【物理史中的七月】1816 年 7 月:菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)對於光波動理論的證據

1816 年 7 月:菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)對於光波動理論的證據

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2016 年 7 月)

Photo: Wikimedia commons 菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)

光是粒子還是波,此問題幾世紀來科學家的看法紛歧,直到 20 世紀初。牛頓持前一個論點,主張「微粒」說。但到了 19 世紀初,波動理論東山再起,部份歸功於一位法國土木工程師菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)所做的研究。

菲涅耳於 1788 年出生,父親是建築師,因為父母都是天主教中擁抱宿命論基本教派的楊森主義教徒(Jansenists),他從小即在嚴格的宗教環境中成長。起先他在家學習,早期並未顯示出有學業的才能;直到 8 歲才能勉強閱讀,有部份也許要歸咎於當時法國所有的政治動盪。當法國大革命於 1789 年席捲巴士底監獄時,菲涅耳才剛滿1歲,當法國恐怖統治開始時,他 5 歲。

最後,他們全家定居在法國康城(Caen)北方一個小村,當菲涅耳12歲時,他才進入正式學校就讀。那是他發掘科學和數學的地方,他兩門學科都非常優異,因此決定攻讀工程學,先是在巴黎綜合理工學院,之後到國立巴黎高科陸橋學院。

菲涅耳完成學業後在法國政府機關從事各種土木計畫,首要在修築道路方面。主要的計畫是要建造一條經過法國,連結西班牙和義大利北部的道路。1815 年,拿破崙一世從流放地愛爾巴島(Elba)回到法國,但菲涅耳支持國王對抗拿破崙,因此當拿破崙聚集他的大軍到巴黎時,這位工程師喪失了他的職位,並受警察監控。此時菲涅耳選擇返回他的家鄉,專心他的科學興趣,特別在光學方面。

當拿破崙僅在 100 天後於滑鐵盧再次兵敗,國王路易十八即位,菲涅耳恢復他的工程工作,但他仍繼續他的光學研究。尤其是,他以楊氏(Thomas Young)的實驗做為他研究的基礎,楊氏知名的雙狹縫實驗被許多科學家視為光是波的證據。菲涅耳自己的理論和實驗研究也讓他支持此理論,雖然在當時的教科書並不認同。

菲涅耳對探討光本質的諸多研究並不熟悉,但他對繞射深感興趣。當光照射在如細金屬線上時,會在陰影處產生特有的一組彩色光帶。當他在繞射物體的一個邊緣黏貼一張黑色的紙時,會出現重大的變化,他發現光的亮色帶消失了。之後他根據光線通過繞射物體後面的路徑長度,構思出數學公式,來預測那些亮和暗的光帶位置。後來他利用那些相同的方程式來預測兩面鏡子反射光線所產生的干涉圖案。

那些構成了他 1818 年〈論光的繞射〉論文的基礎。其實菲涅耳於 1816 年 7 月就已發表了初步的成果,目的要充實數學,讓他的發現可以發展成完整的理論。1819 年,法國科學院宣佈那年的大獎賽(Grand Prix)要頒發給最佳的繞射研究。菲涅耳把握此機會分享他的研究,剛好在截止期限前交出他全部的理論。

那年的評審包括有阿拉戈(François Arago)、帕松(Siméon Poisson)和拉普拉斯(Pierre-Simon LaPlace)──全都支持光之微粒說。然而,帕松對菲涅耳的研究成果印象深刻、良好,因此他用其理論做預測──即是假如平行光線射在不透明的圓盤上,在陰影中間會有一亮點。這得到了實驗的證實,因此菲涅耳獲得了大獎,這是光波動說倡導者一個主要的勝利。

菲涅耳除了研究光學外,還為燈塔委員會工作。當時燈塔都依靠鏡子來反射燈光,但反射後的燈光從遠處很難看得見,在濃霧或暴風雨的天氣,船隻更是幾乎看不見燈光。既然影像的品質不重要,菲涅耳認知到使用透鏡,但去除裡面大部分的玻璃,會更理想。他設計一個透鏡,由多個玻璃稜鏡環組成,像一個巨大的蜂窩,中間放一盞燈。那些稜鏡將那盞燈(或其他光源)照出來的光加以偏折而集合成一道明亮的光束,可以照得很遠,甚至在多霧的情況下也很容易看得見。

菲涅耳的設計非常有效,所以這樣的透鏡一直被燈塔廣泛地使用,直到 20 世紀中期。菲涅耳的透鏡曾經使用於車前大燈,現在仍使用於車後燈及倒車燈,以及太陽能爐具。平常也用它們在影片和戲院的照明,不僅光束更亮,光的強度也更均勻。

儘管菲涅耳的種種成功,他一生卻從未贏得科學家的聲譽,許多的論文都在身後才發表。但他獲得同時期人的敬重,所以名字和71個其他法國傑出人物一起被刻在艾菲爾鐵塔上。然而,菲涅耳從不是一個追求公眾注意的人,正如他1824年給楊氏的信中寫道:「我從阿拉戈、拉普拉斯和必歐所得到的讚美遠不及我發現理論的真理,或計算被實驗確認所帶給我的快樂滿足。」菲涅耳於 1827 年 7 月 14 日因肺癆病死於法國阿弗雷城(Ville-d’Avray)。

Photo: Wikimedia commons/Frank Schulenberg
美國加州Point Arena燈塔的菲涅耳透鏡

進一步閱讀:

Fresnel, Augustin. (1818) “Memoir on the Diffraction of Light,” The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. Woodstock, GA: American Book Company.

Fresnel, Augustin. (1819) “On the Action of Rays of Polarized Light Upon Each Other,” The Wave Theory of Light: Memoirs by Huygens, Young and Fresnel. Woodstock, GA: American Book Company.

 

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