菲涅爾——波動光學的奠基者

吉光

對光學有一定了解的人對菲涅爾這個名字應該不會陌生，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家的偉大貢獻。那么，歷史中的菲涅爾是一個什么樣的人？他有著怎樣的生活經歷？做出了哪些留名科學史的成就呢？

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建筑師家庭。次年7月14日爆發了法國大革命的開端事件——攻占巴士底獄。當菲涅爾6歲時，法國的局勢已經非常惡劣。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。年少時菲涅爾并沒有表現出自己天才的一面，反而在學習上有些遲鈍，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，開始展現出自己在科學技術上的天分，能獨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院正式接受系統全面的教育，并逐漸顯露出驚人的智慧。那是他第一次學習科學的相關知識，并深深地愛上了數學這門神奇的學科。也是從那時起，他立下了未來要從事科學工程研究工作的遠大志向。而后經過2年巴黎綜合理工學院和3年國立橋路學校的課程學習與實踐熏陶，菲涅爾用優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年畢業后，菲涅爾在政府機關擔任工程師，從事道路建設工作，但業余時間也在進行自己感興趣的科學研究工作。1815年，拿破侖復辟，反對拿破侖的菲涅爾受到了迫害，被解除職務并關押了起來。同年滑鐵盧之戰，拿破侖戰敗，被二次流放，百日王朝終結，波旁王朝再次復辟，菲涅爾才重獲自由。恰恰是在被關押的這幾個月中，菲涅爾開始了幾項光學研究，其中關于衍射的研究甚至引發了光學革命。之前菲涅爾只是在業余時間進行研究，而這次關押讓他全身心投入到光學研究中。其間，他還寫了一篇關于恒星光行差的論文，雖然這篇論文未能發表，但也是他工作中的一項重要成就，并為以后的進一步研究奠定了基礎。

波粒戰爭，出奇制勝

對于光究竟是波還是粒子，科學界有過兩次較為激烈的論戰，被戲稱為兩次波粒戰爭。第一次波粒戰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，統治了將近一個世紀；第二次波粒戰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，認為萬物由原子組成，同樣，人們傾向于把光看作細小微粒的流動，這一觀點被稱為微粒說。中世紀之后，隨著對聲波、水波等機械波的研究，人們開始假設光并不是一種物質粒子，而是由介質振動而產生的一種波，這一觀點被稱為波動說。機械波的傳播需要介質實現，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，這與當時對波的認識相悖。為了擺脫這一難題，人們設想了一種看不見摸不著的物質——以太（Ether），將其作為光傳播的媒介。

第一次波粒戰爭主要在英國皇家學會內部展開。隨著波動說的興起以及自己的實驗觀測，皇家學會會員羅伯特·胡克在他1665年出版的《顯微術》中明確地支持波動說，波動說一時占了上風。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鏡而當選為皇家學會會員，準備在光學與儀器方面大展拳腳。牛頓在學會提交的第一篇論文是關于光的色散實驗，光的復合和分解被比喻為不同顏色微粒的混合和分開，該論文受到了光學權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》，其中用微粒說解釋了光的種種現象，并且與牛頓力學體系結合在一起。從此，微粒說憑著牛頓的權威，統治了將近一個世紀。

第二次波粒戰爭隨著托馬斯·楊的雙縫干涉實驗而拉開了序幕。1807年，楊出版了《自然哲學講義》，第一次描述了那個使他名揚四海的實驗——楊氏雙縫干涉。微粒說的支持者一開始并不以為然，但他們逐漸認識到，使用微粒說確實很難解釋雙縫干涉現象。他們轉而以攻代守，指出偏振現象等當時波動說難以解釋的現象，雙方各執一詞，局面由此僵持。

最后決戰源于1818年法國科學院的一次懸賞征文比賽，比賽的題目是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情況。競賽評委會由畢奧、拉普拉斯、泊松等當時知名的科學家組成，他們大都是微粒說的積極擁護者。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動，以此來打擊波動說。

1819年，名不見經傳的年輕工程師菲涅爾在物理學家阿拉果和安培的鼓勵下，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，并通過嚴密的數學推理對衍射過程進行計算，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行了仔細的審查，發現當把這個理論應用于圓盤衍射時，在陰影中間將會出現一個亮斑，泊松認為這是非常荒謬的，在影子中間怎么會出現亮斑呢？這讓菲涅爾的論文差點被摒棄。在關鍵時刻，菲涅爾的同事、評委之一的阿拉果頂住了壓力，堅持要求進行實驗驗證，結果發現真的有一個亮點奇跡般地出現在陰影的正中間，實驗與理論符合得相當完美！泊松計算的亮斑本來是用來質疑菲涅爾衍射理論的，最后反而成為支持這個理論的有力證據。圓盤衍射陰影中心的那個亮斑后來被誤導性地稱為泊松亮斑，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爭的局勢，吹響了波動說戰略大反攻的號角，菲涅爾也因此一舉成名。