你能看到圖中間的亮斑嗎？這個亮斑可不簡單！

眾所周知，埃菲爾鐵塔是法國巴黎最富盛名的地標建筑，去往巴黎的游客一般都會游覽這個地方，但是塔身上鐫刻著的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?nèi)慷际欠▏奈锢韺W家、化學家、數(shù)學家、工程師以及其他領域的杰出人物，而奧古斯丁·菲涅耳正好是其中之一。

菲涅耳

1788年，菲涅耳出生于法國厄爾省布羅格利耶的一個建筑師家庭。他從小就體弱多病，在家里接受母親的啟蒙教育。

和愛因斯坦很像，年少時小菲涅耳并沒有表現(xiàn)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(xiàn)出自己在科學技術上的天分，獨立制造出了玩具弓箭和玩具槍。

1804年，菲涅耳以優(yōu)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(yōu)異，在繪畫和幾何學方面表現(xiàn)尤為突出。

1806年畢業(yè)后，菲涅耳進入法國國立路橋學校繼續(xù)深造。畢業(yè)后成為了一名工程師，主要進行道路建設的工作。

1815年，拿破侖復辟，反對拿破侖的菲涅耳受到了迫害，被解除職務關押了起來?；F盧之戰(zhàn)，拿破侖戰(zhàn)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，其中關于衍射的研究甚至引發(fā)了光學革命。之

前菲涅耳只是在業(yè)余時間進行研究，而這次關押讓他全身心投入到了光學中去。期間，他還寫了一篇關于恒星光行差的論文，雖然這篇論文未能發(fā)表，但也是他工作中的一項重要成就，并為其以后的進一步研究奠定了基礎。

1818年，正是第二次波粒戰(zhàn)爭進行得如火如荼之時，法國科學院舉辦了一場懸賞征文競賽，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。這場征文競賽也成為了第二次波粒戰(zhàn)爭中的重要戰(zhàn)場。

1819年，名不見經(jīng)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-菲涅耳原理的理論。

惠更斯原理是指波面上的每一點均為發(fā)射子波的波源，這些子波的包絡面就是新的波陣面?；莞乖砜梢院芎玫亟忉尮獾闹本€傳播、反射、折射現(xiàn)象，也能定性解釋衍射現(xiàn)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布；二是根據(jù)理論會有倒退波出現(xiàn)，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——空間任一點振動為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，讓諸多評委為之贊嘆，但是堅信微粒說的評委泊松并不認可這一理論，對這篇論文進行了極為細致的審查，并使用論文中的理論進行了計算，當這個理論應用于圓盤衍射時，陰影中心會出現(xiàn)一個亮斑，這個計算結果有悖于人們的直覺。

泊松也認為這個很荒謬，于是拿著這個計算結果對菲涅耳的論文進行質(zhì)疑。圓盤衍射陰影中央出現(xiàn)亮斑的確有些匪夷所思，這個質(zhì)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(fā)現(xiàn)圓盤衍射陰影中央的確出現(xiàn)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(zhì)疑菲涅耳衍射理論的，最后反而成為支持這個理論的有力證據(jù)，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，更加增添了這個事件的戲劇性。

泊松亮斑

同年，菲涅耳還發(fā)明了菲涅耳透鏡，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，同時也易于建造更大孔徑的透鏡。最早運用在了燈塔上面，在生產(chǎn)生活中也有著廣泛地應用，比如汽車頭燈、手機閃光燈、航母菲涅爾光學助降系統(tǒng)中都有菲涅耳透鏡的身影。

菲涅耳透鏡

菲涅耳以波動學說為基礎的理論很好地解釋了衍射現(xiàn)象，對光的微粒說給予了沉重一擊，但是光的偏振現(xiàn)象卻不能很好地解釋。

為此，菲涅耳革命性地把光假設成橫波，并和前文提到的阿拉果一起對偏振光的干涉進行了研究，于1821年發(fā)表了一篇論文——《關于偏振光線的相互作用》，使用橫波理論成功地解釋了偏振現(xiàn)象。

菲涅耳還發(fā)現(xiàn)了圓偏振光和橢圓偏振光，并對其進行了解釋；推導出了著名的菲涅耳公式；解釋了雙折射現(xiàn)象和反射光偏振現(xiàn)象。

1823年，菲涅耳當選為法國科學院院士，1825年當選為英國皇家學會會員，1827年因肺結核病逝世，享年39歲。

常年疾病纏身并沒有擊垮菲涅耳，他仍孜孜不倦地攀登著科學高峰，在衍射和偏振兩方面做出了卓越的貢獻，被后世譽為“物理光學的締造者”。

【參考資料】

1圖書《大學物理下冊》，作者許三南、陸建、徐浦，機械工業(yè)出版社2005年8月。

2圖書《上帝擲骰子嗎？量子力學史話》，作者曹天元，遼寧教育出版社2006年1月。

【科學家簡介】

奧古斯丁?菲涅耳（Augustin Fresnel,1788年5月10日-1827年7月14日）法國著名物理學家，是波動光學理論的主要奠基人之一。

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責編/小西途說