物理光学的缔造者——菲涅耳

众所周知，埃菲尔铁塔是法国巴黎最著名的地标。去巴黎的游客通常会参观这个地方，但是刻在塔上的72个名字很少被注意到。这些名字刻在埃菲尔铁塔第一平台的四面墙上，每个字母都有半米多高。他们都是法国物理学家、化学家、数学家、工程师和其他领域的杰出人物，奥古斯丁·菲涅尔只是其中之一。

菲涅耳(来源:360百科全书菲涅耳条目)

1788年，菲涅尔出生在厄尔省布罗格利的一个建筑师家庭。他从小就体弱多病，在家接受母亲的启蒙教育。就像爱因斯坦一样，年轻的菲涅尔年轻时没有显示出他的天才。相反，他学习有点慢，而且在八岁之前阅读仍然有障碍。但是当我九岁的时候，我突然好像睁开了眼睛，开始展示我在科技方面的天赋。我独立制作玩具弓箭和玩具枪。

1804年，菲涅尔以优异的成绩被巴黎理工学院录取。在学校期间，他仍然虚弱和多病，但他努力学习，成绩依然优异，尤其是在绘画和几何方面。1806年毕业后，菲涅尔进入法国国家道路和桥梁学校继续深造。毕业后，他成为一名工程师，主要从事道路建设。

1815年，拿破仑复辟，反对拿破仑的菲涅尔受到迫害，被解除职务并被监禁。在滑铁卢战役中，拿破仑第二次被打败并被流放。百日王朝结束了，波旁王朝又恢复了。菲涅尔被释放了。

正是在这几个月里，菲涅尔开始了几项光学研究，其中衍射的研究甚至引发了光学革命。以前，菲涅尔只是在业余时间做研究，但这种滞留使他致力于光学。在此期间，他还写了一篇关于恒星畸变的论文。虽然这篇论文没有发表，但也是他工作中的一项重要成就，为进一步的研究奠定了基础。

1818年，正当第二次波粒战争如火如荼的时候，法国科学院举办了一场题为“通过精确实验确定光的衍射效应和推断光通过物体附近的运动”的有奖论文竞赛。竞赛评审团由许多著名科学家组成，如支持粒子理论的拉普拉斯、泊松、毕奥和支持波动理论的阿拉戈。这次征文比赛也成为第二次波粮战争中的一个重要战场。

1819年，鲜为人知的年轻工程师菲涅尔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。本文的核心是后来被称为惠更斯-菲涅耳原理的理论。

惠更斯原理意味着波面上的每个点都是发射小波的波源，这些小波的包络面就是新的波前。惠更斯原理可以很好地解释光的线性传播、反射和折射，也可以定性地解释衍射的原因。然而，它的缺陷也是显而易见的:首先，无法定量计算衍射波的强度分布；第二，根据理论，会有倒退的浪潮，这显然与现实不符。根据惠更斯原理，菲涅耳定量地描述了子波的振幅和相位。同时，他引入了相干叠加的概念——空间中任何一点的振动都是该点所有小波相干叠加的结果。最终形成的理论是著名的惠更斯-菲涅耳原理。

菲涅耳解释理论的论文严谨而完美，给许多评委留下了深刻印象。然而，坚信粒子理论的法官泊松并不赞同这一理论。他非常详细地复习了这篇论文，并用论文中的理论进行了计算。将该理论应用于圆盘衍射时，阴影中心会出现一个亮点，计算结果与人们的直觉相反。泊松也认为这很荒谬，所以他用这个计算结果来质疑菲涅尔的论文。圆盘衍射阴影中心的亮点确实很奇怪，这几乎使菲涅尔的论文无法通过陪审团的审查。幸运的是，支持波动理论的阿拉戈法官坚持进行实验验证。实验结果发现，在圆盘衍射阴影的中心确实出现了一个亮点。位置和亮度与理论计算结果完全一致，菲涅尔理论获得了胜利。泊松计算的亮点最初被用来质疑菲涅耳衍射理论，但最终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错误地称为泊松亮点，增加了这一事件的戏剧性。

泊松点(来源:Sohu.com)

同年，菲涅尔也发明了菲涅尔透镜。与原来的透镜相比，菲涅耳透镜仍然具有各处曲率相同的透镜的效果，但焦距较短。这种设计具有材料少、体积小、透镜薄、能透射更多的光，并且容易制造出具有较大孔径的透镜。它首先应用于灯塔，也广泛应用于生产和生活中，如汽车前灯、手机闪光灯和载波菲涅尔光学下降辅助系统中的菲涅尔透镜。

菲涅尔透镜(来源:百度百科菲涅尔透镜词条)

基于波动理论的菲涅耳理论很好地解释了衍射现象，给光的粒子理论以沉重的打击，但光的偏振不能很好地解释它。为此，菲涅耳革命性地将光假设为剪切波，并研究了偏振光与上述阿拉戈的干涉。1821年，他发表了一篇题为《偏振光线的相互作用》的论文，成功地用横波理论解释了偏振。

菲涅耳还发现了圆偏振光和椭圆偏振光，并解释了它们。推导出著名的菲涅耳公式。解释了双折射现象和反射光偏振。

1823年，菲涅尔被选为法国科学院的成员，1825年，他被选为英国皇家学会的成员，1827年，他死于肺结核，享年39岁。

多年的疾病没有打败菲涅尔。他仍然孜孜不倦地攀登科学高峰，在衍射和偏振方面做出了杰出贡献。他被后人誉为“物理光学的奠基人”。

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

[参考]

1《大学物理第二册》，徐三南、陆健、徐普编著，机械工业出版社，2005年8月。

上帝掷骰子吗？《量子力学史》，曹天元著，辽宁教育出版社，2006年1月。

[科学家简介]

法国著名物理学家奥古斯丁·菲涅尔(1788年5月10日-1827年7月14日)是波动光学理论的主要创始人之一。