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3. 法国科学院的悬赏

  “隔墙有耳”讲的是说话的人要防备有人偷听。这说明声音是可以绕过墙而传播; 水面上的木片、树枝也不能阻挡水波的传播。这种现象就是波的衍射或波的绕射。波的衍射和波的干涉都是波的基本特征。

  衍射现象的发现是意大利科学家格里马第发现的。格里马第在世时, 并未公开这一发现, 他死后三年( 1665 年), 人们才公布这一发现。

  格里马第发现, 在一束窄的光线路径上放一个小的物体, 物体投射在屏上的像是不清晰的, 有一个模糊的边缘。他注意到, 这一发现同光的直线传播定律相矛盾。

  牛顿和惠更斯都知道格里马第的发现, 但是衍射与光的波动说有什么关系, 他们都未觉察。利用光的波动说研究衍射现象是100 多年以后的事。

  衍射是光的重要性质, 为了彻底弄清楚这个问题, 1817 年3 月份, 法国科学院悬赏, 要求从实验和数学两个方面取得进展。科学院成立了一个五人委员会, 他们都是著名的科学家。这五位是: 安培、拉普拉斯、泊松、盖・吕萨克和阿拉果。其中前三位主张光的微粒说, 阿拉果主张光的波动说, 盖・吕萨克居中。

  在阿拉果的劝说下, 菲涅尔下决心应征并开始了这一课题的研究。

  菲涅尔早年就读于巴黎综合工艺学校。毕业后来到了桥梁部队做勤务工作。除了工程师的本职工作之外, 菲涅尔用业余时间进行光学衍射研究。

  菲涅尔的衍射实验是让光线通过一个狭缝, 在屏上形成像。当光源、狭缝和屏的位置确定后, 改变狭缝宽度。

  开始, 缩小缝的宽度, 在屏幕上形成的光斑也随着缩小。但是, 当狭缝宽度缩小到0. 1 毫米时, 屏幕上的光斑不但不缩小, 而且增大了。

  亮度变化也是明显的, 原来的光斑亮度是均匀的, 而当狭缝缩小到0. 1 毫米后, 变为一系列明暗条纹( 相对单色光源) 或彩色条纹( 相对复合光源) 。此外, 光斑的边缘也失去明显的界限, 变得模糊不清。

  狭缝也可换小圆孔, 缩小小圆孔的直径, 在屏幕上也会出现明暗相间的圆形条纹。

  菲涅尔的单缝衍射实验中, 狭缝距光源和屏幕的距离都是有限的。人们把这种衍射称做菲涅尔衍射。差不多与此同时, 德国物理学家夫朗和费也对衍射进行了研究。与菲涅尔的装置不同的是, 夫朗和费利用的是平行光。这相当于光源与狭缝和屏与狭缝的距离是无限大。这种衍射实验称做夫朗和费衍射。

  菲涅尔的衍射现象已不能用惠更斯原理加以解释。为此, 菲涅尔对惠更斯原理提出了修改, 新的原理被后人称做惠更斯-菲涅尔原理。惠更斯-菲涅尔原理还成功地解释了光的直线传播定律。

  菲涅尔关于衍射的研究对波动说是一个重要的发展, 特别是论文中的计算值和测量值很吻合。尽管由于评选委员会的多数成员持微粒说, 他们还是仔细地审查了菲涅尔的论文。泊松注意到菲涅尔推导在某些条件下是很严格。他指出, 根据菲的理论, 用一个不透明的圆形物体遮挡光线, 在屏幕上可以形成一个亮斑。后来人们称它为“泊松亮斑”。

  这的确是一个奇妙的现象, 而且与人们的经验大相径庭。更为重要的是, 泊松的问题对菲涅尔的理论无疑是一个极大的考验。菲涅尔很快就从实验上证实了泊松的“预言”。

  这一证实, 给评委们留下了深刻的印象, 并最终使评委们放弃了最初的想法把奖金奖给了一个波动论者。

  
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