波动光学的建立及菲涅耳的贡献

中毒波动光学的建立及菲涅耳的贡献
鹿心杜 百科光是什么?是波,还是粒子?这个问题的争论由来已久,并一起萦绕在许多科学家的脑海里。
虽然光学的起源可以追溯到远古时代,但是光学形成为一门独立的学科体系,还是在16、17世纪实验科学发展的推动下促成的。15世纪末-16世纪初,欧洲的玻璃制造业已相当发达,到16世纪末,眼镜的使用已很普遍,眼镜制造业已成为一个十分健全的工业。而望远镜和显微镜的发明,则是17世纪初光学仪器发展的最大成就。与之相对应,在这一时期,也就出现了以胡克描述显微镜观察的专著《显微学》为代表的光学著作。
作为早期光学研究的先驱之一,牛顿还在剑桥大学读书时,就开始了对光学问题的研究,1666年,他做了著名的棱镜散实验,继而成功地研制了反射望远镜。1671年得出了“光和的新理论”,这是牛顿提交给皇家学会的第一篇论文,也正是以这篇论文为起点,引发了牛顿的微粒说与惠更斯、胡克的波动说之间的长达300年的论战。牛顿的光学研究具有独特的风格,1704年,在他出版的《光学》一书中明确地指出:“不是用假设来解释光的性质,而是用推理和实验来提出并证明这些性质”,他提出了19个命题,33个实验,并以大量篇幅详细描述了实验装置、实验方法和观测结果。从实验和观察出发,进行归纳综合,总结出一套完整的理论。由于光的微粒说能很容易地解释光的直线传播及部分日常现象,因此,牛顿对光的本性的看法,更多地倾向于微粒说。而与牛顿同时代的科学家惠更斯、胡克则坚定地认
二七惨案为光是一种波,极力主张波动说,在胡克的《显微术》一书中,他即明确提出“光是一种波”,在对薄膜颜作出解释的时候,也已初步触及了光的位相差这一波动的重要概念。
惠更斯肯定地认为:光是一种波动,而且是以以太介质传播出来的纵波,在波动说的粗糙轮廓上初步建立了光的波动观点。1678年他向法国科学院报告了自己的论点,继而在1690年出版的《论光》一书中,全面阐述了自己对光的波动说的论述,提出了著名的惠更斯原理,形成了以惠更斯为代表的波动说理论。但是,惠更斯等人的波动理论,由于缺乏数学基础,也不能解释当时实验上已经观察到的光的干涉、衍射、偏振现象等实验问题,因而显得并不完善。相比之下,18世纪法国牛顿派全面发展了牛顿力学,把牛顿力学建造成为了一个非常壮丽莫里森公式
而完善的体系,光的微粒说正好包括在这个完美体系之中。比起牛顿的微粒说来,早期波动说更缺乏数学的完美性,加之由于人们对权威的崇拜,也由于当时波动说还不完善,因而到了18世纪后期,大部分人都接受了光的微粒说,而基本放弃了光的波动观点。
菲涅耳生活和工作在十九世纪初叶。二百多年来,菲涅耳所建立的概念已经被肯定下来,在学习光学课程时,会不断地遇到菲涅耳为我们的科学领域引入的概念、推理和实验。以菲涅耳的名字命名的有惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳衍射、菲涅耳波带、菲涅耳积分、菲涅耳波动的标准方程、菲涅耳椭球面、菲涅耳卵形面、菲涅耳双棱镜和菲涅耳棱镜、菲涅耳平面镜、菲涅耳平行六面体(长棱形)、菲台风莫拉克
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涅耳公式。虽然没有提到菲涅耳,但高等院校光学教科书中某些章节的描述,如干涉、衍射、偏振、晶体光学等,几乎完全重复了菲涅耳的论断。菲涅耳在光学发展中的贡献确实是不可估量的。
光的反射和折射定律的发现应当列为菲涅耳最惊人的发现之一。菲涅耳公式直到现在仍然是我们平时计算用的公式。只有在光的电磁理论之中才包含了对它们的严格推导。尽管它们很新奇,但是菲涅耳还是以其特有的鉴别力猜透了它们。在"推导"的过程中,他做了一系列关于弹性以太性质的相当任意的假设,并使得关于波的振幅的边界条件更加精确。虽然这些结论是任意想出来的,但是所得到的公式却很精确。
1904年汤姆逊在巴尔的摩市的报告会上说过:"满腔热情的天才学者菲涅耳,在80年前根据不完整的数学数学概念所确定的规律是相当惊人的。"
菲涅耳的学术思想和创造具有革命的特,今天,在我们看来都是不言而喻的。但是在菲涅耳时代,要人们接受这些思想是极困难的。虽然菲涅耳的学术思想还是在菲涅耳活着的时候就被承认了。但是,有时还会对它产生许多怀疑,微粒说有时还卷土重来。例如,布鲁斯特在1833年曾写道:"我还没有决定双膝跪在波动理论之前,应当承认,民族的软弱性促使我去追念和维护遭到破坏的学府,因为那是往昔牛顿活动的场所。"
伟大的法国学者菲涅耳在物理学,特别是光学的发展中,所起的作用是非常伟大的。回忆一下他所做
的一切,不能不使我们衷心地钦佩他对科学的贡献。他的卓越的研究成果永远为人们所津津乐道。
总之,波动光学的发展是一波三折的过程,在这个过程中可以说正式由于菲涅尔出的工作才使得当时的人们走出微粒说的谜团。菲涅尔不愧为波动光学的先驱。他的成就让我们受益匪浅。

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