光的衍射及波动性的发现

光的衍射及波动性的发现

自有人类以来，人们就一直和光打交道。光不但是人类赖以生存的重要条件，而且也是人类获得信息的重要渠道。我们之所以能看到身边这个五彩缤纷的世界，正是由于物体辐射、反射或散射的光进入人眼的结果。

光与人类有着如此密切的关系，人们必然会去研究它。从公元前5世纪起，人们就开始积累对光的感性认识，观察和实验光的直线传播、反射和折射现象。但是人类对光的本性的认识却是晚至16世纪之后的事情。

微粒说称雄一时

光是什么呢?牛顿认为光是沿直线飞行的微粒流，而且他用这种微粒说成功地解释了光的传播、反射、折射及色散等现象。但是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯、意大利人格里马耳迪等却认为光是一种波动。格里马耳迪发现，在窗户的护窗板上钻两个紧挨的小孔，太阳光经过这两个小孔射入室内形成两个锥形光柱。再将一个屏放在光柱相互重叠的区域就可发现，在某些位置上，屏上的亮度反而比只有一个光柱照亮时还要暗些。格里马耳迪称这种现象为光的干涉现象。显然，光的干涉现象与光的微粒说不相符合。

不久，格里马耳迪又发现，如果在狭窄的光束路径上放置一物体，那么在置于其后的屏上看到的就不是物体轮廓分明的影子，其影子不但比较模糊而且沿着边缘还出现彩带。格里马耳迪称这种现象为光的衍射，衍射现象也与光的微粒说相矛盾。

格里马耳迪和其后的许多科学家都观察到了光的干涉和衍射现象，特别是英国物理学家托马斯·杨在18世纪初进行的光学双孔干涉研究中，把光学现象与水面上的机械波相类比，明确地提出光具有波动性。

应该说人们已经找到了光是波动的有力证据，但是他们当中却无人能对这些现象以波动理论做出正确的解释。因而光的波动说在与光的微粒说的论战中始终无法占据优势，况且由于牛顿在物理学中的崇高威望无人可比，更使光的微粒说不可动摇。

显然，要使人们承认光的波动说，不但要有实验证据，最重要的是要能用波动理论对这些实验现象做出令人信服的科学解释。尽管这太困难了，但是年轻的法国工程师菲涅耳终于取得了成功。

波动说不甘寂寞

1788年5月10日，菲涅耳出生于法国的诺曼底。菲涅耳小时候就喜欢钻研技术和精密科学，青年时期则更是醉心于光学研究。虽然他在政府的桥梁和道路管理部门任工程师，却把所有的业余时间用在光学实验上。1814年，他在著名的“菲涅耳双镜”实验中观察到新的光的干涉现象，之后他又成功地完成了许多光的衍射实验。由于菲涅耳的出色工作，他开始在法国光学界崭露头角，并成为光的波动说的信奉者。

1817年，法国科学院举办一次科学竞赛会，要求参会者用精确的实验来演示光的全部衍射效应，并且必须建立相应的理论来解释清楚这些效应。虽然参加这样的竞赛会要冒一定的风险，但知难而进的菲涅耳还是报了名。他用比较长的时间写了一篇有关自己研究的论文，准备了有关的实验。第二年年初，菲涅耳把论文递交给法国科学院。

菲涅耳敢上擂台

法国科学院对这次竞赛极为重视，他们组成了专门的委员会审议所有的应征论文。委员会的成员都是当时法国科学界的知名学者，其中有泊松、毕奥、拉普拉斯这几位信奉光的微粒说的大科学家。(https://www.daowen.com)

委员会对所有的论文进行了严格的审议，尤其是对像菲涅耳这样认为光是波动的论文更加关注。虽然菲涅耳的波动理论比较严密，而且计算结果也与实验数据完全相符，但由于委员会中相信微粒说者占优势，因此委员会提出让菲涅耳演示自己的实验、宣讲自己的论文，回答委员们的质疑。

在答辩会上，菲涅耳精细地演示了光的衍射现象。他不但在点光源发出的光束照明下使一根细丝的影子中呈现出明暗相间的衍射图样，而且他还用小孔实验表明，当小孔的直径小到可与入射光的波长相比拟时，光通过小孔后能产生圆孔衍射图样，这是一圈一圈明暗交替的同心圆。接着菲涅耳又演示了光通过圆屏、锋利的直边等障碍物时产生的衍射效应。

在实验的基础上，菲涅耳提出了今天称之为的“惠更斯—菲涅耳原理”，这是建立在光的波动说上的一种新的光学理论。菲涅耳用这一理论的数学方法计算出实验中衍射带的分布，并计算出光通过小孔时，在屏上会产生什么样的图样。菲涅耳的理论和实验配合得天衣无缝，以至于多数委员都认为他应该获奖。但就在答辩即将结束时，一件意料之外的事件发生了。

波动说终获成功

泊松信奉光的微粒说，因而他在审查菲涅耳的论文时就特别挑剔。他在详细地研究菲涅耳的理论和数学方法时发现，按照菲涅耳的波动说，在圆屏衍射实验中会得到一个难以置信的结论:在圆屏的阴影中心会出现一个亮点。这一现象是所有的委员谁也不曾见过的，即使菲涅耳本人也没有观察到。在菲涅耳的答辩即将结束时，泊松突然提出这个问题，并借此难住菲涅耳并驳倒他的波动说。

对于泊松的发难菲涅耳确有些措手不及，但是他很自信，他相信自己的理论是正确的。菲涅耳再次演示实验，他精心地做准备，使所有的工作都严格符合要求。果然，圆屏的衍射实验成功了，当圆屏的半径很小时，阴影的中心出现了一个亮点。这个结果泊松同样没有想到，但对此无言以对，那些信奉微粒说的委员也都无话可说。菲涅耳的论文当之无愧地获得一等奖。菲涅耳的成功是对光的微粒说信奉者的巨大震动，由于泊松等知名学者都改弦更张，其他人也就不再固守自己的看法。这是在光学发展史上波动说第一次战胜微粒说。

由于菲涅耳对光的波动说的兴起有巨大的贡献以及他在其后所做的许多有重要意义的工作，1823年，菲涅耳当选为法国巴黎科学院院士，1825年又被英国皇家学会聘为会员。但是令人遗憾的是菲涅耳卓有成就的一生太短了，1827年他因肺病在巴黎附近的乡村逝世，年仅39岁。

既是粒子又为波

光是一种波动吗?由于菲涅耳的巨大成功以及1865年英国物理学家麦克斯韦提出光的电磁理论后，人们对此更是深信不疑。

但是从19世纪末到20世纪初，光的波动说又一次遇到危机。科学家在研究黑体辐射、光电效应及X射线散射等问题时发现，光的波动说对许多科学现象根本无法解释。以至于像普朗克、爱因斯坦、康普顿等许多著名物理学家不得不再次提出光是一种微粒流。

光到底是波动还是微粒，科学的发展使这个问题变得越来越复杂，因而科学家始终无法给出定论，光的本性成了科学家面前最棘手的难题。但是到了1924年，法国年轻的物理学家德布罗意提出任何实物粒子都有波动性之后，科学家才为光的本性是什么找到了答案:光既是一种波动，又是一种微粒，光和实物粒子一样具有波粒二象性。在一些场合尤其是涉及光的吸收和辐射问题时，单个光子无疑会明显地具有微粒性。但我们平常看到的是大量光子的集体行为，光子出现的概率确实按照波动说的预言来分布，因而光就明显地呈现出波动性。

光的波动性的发现以及人类对光的本性的认识，是科学史上最困难的事情之一，从牛顿最初提出光是微粒流到德布罗意提出光具有波动和微粒二象性，历经300余年。在这期间，反反复复、争执不断，光的本性的发现过程因此成为人类科学发展史上最美好的回忆之一。

光的波动性的发现在科学上具有极其重大的意义，现代光学的主要理论大部分都是建立在光的波动性学说上。人们设计光学元件、制造光学仪器时无一不考虑光的波动性。光的波动理论指出，任何光学仪器的分辨本领都与所使用的照明光的波长有关。波长越短，光的波动性的表现——衍射效应越弱，分辨本领越高。今天我们使用的电子显微镜就是据此制造的。由于电子的波长只有普通光波波长的1/1000，因而电子显微镜的分辨本领就比光学显微镜高1000倍。