光學簡史:走近波動光學年代
整個18世紀,因為牛頓在科學界的崇高地位,在以牛頓為代表的微粒說占統(tǒng)治地位,波動說一直暗無天日。
故事的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1801年,托馬斯·楊進行了著名的雙縫干涉條紋實驗。
今天我們將走進揭開“光本質(zhì)”面紗的這一過程,走近波動光學的年代。
波動光學,建立在惠更斯原理之上。
惠更斯原理:波前的每一點可以認為是產(chǎn)生球面次波的點波源,而以后任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡(luò)。
1690年,克里斯蒂安·惠更斯發(fā)表著作《光論》提出惠更斯原理(一種光波動說,根據(jù)胡克的提議提出)。
胡克曾公開批評牛頓的光的微粒說,那一時期由于牛頓在其它物理領(lǐng)域的成功,他被公認是光本質(zhì)爭論的贏家,學術(shù)界廣泛地接受牛頓光學。
故事的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1801年,被譽為“世界上最后一個什么都知道的人”的英國科學家托馬斯·楊進行了著名的雙縫干涉條紋實驗。
托馬斯楊“世界上最后一個什么都知道的人”
托馬斯楊 光的干涉實驗示意
楊氏雙縫實驗顯示出,衍射光波遵守疊加原理,這是一種光微粒說無法預(yù)測的波行為。雙縫干涉條紋實驗確切地證實了光的波動性質(zhì)。
時間來到1818年,法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳完成了光的干涉實驗,繼托馬斯·楊之后再次證實了光的波動性,并提出了惠更斯-菲涅耳原理。
惠更斯-菲涅耳原理能夠解釋光波的朝前方傳播與衍射現(xiàn)象。
他的發(fā)現(xiàn)與數(shù)學演繹,締造了波動光學的理論基礎(chǔ),將光的波動學擴展至更多的光學現(xiàn)象。
根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理,波從一個介質(zhì)傳播到另外一個介質(zhì)時會產(chǎn)生折射。
根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理,波遇到障礙物時會產(chǎn)生衍射。
由于他的貢獻,光的波動理論在19世紀取得完全的勝利。
1818年,法國科學院進行了一次有獎?wù)魑母傎悾颇恼撐,以嚴密的?shù)學推理,圓滿地解釋了光的偏振。那個著名的亮斑"泊松亮斑"出現(xiàn)了。
評獎委員之一的泊松根據(jù)菲涅爾的理論,得到圓屏的陰影中心應(yīng)有亮點的結(jié)論,這個在當時被認為是不可能的。但很快,阿拉果用實驗證實了“泊松亮斑”,轟動了法國科學院。
泊松亮斑
在理論和事實面前,微粒說的觀點開始動搖,很多人開始放棄微粒說,而加入到波動說的行列。
在菲涅耳有生之年,他對于光學所做出的貢獻并沒有得到學術(shù)界認知。
但是,如同他于1824年寫給托馬斯·楊的信所述,“所有加諸于我的贊賞,遠不及我因發(fā)現(xiàn)大自然的理論真締或做實驗確認計算的結(jié)果而博得的喜樂。”
光學是一門歷史悠久的科學。光學的英文術(shù)語“optics”源自古希臘字“ὀπτική”,意為名詞“看見”、“視見”。
正是無數(shù)杰出科學家的前赴后繼,“光的本質(zhì)”才逐漸被人們所知,人類才得以看見更大、更精彩的世界。
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