物理光學的締造者——菲涅耳

摘要：菲涅耳闡述這套理論的論文推導嚴謹、天衣無縫，讓諸多評委爲之讚歎，但是堅信微粒說的評委泊松並不認可這一理論，對這篇論文進行了極爲細緻的審查，並使用論文中的理論進行了計算，當這個理論應用於圓盤衍射時，陰影中心會出現一個亮斑，這個計算結果有悖於人們的直覺。爲此，菲涅耳革命性地把光假設成橫波，並和前文提到的阿拉果一起對偏振光的干涉進行了研究，於1821年發表了一篇論文——《關於偏振光線的相互作用》，使用橫波理論成功地解釋了偏振現象。

    菲涅耳在衍射和偏振方面做出了巨大的貢獻，被稱爲物理光學的締造者。

衆所周知，埃菲爾鐵塔是法國巴黎最富盛名的地標建築，去往巴黎的遊客一般都會遊覽這個地方，但是塔身上鐫刻着的72個人名卻鮮有人注意。這些人名都雕刻在埃菲爾鐵塔第一個平臺的四個壁面上，每個字母有半米多高，他們全部都是法國的物理學家、化學家、數學家、工程師以及其他領域的傑出人物，而奧古斯丁·菲涅耳正好是其中之一。

菲涅耳（來源：360百科菲涅耳詞條）

1788年，菲涅耳出生於法國厄爾省布羅格利耶的一個建築師家庭。他從小就體弱多病，在家裏接受母親的啓蒙教育。和愛因斯坦很像，年少時小菲涅耳並沒有表現出自己天才的一面，反而在學習上有些遲鈍，一直到八歲在閱讀上還存在障礙。但到了九歲似乎突然開了竅，開始展現出自己在科學技術上的天分，獨立製造出了玩具弓箭和玩具槍。

1804年，菲涅耳以優異的成績考入了巴黎綜合理工學院，在校期間，還是一直體弱多病，但他孜孜不倦地學習，成績依然優異，在繪畫和幾何學方面表現尤爲突出。1806年畢業後，菲涅耳進入法國國立路橋學校繼續深造。畢業後成爲了一名工程師，主要進行道路建設的工作。

1815年，拿破崙復辟，反對拿破崙的菲涅耳受到了迫害，被解除職務關押了起來。滑鐵盧之戰，拿破崙戰敗被二次流放，百日王朝終結，波旁王朝再次復辟，菲涅耳才重獲自由。

恰恰是被關押的這幾個月菲涅耳開始了幾項光學研究，其中關於衍射的研究甚至引發了光學革命。之前菲涅耳只是在業餘時間進行研究，而這次關押讓他全身心投入到了光學中去。期間，他還寫了一篇關於恆星光行差的論文，雖然這篇論文未能發表，但也是他工作中的一項重要成就，併爲其以後的進一步研究奠定了基礎。

1818年，正是第二次波粒戰爭進行得如火如荼之時，法國科學院舉辦了一場懸賞徵文競賽，競賽題目是《利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導出光線通過物體附近時的運動情況》。競賽評委會由很多著名的科學家組成，比如支持微粒說的拉普拉斯、泊松、比奧和支持波動說的阿拉果。這場徵文競賽也成爲了第二次波粒戰爭中的重要戰場。

1819年，名不見經傳的年輕工程師菲涅耳在物理學家阿拉果和安培的鼓勵下，向徵文競賽組委會提交了一篇論文。這篇論文的核心就是後來被人們稱爲惠更斯-菲涅耳原理的理論。

惠更斯原理是指波面上的每一點均爲發射子波的波源，這些子波的包絡面就是新的波陣面。惠更斯原理可以很好地解釋光的直線傳播、反射、折射現象，也能定性解釋衍射現象的成因。但是其缺陷也很明顯：一是無法定量計算衍射波的強度分佈；二是根據理論會有倒退波出現，這明顯和實際不符。菲涅耳在惠更斯原理的基礎上，對子波的振幅和相位作了定量描述，同時又引入了相干疊加的概念——空間任一點振動爲所有子波在該點相干疊加的結果，最終形成的理論就是著名的惠更斯-菲涅耳原理。

菲涅耳闡述這套理論的論文推導嚴謹、天衣無縫，讓諸多評委爲之讚歎，但是堅信微粒說的評委泊松並不認可這一理論，對這篇論文進行了極爲細緻的審查，並使用論文中的理論進行了計算，當這個理論應用於圓盤衍射時，陰影中心會出現一個亮斑，這個計算結果有悖於人們的直覺。泊松也認爲這個很荒謬，於是拿着這個計算結果對菲涅耳的論文進行質疑。圓盤衍射陰影中央出現亮斑的確有些匪夷所思，這個質疑差點讓菲涅耳的論文不能通過評委會審查。萬幸的是支持波動說的評委阿拉果堅持進行實驗驗證，實驗結果發現圓盤衍射陰影中央的確出現了一個亮斑，位置和亮度與理論計算結果完美吻合，菲涅耳的理論獲得了勝利。泊松計算的亮斑本來是用來質疑菲涅耳衍射理論的，最後反而成爲支持這個理論的有力證據，圓盤衍射陰影中心的那個亮斑後來被誤導性地稱爲泊松亮斑，更加增添了這個事件的戲劇性。

泊松亮斑（來源：搜狐網）

同年，菲涅耳還發明瞭菲涅耳透鏡，與原透鏡相比，菲涅耳透鏡對應各處曲率相等，仍然可以起到透鏡的效果，只是焦距更短了。這種設計比一般的透鏡減少了材料，體積更小、鏡片更薄，可以透過更多的光，同時也易於建造更大孔徑的透鏡。最早運用在了燈塔上面，在生產生活中也有着廣泛地應用，比如汽車頭燈、手機閃光燈、航母菲涅爾光學助降系統中都有菲涅耳透鏡的身影。