。

最后，决战源于1818年法国科学院的一次奖励征文比赛。比赛的题目是通过复杂的实验来确定光的衍射效应，并推断光在经过物体附近时的运动。陪审团由毕奥、拉普拉斯、泊松等当时知名的科学家组成。他们大多数是粒子理论的积极支持者。从陪审团的初衷来看，他们可能是想用粒子理论来解释光的衍射和运动，以此来打击波动理论。

1819年，菲涅尔，一个不知名的年轻工程师，在物理学家阿拉戈和安培的鼓励下，向征文比赛组委会提交了一篇论文。这篇论文的核心是后来被称为惠更斯-菲涅耳原理的理论。在论文中，菲涅耳采用了光是波动的观点，通过严密的数学推理计算出衍射过程，完美地解释了光的衍射现象，评审团成员对此深感惊叹。泊松仔细考察了菲涅耳的理论，发现当这个理论应用于圆盘衍射时，阴影中间会出现一个亮点。泊松认为这很可笑。影子中间怎么会出现亮点？这使得菲涅尔的论文几乎被废弃。关键时刻，菲涅尔的同事、评委之一阿拉戈顶住压力，坚持实验验证。结果发现影子中间奇迹般地出现了一个亮点，实验与理论完全吻合！泊松计算出的亮点原本是用来质疑菲涅耳衍射理论的，最后却成为支持这一理论的有力证据。圆盘衍射阴影中心的亮点后来被误称为泊松亮点，增加了这一事件的戏剧性。这场战役改变了第二次波粒战争的局面，吹响了波动论战略反攻的号角，菲涅尔也因此而声名鹊起。

因为波动理论一直假设光波是纵波，所以仍然很难解释偏振问题。1821年，菲涅耳发表了一篇关于偏振光线相互作用的论文，彻底改变了光是横波的假设，从而成功地解释了偏振，攻克了战役中最难攻克的一个据点。

第二次波粒大战以波动论的胜利和粒子论的失败而告终，但这不是结束。麦克斯韦后来创立了电磁理论，人们才意识到光是一种电磁波。1905年，爱因斯坦提出光电效应的光量子解释，人们开始意识到光具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出物质波假说，认为所有物质和光一样，都具有波粒二象性。我们还在对光和物质本质的理解的路上，还没有走到终点。前人留给我们最宝贵的不是金银财宝，而是这些宝贵知识的传承和解决问题的勇气和智慧。贡献突出，人才羡慕。

菲涅尔在科学上取得了很大的成就，主要表现在前面提到的衍射和偏振两个方面。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，建立了新的定量形式的惠更斯-菲涅耳原理，完善了光的衍射理论，至今仍被广泛应用。在偏振方面，他和阿拉戈一起确定光是横波；他发现了光的圆偏振和椭圆偏振，并用波动理论解释了偏振面的旋转。他引入了反射和折射定律的定量计算公式，即菲涅耳公式；他解释了马吕斯反射光的偏振和双折射，奠定了晶体光学的基础。

菲涅尔的实验非常直观明锐，很多今天仍然流行的实验和光学元件都冠以菲涅尔的姓氏，比如菲涅尔双镜干涉、菲涅尔波带片、菲涅尔透镜、菲涅尔圆孔衍射等。菲涅耳透镜很有意思。它把厚厚的镜片变成了薄薄的平板，这是镜片轻量化的第一次。这种设计首先应用于灯塔。1823年，第一个菲涅尔透镜应用于吉伦特河口的Godouan灯塔。透过它发出的光在20英里外都能看到。目前菲涅尔透镜可广泛应用于投影显示、聚光、导航空导航、红外探测等场景。

由于对光的本质的研究和波动光学理论的建立做出了突出贡献，菲涅耳于1823年当选为法国科学院院士，1825年当选为英国皇家学会会员。但是这样一个在物理光学领域成名的伟人却长期遭受疾病的折磨。1827年，他在获得人生最后一项荣誉——伦敦皇家学会颁发的拉姆福德奖章后，于39岁时死于巴黎附近的一个小镇上的肺结核。作为72位法国名人之一，菲涅尔的名字被刻在埃菲尔铁塔上。年轻的死亡抹不去菲涅尔的丰功伟绩，他的非凡贡献将永远被铭记在波动光学史上。