他靠奮鬥掀開了光學的神秘面紗，卻逃不過英年早逝的命運

從睜開眼的一刻起，映入眼帘的繽紛世界都因可見光而被我們的眼睛捕捉。

目前認知範圍內傳播最快的光物質也曾籠罩著一層層神秘的面紗。

相信光具有波粒二象性這件事情大家都不陌生了。

但關於光到底是粒子還是波的爭論在歷史上爭論了長達三個多世紀。

在這場爭論中不得不提奧古斯丁·菲涅爾，這位「物理光學的締造者」。

奧古斯丁·菲涅爾

菲涅爾出生於1788年5月10日的法國厄爾省布羅意一個建築師的家庭。

次年7月14日則爆發了法國大革命的開端——攻佔巴士底獄，法國陷入恐怖統治。

當菲涅爾6歲時，法國的局勢已經非常惡劣。

菲涅爾父親的建築工作被迫停下，舉家搬遷至一個名叫馬修的小村莊里生活，他就在那裡度過了他餘下的童年。

迫於形勢，菲涅爾的小學教育完全由父母指導完成，沒有接受過其他啟蒙教育。

不僅教育環境苛刻，菲涅爾的學習天賦在童年時也完全沒有顯現，他直到8歲仍然不會閱讀書物。

菲涅爾也算是趕上了亂世的浪潮，因此童年過得可謂悲慘。

當時大概誰也想不到這個學習遲鈍的小男孩後來竟在物理光學史上聲名顯赫。

12歲時，菲涅爾在法國卡昂中央理工學院正式接受系統全面的教育，才逐漸顯露出驚人的智慧。

那是他第一次學習到科學的相關知識，並深深地愛上了數學這一門神奇的學科。

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。

而後經過兩年巴黎綜合理工學院和三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，並成功取得了土木工程師資格證。

在1804年拿破崙建立法國旺達省行政與軍事區域的過程中，菲涅爾被聘用參與了連接小鎮與中心區的道路規劃建設工作。

此後的十年間他主要在政府機關擔任工程師修建公路，但在業餘時間也在進行自己感興趣的科學研究工作。

8年後他還著手開展了另一個重要的工程項目，建設連通西班牙與義大利北部並途徑法國的道路工程。

在拿破崙重獲權力之後，菲涅爾失去了他的工程師工作。

但他同時著迷於光的奧秘，也因失業而全心貫注地開始進行光學理論的研究。

沒想到這場降臨在菲涅爾頭上的厄運卻成為推動物理光學發展的重要契機。

直到1815年拿破崙戰敗滑鐵盧後被流放，菲涅爾在巴黎重新得到了一份工程師的工作。

但同時他手頭上的光學研究已經牢牢吸引著他，讓他不忍心放下。

出於本身的熱愛和深刻的鑽研，菲涅爾很快發布了一篇關於光行差*的論文。

雖然這篇文章從未發表出來，但也是菲涅爾研究工作中的一項重要肯定與成就，為他之後的進一步研究奠定了堅實的理論基礎。

*註：是指運動的觀測者觀察到光的方向與同一時間同一地點靜止的觀測者觀察到的方向有偏差的現象。在天文觀測中通常由於地球公轉、自轉等原因造成。

科學巨匠牛頓同時也是光學先驅，他是光微粒說的堅定支持者。

早在1672年，他在論文《關於光和色的新理論》談到的光的顏色理論就是用光的微粒說進行闡述，並對波動說進行了反駁。

由於牛頓在當時科學界的地位和聲望幾乎居於頂峰，人們對他的理論深信不疑。

此後的一個世紀里鮮少有人向微粒說提出質疑，也基本暫停了研究光的本性。

在十八世紀末德國自然哲學思潮的影響下人們的思想才逐漸解放。

這時一位英國物理學家托馬斯·楊開始對牛頓的理論感到懷疑，並在1801年提出了一個經典的雙縫干涉實驗。

楊氏雙縫實驗

他將同一光源發出的同頻率光通過一個狹縫，再通過一個與單縫平行的雙縫。

結果發現在白色像屏上可以看到明暗相間的黑白條紋。

因此得出了光是一種波的結論。

雖然波動說的提出已經是突破性的研究，但由於托馬斯·楊認為光是一種縱波，因此他的理論得到了許多批評與不信任。

而後他再次對光學進行深入研究，於1817年放棄了縱波的說法而改用橫波的假說。

他的理論也因此激起了巴黎科學院對光的研究興趣。

同年巴黎科學院舉辦了一次懸賞徵集關於光的干涉的最佳論文的科學競賽。

托馬斯·楊

其實早在兩年前，菲涅爾還沒有關注到楊氏衍射的論文，就在自己的論文中提出各種波的互相干涉使合成波具有顯著強度的理論。

為此他向巴黎科學院提交了第一篇論文《光的衍射》，提出了衍射理論並批評了微粒說。

這是最早對光的衍射現象做出正確的解釋。

在得知楊氏提出光的橫波理論後，菲涅爾以此為基礎進一步深入研究。

在科學競賽中他提交了一篇描述自己關於衍射工作的研究報告。

不同於楊氏干涉的雙縫設計，他用小孔實驗證實了光束通過與光波長相比擬小的小孔直徑時，能夠產生一圈圈明暗相間的同心圓，那就是圓孔衍射圖樣。

這份報告繼楊氏干涉實驗之後再一次有利證明了光的波動說，因此在1819年獲得了巴黎科學院的大賽獎。

在實驗中，菲涅爾使用的是彼此之間形成接近180°夾角的兩塊金屬平面鏡子。

這種鏡子被命名為菲涅爾透鏡，又稱螺紋透鏡。

它既能發揮聚焦作用，又可以將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的物體產生紅外信號以便於檢測。

菲涅爾透鏡原理

同時也避免了造成孔的衍射效應。

菲涅爾透鏡的構造替代了鏡子界的燈塔，因此菲涅爾在1819年被提名為「燈塔委員」。

除了光的衍射方面的成就，菲涅爾與阿拉果合作研究並發現了偏振光的干涉。

偏振光的干涉現象進一步論證了光的橫波性。

據此，菲涅爾有利用光的橫波性和彈性理論得出著名的菲涅爾公式，用以解決光反射時的偏振和雙折射問題。

由此，光的波動說取得了巨大的勝利，也推動了後來光的波粒二象性的理論完善。

菲涅爾在光的衍射和偏振方面取得的成就是對當時光的微粒說信奉者的強烈撼動。

而他與楊氏之間的研究競賽也成為光學發展史上的一段佳話。

實際上他們之間的關係友好而謙和，共同為波動光學貢獻出重要力量，並無激烈的優先權之爭。

鑒於菲涅爾對光的本性研究以及波動光學的理論建立作出了卓越的貢獻。

1823年菲涅爾被選為巴黎科學院的院士，1825年又成為了英國倫敦皇家學會的會員。

但是這樣一位在物理光學領域功成名就的偉人卻依然難逃疾病的魔爪。

他於1827年在重病獲得了人生中最後一項殊榮——倫敦皇家學會授予的「拉姆福德獎章」。

之後就因結核病而在巴黎附近的市鎮去世，享年僅39歲。

他作為72位法國知名人士之一，名字被刻於埃菲爾鐵塔上。

英年早逝抹不去菲涅爾的偉大成就，物理光學史上永遠有他非凡研究功勞的重要貢獻。

*參考資料

O"Connor, J.J.; Robertson, E. F., Augustin-JeanFresnel, MacTutor.

Fresnel, Augustin. Memoir on the Diffraction of Light. The Wave Theory of Light – Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. American Book Company. 1819: 79–145.

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