民眾大舞台——風俗世情

3. 法國科學院的懸賞

　　“隔牆有耳”講的是說話的人要防備有人偷聽。這說明聲音是可以繞過牆而傳播； 水麵上的木片、樹枝也不能阻擋水波的傳播。這種現象就是波的衍射或波的繞射。波的衍射和波的幹涉都是波的基本特征。

　　衍射現象的發現是意大利科學家格裏馬第發現的。格裏馬第在世時， 並未公開這一發現， 他死後三年( 1665 年)， 人們才公布這一發現。

　　格裏馬第發現， 在一束窄的光線路徑上放一個小的物體， 物體投射在屏上的像是不清晰的， 有一個模糊的邊緣。他注意到， 這一發現同光的直線傳播定律相矛盾。

　　牛頓和惠更斯都知道格裏馬第的發現， 但是衍射與光的波動說有什麽關係， 他們都未覺察。利用光的波動說研究衍射現象是100 多年以後的事。

　　衍射是光的重要性質， 為了徹底弄清楚這個問題， 1817 年3 月份， 法國科學院懸賞， 要求從實驗和數學兩個方麵取得進展。科學院成立了一個五人委員會， 他們都是著名的科學家。這五位是： 安培、拉普拉斯、泊鬆、蓋・呂薩克和阿拉果。其中前三位主張光的微粒說， 阿拉果主張光的波動說， 蓋・呂薩克居中。

　　在阿拉果的勸說下， 菲涅爾下決心應征並開始了這一課題的研究。

　　菲涅爾早年就讀於巴黎綜合工藝學校。畢業後來到了橋梁部隊做勤務工作。除了工程師的本職工作之外， 菲涅爾用業餘時間進行光學衍射研究。

　　菲涅爾的衍射實驗是讓光線通過一個狹縫， 在屏上形成像。當光源、狹縫和屏的位置確定後， 改變狹縫寬度。

　　開始， 縮小縫的寬度， 在屏幕上形成的光斑也隨著縮小。但是， 當狹縫寬度縮小到0. 1 毫米時， 屏幕上的光斑不但不縮小， 而且增大了。

　　亮度變化也是明顯的， 原來的光斑亮度是均勻的， 而當狹縫縮小到0. 1 毫米後， 變為一係列明暗條紋( 相對單色光源) 或彩色條紋( 相對複合光源) 。此外， 光斑的邊緣也失去明顯的界限， 變得模糊不清。

　　狹縫也可換小圓孔， 縮小小圓孔的直徑， 在屏幕上也會出現明暗相間的圓形條紋。

　　菲涅爾的單縫衍射實驗中， 狹縫距光源和屏幕的距離都是有限的。人們把這種衍射稱做菲涅爾衍射。差不多與此同時， 德國物理學家夫朗和費也對衍射進行了研究。與菲涅爾的裝置不同的是， 夫朗和費利用的是平行光。這相當於光源與狹縫和屏與狹縫的距離是無限大。這種衍射實驗稱做夫朗和費衍射。

　　菲涅爾的衍射現象已不能用惠更斯原理加以解釋。為此， 菲涅爾對惠更斯原理提出了修改， 新的原理被後人稱做惠更斯-菲涅爾原理。惠更斯-菲涅爾原理還成功地解釋了光的直線傳播定律。

　　菲涅爾關於衍射的研究對波動說是一個重要的發展， 特別是論文中的計算值和測量值很吻合。盡管由於評選委員會的多數成員持微粒說， 他們還是仔細地審查了菲涅爾的論文。泊鬆注意到菲涅爾推導在某些條件下是很嚴格。他指出， 根據菲的理論， 用一個不透明的圓形物體遮擋光線， 在屏幕上可以形成一個亮斑。後來人們稱它為“泊鬆亮斑”。

　　這的確是一個奇妙的現象， 而且與人們的經驗大相徑庭。更為重要的是， 泊鬆的問題對菲涅爾的理論無疑是一個極大的考驗。菲涅爾很快就從實驗上證實了泊鬆的“預言”。

　　這一證實， 給評委們留下了深刻的印象， 並最終使評委們放棄了最初的想法把獎金獎給了一個波動論者。